培養學生創造性解決問題能力的實踐研究

摘要：以“全國青少年未來工程師博覽與競賽”的過山車比賽項目為例，結合STEM教育的理念，總結學生完成整個項目的過程.在整個項目的開展過程中，教師引導學生運用科學、技術、工程、數學的知識，發現問題，提出問題，分析問題和解決問題，培養學生創造性解決問題的能力.

關鍵詞：過山車；創造能力；STEM教育

作者簡介：劉通（1994-），男，天津人，在讀研究生，研究方向：學科教學（物理）.

全國青少年未來工程師博覽與競賽是一項綜合運用科學、技術、工程與數學知識（STEM教育）的創新活動.已成功舉辦十三屆，一直倡導先進的科技教育理念，強調活動中動手做的過程，注重創新設計項目和對動手實踐能力的培養，鼓勵學生們自由組隊并用自己設計與制作的作品進行展示與競技，旨在培養學生的創新能力與合作精神，提升青少年學生的工程與技術素養.

筆者結合天津二十一中學參加全國青少年未來工程師博覽與競賽的“過山車”項目過程進行分析.比賽選擇高二學生，學生已經學習了圓周運動、機械能守恒等相關知識，并且綜合能力較強.整個過程以項目為驅動進行學習，引導學生在完成項目的過程中進行思考，培養學生解決問題的能力，整個教學過程注重知識的整合和運用，在了解基本原理的基礎上進行實施和優化，在制作過程中不斷進行測試和調整.既是對知識的學習和運用，也是對學生創造性解決問題能力的培養.作為此次比賽的指導教師，在整個項目過程中應該注意引導學生了解學習科學知識，運用學科知識理論解決實際問題，并努力在其中做出創造性設計[1].

1過山車任務要求

為了完成比賽背景下的過山車這一項目，同時加深學生對過山車項目的理解，在正式實施項目之前，指導教師帶領學生了解過山車比賽項目的基本要求和評分規則.在現有資料中，過山車的基本任務要求如下：（1）第一根軌道的起點高度必須為90cm，第二根軌道的終點必須距離底板3cm，并有收集裝置；（2）軌道必須完成四個規定動作：兩個直徑大于等于15cm的豎直平面的360°回旋，1個跨距大于等于10cm的等高點的飛躍，1個向上4cm的斷口的飛躍.順序不限；（3）第一根軌道的末端和第二根軌道的始端之間要有一個裝置，使運動到第一根軌道末端的鋼珠觸發第二根軌道的鋼珠開始運動；（4）從第一個鋼珠出發到第二個鋼珠到達終點，要求時間控制在15-20s.

2理論分析

在比賽的基本任務要求中，四個規定動作顯然是比賽的重難點，因此指導教師要求對這四個動作進行詳細的理論分析.學生們將四個動作分為兩種運動形式——兩個完整的圓周運動和兩個斜拋運動.本文對其原理進行分析.

21原理之360°圓環

結合實際運動情況，可將360°圓環動作分解為四段關鍵的運動過程——起步，上升，通過最高點和下降.最后將對這四個過程的分析進行整合，得出完成完整的360°圓環動作必須具備的條件和需要注意的問題.

211起步

鋼珠小球的動能由開始時所具有的重力勢能轉換.假設鋼珠小球從高為H的點由靜止開始向下做加速運動，當鋼珠小球運動到圓環最低點A時，受力情況如圖1所示，

根據機械能守恒定律可得：

mgh=12mv2A

212上升過程

鋼珠小球沿著軌道繼續向上運動.小球在B點受到重力mg和軌道對鋼珠小球的彈力N，如圖2所示.重力與彈力的合力支持小球做圓周運動，提供向心力Fn

下半圓：

Fn=N-mgcosθ=mv2Br

即N=mv2Br+mgcosθ

所以，只要速度不為零，軌道彈力N就大于零，小球不會脫離軌道.

上半圓：

Fn=mgcosθ+N=mv2cr

滿足N=mv2cr-mgcosθ≥0時，即vc≥grcosθ時彈力大于零，小球不會脫離軌道

綜上所述，鋼珠小球在A點獲得的速度取決于初始點的高度H.如果在A點沒有獲得足夠大的速度，在上升過程中彈力N減小到零，小球就會脫離軌道.

213圓環最高點

N=0時向心力完全由重力提供（圖3），此時有通過圓環軌道的最小速度

vmin=gr

214下降過程

鋼珠小球向下運動時，鋼珠小球將做加速運動，與上升過程對稱.若已通過最高點，則完全可滿足小球不脫離軌道的條件.即鋼珠小球只要通過最高點就可通過剩下的圓環.

由以上分析可知，當最高點Fn=mg時，vmin=rg，此時有釋放鋼珠小球的最小高度.

根據機械能守恒有

mgh=mv2e2+2mgr

解得h=25r.

即當h>25r時，鋼珠小球可安全且順利通過360°圓環[2].

22原理之“飛躍”

過山車運動中的平斷口飛躍和向上飛躍都為斜拋.斜拋分為豎直方向上的豎直上拋運動和水平方向的勻速直線運動（圖4）.

水平位移：x=vtcosα

豎直位移：y=vtcosα-gt22

水平速度：v水平=vcosα

豎直速度：v豎直=vsinα-gt

221飛躍平斷口10cm

由以上公式可得，射程s=2v2sinαcosαg=v2sin2α，易得射程S隨初速度v增大而增大，而且射程又與拋射角有關，當拋射角為45°時射程最大.

當sin2α一定時，速度v越大，射程S越大，則小球在軌道中飛躍越遠；當速度v一定時，sin2α越大，則小球在軌道中飛躍越遠.兩個變量，其中一個為定量時，另一個變量與射程S成線性關系.

222向上飛躍4cm

由以上公式可得，射高H=v2sin2α2g，易得射高H隨初速度v增大而增大，而且射高又與拋射角有關，當拋射角為90°時，射高最大.

所以，當角度α一定時，速度v越大，射高H越大，則小球飛躍的越高；當速度v一定時，角度α越大，則小球在軌道中飛躍的越高.兩個變量，其中一個為定量時，另一個變量與射高H成線性關系.

綜上所述，為了更好地實現過山車的飛躍動作，選擇飛躍的位置時應該選擇速度較大的位置進行飛躍，調試向上飛躍時應盡可能地加大飛躍角度α，調試斷口飛躍時則可以使拋射角度接近45°.

3設計觸發裝置

比賽要求小球在完成第一條軌道后啟動觸發裝置，使第二條軌道的小球開始運動.為了完成這一要求，指導教師要求學生們運用已學理論自行設計，同時可以在網上收集資料，最后教師與同學一起進行討論，匯總篩選后得出以下四種方案.

31方案1——利用光電感應開關實現觸發

原理：常開型光電感應開關，光電開關有蘭棕黑三種線，其中蘭棕接電源正負極，黑色為信號線，連接一個馬達，并在馬達上粘上橫梁來使小球靜止.將光電開關置于第一條軌道末端，當監測到小球通過時，信號觸發，馬達轉動，橫梁不再阻擋小球，小球釋放.

優缺點分析：利用光學信號轉換為電信號，使開關更像一個觸發器，想法有一定的可取之處，但由于小球沿軌道運行速度過大，光電開關的靈敏度影響是否能檢測到小球信號，存在一定風險.

32方案2——杠桿原理實現電路接通

原理：在第一條軌道末端設計一個可撞擊的杠桿，杠桿另一端纏繞導線，當小球完成第一條軌道撞擊杠桿時，另一端翻轉，與預設的導線相碰，實現電路聯通，馬達轉動，釋放小球.

優缺點分析：只用簡單的電路就可以實現開關制作，體現了隊員獨特的想法和設計能力，但由于碰撞使得導線接觸時間短，失敗概率較大.

33方案3——撞擊實現觸發

原理：第一、第二條軌道在一條軌道上，將第二個小球靜止在軌道中段，當第一個小球運動到其所在位置時直接通過撞擊實現觸發.

優缺點分析：撞擊觸發難度較低，易實現，穩定，但由于簡單也失去了新意，且碰撞存在不穩定因素.

34方案4——長杠桿實現觸發

原理：第一條軌道末端與第二條軌道起點在同一豎直線上，用PVC管當作杠桿，當第一個小球撞擊PVC管下端時，杠桿旋轉，碰撞第二個小球，實現觸發.

優缺點分析：整個裝置給人一種機械感，精密而且穩定，但也有一個很嚴重的缺點，即第一個小球下落速度不確定，導致第二個小球初速度很不穩定，易飛出軌道.

教師帶領學生將以上四種方案的優缺點進行比較，發現其中光電感應開關制成的觸發器靈敏快捷，安裝過程不存在太多的障礙，且相對穩定.同時開關將光信號轉變為電信號，最后以機械運動的形式呈現出來，非常具有創新性和吸引力.因此在多種觸發裝置設計中，小組討論最終統一意見，選擇了光電感應開關作為觸發裝置.

4實踐過程

41了解原理 設計框架

教師活動：向參賽學生簡單介紹基本原理和比賽規則，展示比賽資料.學生進行分組，讓學生進行自主設計，分工合作.

學生活動：根據比賽的要求，大致計算出所需框架長度和數量，以便采購材料.設計過山車最基本的外層框架.

設計意圖：通過教師介紹，學生直接了解比賽，對比賽規則有清楚的認識，有利于后期開展過山車項目制作.先設計好最基礎的外層框架，軌道的設計和搭建工作才能由此展開.

42完成動作 改造創新

教師活動：與學生一起對規定動作進行理論分析和定量計算，在必要的時候引導學生的思路.對學生的制作過程進行指導.

學生活動：在教師的輔助下完成理論分析，再選擇合適的高度進行軌道設計.動手進行軌道搭建，完成規定動作和項目制作.在動手過程中發現解決問題，并盡量給出創新性方案.

設計意圖：在遵循基本科學理論的基礎上進行設計，有利于過山車項目的完成.同時也是讓學生溫習科學知識，并進行實踐應用.不干預學生制作過程，讓學生自己完成動手制作，這一過程能充分促進學生的主動性和創造性，體現了STEM教育的理念.

43進行調試 優化細節

教師活動：對搭建完畢的過山車進行檢查，指導學生對自己的過山車進行整體調試，對設計作品進行優化.

學生活動：在調試過程中不斷觀察，發現問題并對軌道進行修正優化.在優化的過程中思考能否進一步創新性改造.

設計意圖：對過山車整體制作進行調試、優化時過山車運行過程更加流暢，控制過山車的運行時間，讓其更加符合比賽要求.調試優化的過程也是對學生解決問題能力的培養.

44參加比賽 總結經驗

教師活動：帶領學生參加比賽，強調與其他參賽隊伍的過山車的比較，比賽結束后要求學生交流反思，對此次比賽進行經驗總結.

學生活動：在參賽過程中用心觀察其他組比賽的過山車，與自己的作品進行比較.在賽后互相交流，做好歸納總結，反思各組過山車的優缺點（圖5）.

設計意圖：通過比賽讓學生對自己的過山車有一個清晰、客觀的認識，在與別人進行比較時能發現彼此設計制作的優缺點，發現自己的過山車不足以便進一步優化，認識到自己的優缺點增強自信.在比賽后進行反思，讓學生淡化輸贏的觀念，深化學生對“學習”的認識.

5教學反思

整個教學過程以項目式學習為核心，學生在自己整理過山車資料和設計制作的過程中，提高了相關的科學、技術、工程和數學素養.教師作為引導者引導學生進行探究式學習，由學生自己利用科學知識進行理論分析和實踐，對過山車工程項目進行細致的了解后進行自主創新性設計，最后完成了自己的過山車工程制作，這是對學生創新能力的培養.

51提升學生的實踐能力

學生自己動手操作實踐這一環節，則驗證了學生之前進行的理論分析的結果，提高了學生對自己能力的自信，也彌補了傳統教學中學生只看不做的缺陷.在動手實踐體驗的過程中，學生更能體會到各個零件的優點，如在架設軌道時使用橫梁和軌道卡子的固定方法只能完成沒有落差的軌道鋪設，固定有落差的軌道時它們很容易使軌道發生變形；伸縮橫梁的優點則使它能360°旋轉，在軌道固定時使用伸縮橫梁則可以很好地保持軌道落差的穩定性.

52學會方案選擇及優化

學生在搭建過程和調試過程中遇到問題時，必須積極主動地去思考解決方案，尤其是面臨自主設計部分存在的問題時，對學生創新性解決問題能力的提升非常顯著.如作為軌道的部分PVC管子無法拉直，因此，學生選擇順著管子本身的形狀去設計軌道，同時使用更多的軌道卡子將軌道固定.在選用自己設計的光電開關作為觸發裝置時，小球最后滑落的速度過快，感應器很難捕捉到光信號，很容易失敗；為此，學生自己設計了一個杠桿，一端裝上一個寬塑料片，一端裝上一個自制碰撞器，小球滑下來的時候直接撞在碰撞器上將碰撞器彈開，另一端的寬紙片隨之降下來遮擋光線，使感應器更好地捕捉到光線變化，從而開啟觸發裝置，另一個小球開始運動.

53合作交流共同進步

將學生分組，學生與組內的同學一起討論、研究和制作，既培養了學生合作共贏的團隊意識，增進彼此之間友誼，又提高了學生交往能力的同時還能互相交流經驗，更有利于大家共同進步.如觀察其他組的過山車時，學生們進行了交流，最后還總結出，小球做圓環和飛躍的動作時都需要較大的速度，否則不能完成動作；在彎道處則速度不宜過大，否則小球很容易沖出軌道.如果恰好把圓環或飛躍動作設計在彎道前后，就使得前后搭配不當，過山車項目很容易失敗.

54項目教學實踐的不足

采用探索式教學方法，忽略了部分學生實踐經驗不足的問題，只在開始時講明比賽規則，提供部分資料，導致學生在起步階段對過山車項目認識不足，花費了大量時間摸索各個零件的使用方法，進度緩慢.學生缺乏洞察力，只注重眼前遇到的問題，在沒有太多資料的指導下進行開放性設計，沒有使用足夠的框架進行支撐，軌道設計過于曲折，這樣制作出的過山車軌道很不穩定，給后期調試帶來了極大的困難；比賽時發現，其他組則使用了更多框架將軌道固定，這樣軌道不易變形，小球運動更加穩定[3].

參考文獻：

[1] 張惠玲 實施學生項目學習 培養學生STEM素養——對學生課題“研制水火箭并研究水火箭的運動”的案例研究[J].實驗教學與儀器， 2016， 33（10）：3-6

[2] 程柏 豎直面上的圓周運動對稱位置受力特點分析[J].中學物理， 2016， 34（3）：75-76

[3] 佚名 培養學生創造性解決問題能力的研究——未來工程師項目回顧與展望//中國公民科學素質報告[M].北京：社會科學文獻出版社， 2014