STEM項(xiàng)目“改進(jìn)牛頓色盤”的實(shí)踐與創(chuàng)新

張好

科學(xué)教材中有一些制作課，能夠讓學(xué)生學(xué)以致用，并提高他們動手動腦的能力。在此基礎(chǔ)上，教師還可以從教材中進(jìn)行挖掘，結(jié)合生活和學(xué)習(xí)實(shí)踐設(shè)計(jì)STEM項(xiàng)目課程，給學(xué)生搭建平臺制作和改進(jìn)一個產(chǎn)品，使他們獲得技術(shù)思維與工程思維的提升，有效發(fā)展創(chuàng)新能力。在學(xué)生學(xué)習(xí)過光的色散、彈力知識的前提下，筆者引導(dǎo)他們完成了一個STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)——改進(jìn)牛頓色盤。

科學(xué)工具箱里有一種叫作“牛頓色盤”的學(xué)具，它提供材料讓學(xué)生來制作可以轉(zhuǎn)動的七色盤。但是這個七色盤的設(shè)計(jì)不完美，因?yàn)樗褪且粋€普通的七色圓形紙卡，中間一個小孔，讓學(xué)生用鉛筆穿過去旋轉(zhuǎn)它，以看到七色紙卡的顏色變成白色，而事實(shí)上，色盤旋轉(zhuǎn)起來后，學(xué)生看到的是土黃色。于是，筆者和學(xué)生通過一步一步探究，解決問題。

發(fā)現(xiàn)—假設(shè)—嘗試

第一課時，發(fā)現(xiàn)問題和嘗試解決問題。

首先，筆者讓學(xué)生玩牛頓色盤，讓他們由此質(zhì)疑：為什么旋轉(zhuǎn)的七色盤沒有變成白色呢？學(xué)生會有各種猜想，聚焦到兩個原因：轉(zhuǎn)得不夠快、顏色比例分配不合理。下面，讓我們先解決轉(zhuǎn)得不夠快的問題。

筆者提問：“你可以想哪些辦法讓它轉(zhuǎn)得更快呢？”學(xué)生開始積極思考，比如，將它貼在車輪上，車子開多快，它就轉(zhuǎn)多快。又如，當(dāng)學(xué)生想到一種玩具的時候，教師鼓勵他們想到更多圓形的快速轉(zhuǎn)動的玩具，像陀螺、溜溜球、拉線飛輪等。在這個過程中，有學(xué)生提出制作一個拉線牛頓盤。

筆者及時鼓勵道：“這個辦法特別好，如果能做成功，我們不是就發(fā)明了一種新的科學(xué)玩具嗎？”接下來學(xué)生設(shè)計(jì)制作拉線牛頓盤，他們認(rèn)為只要在七色圓形紙卡中間打兩個小孔，穿上兩根繩子就可以了（如圖1）。

學(xué)生開始按照自己的設(shè)計(jì)來進(jìn)行制作，結(jié)果沒有一個人成功，圓形紙卡搭在線繩上無法轉(zhuǎn)動。他們沒有氣餒，通過觀察工廠生產(chǎn)的拉線飛輪，思考、交流討論，積極改進(jìn)制作方案。

學(xué)生發(fā)現(xiàn)工廠生產(chǎn)的拉線飛輪（如圖2）有一定的厚度，認(rèn)為他們需要把紙卡片粘貼4～5層或者在中央貼上一顆紐扣，這樣紙卡片才能“立起來”。于是他們改進(jìn)了方案：將4～5層圓形紙卡片黏合到一起，或者選用兩孔紐扣粘貼在七色圓形紙卡的中央，扣子要粘牢壓緊，紐扣和紙卡應(yīng)該是兩個同心圓;將兩根拉線分別穿過紐扣上的兩個小孔，拉繩要調(diào)整到合適的長度。

學(xué)生根據(jù)改進(jìn)后的兩種方案制作轉(zhuǎn)得更快的牛頓色盤，都獲得了成功，他們開心地玩著。但是問題又來了，盡管七色盤飛輪轉(zhuǎn)速特別快，卻不能復(fù)合成白色，仍然只是淡淡的土黃色。解決“轉(zhuǎn)得不夠快”的問題沒有使我們達(dá)到目的，我們的目的是讓七色盤旋轉(zhuǎn)時顏色變成白色。那么接下來的任務(wù)就是：探究改變七色盤的色塊分配比例能否讓七色盤的顏色轉(zhuǎn)成白色。

探究—實(shí)踐

第二課時，研究七色盤的色塊分配比例。

真實(shí)情境中七色光色塊的分配有什么特點(diǎn)？顏色比例應(yīng)該是怎樣的呢？學(xué)生提出通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量的方法。師生一起來到室外的陽光下，學(xué)生分組用三棱鏡做光的色散實(shí)驗(yàn)，拍下各個實(shí)驗(yàn)小組的色散照片，回到教室后將這些照片同屏顯示在課件上。這時候讓學(xué)生仔細(xì)觀察這些照片，說一說自己的發(fā)現(xiàn)。他們的發(fā)現(xiàn)有很多：實(shí)驗(yàn)中這些照片的顏色都是相同的;都能分辨出紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色;這些照片中各種顏色界限比較模糊;不同的照片中七色所占的比例“看起來相同”（如圖3）。

課件顯示放大版的已做好七種色光范圍標(biāo)記的照片（事先根據(jù)太陽光的可見光譜來大致劃分七種顏色的范圍），教師再將做好標(biāo)記的放大版照片發(fā)給每個小組一份，學(xué)生測量各種顏色的寬度，計(jì)算所占比例。這時候每個小組需要填寫一個表格，列表的第一欄記錄下各個寬度的數(shù)據(jù)，第二欄填寫出計(jì)算的百分比，第三欄填寫出根據(jù)百分比計(jì)算的餅形圖各扇形的角度。

畫好餅形統(tǒng)計(jì)圖，這時需要用到直尺和量角器。最后再進(jìn)行涂色，七色盤的制作就完成了。

糾錯—產(chǎn)品分享

第三課時，用自己制作的色盤來做成拉線飛輪。

因?yàn)橛械谝徽n時的鋪墊，學(xué)生已經(jīng)有了制作經(jīng)驗(yàn)，他們將自己制作的七色盤代替學(xué)具材料里的七色盤，運(yùn)用兩孔紐扣和彈性較好的線繩來制作拉線飛輪。一個個新的作品出現(xiàn)了，旋轉(zhuǎn)的拉線飛輪呈現(xiàn)出白色（如圖4）。

最后，教師鼓勵學(xué)生一起給教具公司寫一封信，建議用這種能快速旋轉(zhuǎn)的、色彩分配正確的拉線飛輪牛頓盤來代替原有的學(xué)具。學(xué)生甚至還提出，可以給玩具工廠寫一封信，讓他們制作這種新型的科學(xué)玩具。

接下來的任務(wù)，每位學(xué)生可以任選一個或多個完成：

（1）寫一份產(chǎn)品制作說明提供給工廠。內(nèi)容包括：產(chǎn)品的生產(chǎn)價值，產(chǎn)品部件名稱、數(shù)量及細(xì)節(jié)要求，產(chǎn)品需要達(dá)到的效果。

（2）寫一份產(chǎn)品使用說明提供給消費(fèi)者。內(nèi)容包括：拼裝步驟、成品結(jié)構(gòu)圖、成品操作方法及工作原理。

說明書完成之后展開一個小型交流和展示活動，通過相互評價，學(xué)生總結(jié)出一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)。比如，在畫成品結(jié)構(gòu)圖時要做好標(biāo)注，可以從各個不同的角度來畫圖等。

總結(jié)—反思

通過三個課時的項(xiàng)目學(xué)習(xí)，學(xué)生經(jīng)歷由失敗到成功的過程，自己改進(jìn)已有的學(xué)具，發(fā)明科學(xué)玩具，這是一種更加貼近生活的高品質(zhì)學(xué)習(xí)。在“改進(jìn)牛頓色盤”的教學(xué)過程中，筆者重在落實(shí)三種理念：

一是，讓學(xué)生經(jīng)歷試錯的過程，以提升技術(shù)思維能力和工程思維能力。筆者一直認(rèn)為：STEM教育讓學(xué)生觸摸真實(shí)的世界，思維發(fā)展是STEM教育的基石。但往往很多時候，因?yàn)閷W(xué)生只是簡單地“制作一個東西”，順利地經(jīng)歷想和做的過程，思考不夠深入，達(dá)不到提升技術(shù)工程思維能力的效果。在這個項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，學(xué)生為了解決“色盤轉(zhuǎn)不成白色”的問題，先是提出了自己的想法：可能與“轉(zhuǎn)動不夠快”有關(guān)，也可能是“顏色比例分配不合理”。接下來他們嘗試制作一個拉線飛輪七色盤，卻以失敗告終。這時他們不得不認(rèn)真思考：平時我們玩的工廠生產(chǎn)的拉線飛輪各個部分有什么特點(diǎn)？是什么導(dǎo)致我們的作品轉(zhuǎn)不起來？并將自己的推測一一驗(yàn)證。在這些反復(fù)觀察、比較、推測、驗(yàn)證的過程中，學(xué)生的思維能力得到了提升。

二是，讓學(xué)生利用課堂研究成果來解決實(shí)際問題，以培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識。在這個項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，學(xué)生始終處于真實(shí)情境：改進(jìn)一個學(xué)具。如何在任務(wù)當(dāng)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識呢？筆者首先通過一個頭腦風(fēng)暴“怎樣讓色盤轉(zhuǎn)得更快”讓學(xué)生意識到：通過發(fā)散思維可以獲得很多種不同的方法。學(xué)生的思維發(fā)散后再集中研究一個問題：制作一個拉線飛輪。學(xué)生制作成功后，一起來給教具公司或生產(chǎn)廠家寫建議，學(xué)生真切感受到創(chuàng)新的價值，他們就能在今后的學(xué)習(xí)和生活中注重創(chuàng)新的想法和行為。

三是，讓學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識和能力來解決問題，以提高他們的綜合素養(yǎng)。在按比例分配色塊的過程中，需要運(yùn)用到一些數(shù)學(xué)知識：計(jì)算百分比、畫餅形統(tǒng)計(jì)圖等。在表達(dá)制作方案的過程中，需要運(yùn)用到語文能力和畫圖的技法。當(dāng)學(xué)生整合這些知識和能力來解決實(shí)際問題、形成物化成果，他們的綜合素養(yǎng)得到了有效的提升。