STEM項目“搭建創(chuàng)意天梯”教學(xué)實踐

科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生要掌握基本的思維方法，具有初步的科學(xué)思維能力?！按罱▌?chuàng)意天梯”項目的設(shè)計以STEM教育理念為指引，讓學(xué)生在完成項目任務(wù)的過程中明確挑戰(zhàn)性任務(wù)、分析出現(xiàn)的問題，并嘗試設(shè)計、搭建、改進(jìn)、展示與評價天梯，最后通過多元評價診斷任務(wù)達(dá)成度。整個過程有助于學(xué)生學(xué)習(xí)分析、比較、聯(lián)想、想象、推理、質(zhì)疑、批判等科學(xué)思維方法，促使他們從“科學(xué)實踐”逐步走向“科學(xué)思維”，從而提升其科學(xué)思維能力。本項目的實踐，為如何在科學(xué)教學(xué)中融合STEM理念提升學(xué)生思維能力提供依據(jù)。

一、確立挑戰(zhàn)性任務(wù)，打開學(xué)生系統(tǒng)性思維

在生活中，塔吊能夠吊起比自身重幾倍的物體，且自身結(jié)構(gòu)依然很穩(wěn)固，這是什么原因呢？為了弄清這個問題，教師引出挑戰(zhàn)性任務(wù)：進(jìn)行創(chuàng)意天梯模型的搭建——用合適的材料搭建穩(wěn)固且承重能力強(qiáng)的框架結(jié)構(gòu)。與塔吊類似的是，天梯同樣需要具備穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，確保能夠抵抗各種外部力量的影響。同時，在搭建時需要綜合考慮多個方面的因素。因此，通過搭建穩(wěn)固的天梯，學(xué)生可以探究塔吊的穩(wěn)固性設(shè)計理念和它能吊起比自身重幾倍物體的原因。

“搭建創(chuàng)意天梯”STEM項目在以學(xué)生為本、玩中學(xué)、做中學(xué)的教學(xué)理念為指導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)為落腳點，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，從科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的學(xué)科特性出發(fā)，結(jié)構(gòu)化、進(jìn)階式地錨點制訂項目目標(biāo)（見表1），架起實踐與探索的橋梁，可視化地設(shè)計學(xué)生高階思維成長的路徑。

本項目的最終任務(wù)是搭建結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高度較高、承載力強(qiáng)的創(chuàng)意天梯，教師設(shè)計了核心任務(wù)架構(gòu)。整個過程通過任務(wù)式的活動推進(jìn)，教師出示任務(wù)、材料和具體要求，讓學(xué)生圍繞任務(wù)自主進(jìn)行活動。

任務(wù)一：設(shè)計天梯3D模型。材料：3D One軟件、紙、筆、高塔模型。要求：①學(xué)生根據(jù)出示的太空天梯思考如何將天梯搭得又高又穩(wěn)；②小組內(nèi)用紙筆進(jìn)行初稿設(shè)計；③建模前思考和討論每個連接件的作用；④初步嘗試用3D One軟件進(jìn)行設(shè)計；⑤設(shè)計后小組交流，匯報并修改設(shè)計稿。

任務(wù)二：搭建天梯。材料：桐木條、連接頭、鋸子、尺子、齒輪、掛鉤、馬達(dá)、砂紙和纜繩。要求：①根據(jù)小組的設(shè)計，選擇粗細(xì)、重量合適的桐木條；②利用桐木條和連接口搭建天梯；③在天梯合適的位置安裝齒輪、掛鉤和纜繩等。

任務(wù)三：改進(jìn)天梯。材料：搭建天梯的材料、卷尺、電子秤、記錄單、砝碼、塑料袋、手機(jī)。要求：①解決天梯不穩(wěn)固的問題，重新設(shè)計天梯模型，更換桐木條、將桐木條和連接頭重新安裝；②解決天梯重量超重問題，減少桐木條總數(shù)、精選經(jīng)過干燥處理的桐木條、更換輕且強(qiáng)度高的連接頭；③測試天梯增加天梯承重能力，將重物由輕到重的順序掛在纜繩上進(jìn)行稱重能力測試。

學(xué)生明確挑戰(zhàn)性任務(wù)及要求，進(jìn)行整體思考，在一定的時間內(nèi)完成任務(wù)。材料是限定的，天梯的高度、穩(wěn)定性和美觀程度相當(dāng)于工程驗收標(biāo)準(zhǔn)。通過實踐學(xué)生發(fā)現(xiàn)，天梯接頭精準(zhǔn)程度、桐木條的粗細(xì)、長短、重量等因素會影響天梯的穩(wěn)定性、高度、承載力，逐漸打開了思維。

二、設(shè)計天梯模型，激發(fā)學(xué)生的設(shè)計思維

本項目中教師提出具體問題：現(xiàn)在要設(shè)計一座高度不低于108厘米的創(chuàng)意天梯，用什么做連接件？連接件的接頭有幾個？每根桐木條的長度是多少？搭建多少層才能夠達(dá)到這個高度，每一層需要用到幾根桐木條？學(xué)生先思考這些問題，對天梯模型有一個初步的想法，再通過聯(lián)想塔吊、高塔的設(shè)計原理，思考怎樣設(shè)計才能讓天梯又高又穩(wěn)。

首先，天梯的設(shè)計要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。學(xué)生可以借鑒高塔的多層支撐結(jié)構(gòu)，通過在不同高度設(shè)置支撐點或平臺，來增強(qiáng)天梯的整體穩(wěn)定性。這些支撐點可以采用類似塔吊的拉桿和平衡臂結(jié)構(gòu)，通過將拉桿與主體結(jié)構(gòu)相連，形成穩(wěn)定的支撐體系。

其次，材料的選擇對于天梯的穩(wěn)定性至關(guān)重要。學(xué)生可以借鑒風(fēng)力發(fā)電塔和通訊塔使用的輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，如碳纖維復(fù)合材料、鈦合金等，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時減輕整體重量，從而有助于搭建更高的高度。

最后，天梯的設(shè)計還需要考慮抗風(fēng)性能和抗震性能，學(xué)生可以借鑒高空結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用的風(fēng)洞試驗和有限元分析等方法，研究物體在風(fēng)中的氣動特性（風(fēng)洞試驗是模擬實際環(huán)境中氣流對物體作用的一種實驗方法，有限元分析是一種利用數(shù)值計算方法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析的工程技術(shù)）。對天梯進(jìn)行風(fēng)荷載和地震荷載的模擬和分析，可以優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，提高抗風(fēng)性能和抗震性能。通過借鑒這些高空結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理和材料選擇，學(xué)生可以更好地設(shè)計既符合科學(xué)原理又具有實用性的天梯模型。這樣，學(xué)生基于經(jīng)驗事實并結(jié)合所學(xué)知識，抽象概括出理想模型，發(fā)展了模型建構(gòu)能力。他們思考的過程不僅僅是設(shè)計的過程，更是運用所學(xué)知識的過程，是訓(xùn)練設(shè)計思維的過程。

三、完成天梯搭建，促進(jìn)學(xué)生的整合思維

天梯搭建環(huán)節(jié)融合了科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程學(xué)科知識。科學(xué)方面，學(xué)生需要考慮材料的強(qiáng)度、重量、耐用性以及抗腐蝕性等因素，這些都需要基于材料科學(xué)進(jìn)行選擇和測試。數(shù)學(xué)方面，包括確定天梯的形狀、尺寸和角度，以確保其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并滿足功能需求等；在計算天梯的高度、傾斜角度以及各部分之間的相對位置時，利用三角形具有穩(wěn)定性的原理建模。工程方面，需要確保天梯能夠承受各種外部力量如重力、風(fēng)力等，使用連接材料加固各個連接點，保證其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。這涉及選擇合適的制作方法、使用合適的材料。

本項目中，學(xué)生可以將這些學(xué)科整合在一起，提升跨學(xué)科的邏輯思維能力，也有助于他們更好地理解科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程在實際中的應(yīng)用。

在搭建創(chuàng)意天梯過程中學(xué)生有了兩種方案，方案一：根據(jù)設(shè)計的天梯模型，選擇合適的桐木條和連接頭，搭建出框架底層，再一層一層向上搭建。在搭建中，學(xué)生一邊搭建一邊將木條鋸成所需要的長度并實時修正，保證天梯的穩(wěn)定，最后在天梯頂層安裝齒輪。方案二：選擇合適的桐木條和連接頭，根據(jù)設(shè)計方案一邊搭建一邊修改設(shè)計。學(xué)生可以搭建不同結(jié)構(gòu)的異型天梯，并在合適的位置安裝齒輪。齒輪主要用于驅(qū)動或協(xié)助貨物沿纜繩上下移動，其設(shè)計和運作要考慮到各種環(huán)境因素，如風(fēng)速，風(fēng)速的變化可能會影響到齒輪與纜繩之間的接觸和摩擦力，進(jìn)而影響到天梯的穩(wěn)定性。在搭建天梯過程中，學(xué)生要考慮多方面因素，鍛煉了他們的整合思維。

四、改進(jìn)天梯設(shè)計，提升學(xué)生的迭代思維

迭代升級是工程實踐的要求，也是產(chǎn)品制造的需要。教學(xué)中的迭代升級意味著學(xué)生要不斷地發(fā)現(xiàn)問題，改進(jìn)設(shè)計，從而提升解決問題的能力。本項目中，學(xué)生通過不斷嘗試、反饋、改進(jìn)、優(yōu)化，調(diào)整天梯的高度和確保其穩(wěn)定性，提升迭代思維。

第一次迭代是解決天梯不穩(wěn)定的問題。首先，考慮天梯模型的外觀設(shè)計，可以把四邊形結(jié)構(gòu)改成兩個三角形結(jié)構(gòu)。其次，考慮桐木條長度是否精準(zhǔn)。桐木條長了會影響天梯的整體形狀，桐木條短了會影響天梯的穩(wěn)定?？芍匦聹y量長度，裁剪并更換木條。最后，考慮桐木條與連接頭的按照是否牢固，可以把桐木條和連接頭拼接的地方重新取出，重新精準(zhǔn)安裝。

第二次迭代是解決天梯重量的問題。利用電子秤對天梯進(jìn)行稱量，如果重量超過230克，則需要減輕天梯總質(zhì)量。方法一：控制天梯桐木條總根數(shù)。根據(jù)上輕下重的物體不容易倒的科學(xué)原理，可以讓底層桐木條數(shù)多一些，側(cè)面、頂層桐木條數(shù)少一些。通過有效的結(jié)構(gòu)布局來支撐整個天梯，避免不必要的復(fù)雜設(shè)計和裝飾，只保留必要的結(jié)構(gòu)部分。方法二：選擇重量輕且韌性好的桐木條。確保所選的桐木條經(jīng)過干燥處理，以減少水分含量，從而進(jìn)一步降低整體重量。方法三：用重量更輕且強(qiáng)度更高的聚醚酮材料替代部分原材料，減輕天梯重量。

第三次迭代增加天梯的承重能力。首先，對童芯派進(jìn)行編程，讓手機(jī)成功控制童芯派，即可通過手機(jī)語音功能操控天梯的測重過程。其次，通過多次測試，找準(zhǔn)合適的地方安裝齒輪，減小齒輪與纜繩之間的摩擦。最后，將重物由輕到重的順序，掛在纜繩上進(jìn)行承重能力測試，測試過程中注意重物不能過重。在提升重物的過程中，如果木條斷裂，則需要更換稍粗一點的木條；如果齒輪打滑吊不起重物，則需要更換齒輪。通過實踐，學(xué)生解決了各種各樣的問題，最終制作出符合條件的天梯模型，發(fā)展了迭代思維。

五、展示評價天梯，發(fā)展學(xué)生的批判思維

1.展示作品

完成天梯模型后，各組成員利用卷尺、電子秤等工具測試天梯高度、重物質(zhì)量，再在天梯上安裝提升裝置，利用語音控制功能吊起重物，測出重物提升高度，將測量的結(jié)果記錄在天梯挑戰(zhàn)賽的記錄單上。接著，學(xué)生輪流展示天梯并匯報天梯重量、天梯高度、天梯提升重物的重量和高度的數(shù)據(jù)。非展示小組從天梯美觀度、天梯結(jié)構(gòu)合理性、齒輪匹配度等方面做出評價，幫助展示小組客觀分析模型的優(yōu)缺點，進(jìn)一步改進(jìn)和完善天梯。展示、評價天梯的過程，發(fā)展了學(xué)生的批判思維。

2.評價作品

過程性評價。過程性評價是本項目主要的評價方式。教師將過程性評價落實在每個任務(wù)中，根據(jù)學(xué)生的任務(wù)完成情況開展評價。評價的主體主要是教師和學(xué)生，學(xué)生評價又分為學(xué)生自評和互評。過程性評價主要采用評價量表、訪談、觀察等形式開展。教師評價時，以項目目標(biāo)的達(dá)成程度實施評價，重點關(guān)注學(xué)生在項目實施過程中的知識建構(gòu)、能力發(fā)展等。本項目的部分過程性評價量表見表2。

結(jié)果性評價。結(jié)果性評價是在搭建創(chuàng)意天梯結(jié)束之后開展全方位的綜合評價。評價的主體主要是教師、學(xué)生、家長等，主要采用評價量表形式，對項的結(jié)果進(jìn)行綜合性評價。本項目的結(jié)果性評價量表見表3。

發(fā)展性評價。評價方式以對比、觀測為主，評價時重點關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)、學(xué)習(xí)信心、學(xué)習(xí)過程、學(xué)生心理、情感等方面變化，真實有效地反映其成長狀況。

通過開展多元評價，使基于STEM理念的跨學(xué)科學(xué)習(xí)更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)他們自主參與學(xué)習(xí)項目的全過程。在活動中，學(xué)生的問題解決、項目管理、溝通與協(xié)作、展示與交流等能力明顯得到提升。

（作者單位：重慶市沙坪壩區(qū)紅糟房小學(xué)校）

參考文獻(xiàn)

[1]張勇，徐文彬.《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中課程理念、目標(biāo)和內(nèi)容的新變化[J].基礎(chǔ)教育課程，2023（03）.

[2]賈洪波.STEM教育理念下的小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)[J].山西教育（教學(xué)），2023（01）.

[3]龍麗君.核心素養(yǎng)背景下小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中邏輯思維能力的培養(yǎng)[J].智力，2023（08）.

[4]張蝶嬪.淺談面向迭代思維的項目設(shè)計方法——小學(xué)信息技術(shù)迭代式教學(xué)探究[J].考試周刊，2020（18）.