“投石機(jī)”STEM活動案例研究

李祥

STEM教育是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育的統(tǒng)稱，不僅僅是各個(gè)學(xué)科的簡單疊加，也不是相關(guān)分立學(xué)科的統(tǒng)稱，而是在教育項(xiàng)目中更多地進(jìn)行整合?；赟TEM的課程理念，更有效地開展符合學(xué)生特點(diǎn)的自主探究學(xué)習(xí)，充分吸引了學(xué)生的興趣和參與。我們以小學(xué)STEM活動《投石機(jī)》的課程結(jié)構(gòu)為例，分析該課例如何達(dá)成STEM的4個(gè)領(lǐng)域的集成與創(chuàng)新。科學(xué)：研究杠桿原理在投石機(jī)中的應(yīng)用；研究拋物速度與投石臂的關(guān)系。技術(shù)：能夠繪制草圖，使設(shè)計(jì)方案可視化。工程：按照設(shè)計(jì)圖紙完成投石機(jī)的制作；測試投石機(jī)的效果，優(yōu)化改進(jìn)投石機(jī)。數(shù)學(xué)：了解投石最高點(diǎn)與拋物距離的關(guān)系，理解拋物線的運(yùn)行軌跡。整個(gè)課程框架分為以下五個(gè)部分。

一、工程問題的引入

工程與技術(shù)活動源于工程學(xué)中需要解決的某個(gè)難題，這是課程的主體。首先通過情境創(chuàng)設(shè)給出問題簡介，即任務(wù)或項(xiàng)目的簡介。通過活動前搜集的博物館和影視基地里的相關(guān)投石機(jī)模型的圖片和視頻，提出相關(guān)的探索問題：投石機(jī)在古代是怎樣進(jìn)行攻城或防守的？我們能否復(fù)制或者創(chuàng)造一臺投石機(jī)，模擬古代戰(zhàn)場開展安全趣味的攻防大戰(zhàn)呢？活動的科學(xué)本質(zhì)是力學(xué)中能量的傳遞問題，圍繞這條隱形的線索設(shè)計(jì)STEM活動，就可以將科學(xué)與工程技術(shù)有效地結(jié)合在一起。

在分析問題的基礎(chǔ)上，為學(xué)生提供更多的背景經(jīng)驗(yàn)活動，要求教師在課前需要搜集大量有效的信息，進(jìn)行篩選和分類，除了投石機(jī)的模型和視頻，還需要搜集不同樣式的DIY小型簡易投石機(jī)的圖片資料，甚至實(shí)體玩具，讓學(xué)生在課程中可以進(jìn)行思維創(chuàng)新，而不是根據(jù)單一的投石機(jī)模型進(jìn)行簡單仿制，這就違背了STEM活動的課程初衷了。所以，背景經(jīng)驗(yàn)活動的選擇是有策略的，這些活動不是拼湊的，而是有目的、有系統(tǒng)地整合的。

二、探究任務(wù)的分析

根據(jù)投石機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，可以將活動任務(wù)進(jìn)行分項(xiàng)整理。例如：動力力量的思考選擇：1.力量越強(qiáng)越好；2.力量適中為好；3.力量的可測量；4.釋放力量的穩(wěn)定性；5.力量的可控及調(diào)整。動力來源的思考選擇：1.橡皮筋；2.彈簧；3.電機(jī)；4.人力拉動；5.重物重力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思考選擇：1.長桿式；2.擲彈帶式；3.杠桿——擲彈帶式。

通過團(tuán)隊(duì)的討論及匯總，選擇合適的動力裝置設(shè)計(jì)一個(gè)發(fā)射器，然后將一個(gè)不會傷到別人的小沙袋發(fā)射出去。設(shè)計(jì)如何做才能發(fā)射得又遠(yuǎn)又準(zhǔn)。畫出簡圖并制作發(fā)射器。

三、設(shè)計(jì)制作的研究

在學(xué)生團(tuán)隊(duì)確定分項(xiàng)整理的活動任務(wù)之后，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，你可以提問“你認(rèn)為，為了解決這個(gè)問題，你需要知道什么呢？”或者“在開始之前，你需要了解哪些問題的答案呢?！蹦憧梢杂靡粡埡?bào)紙讓學(xué)生把問題整理下來。

孩子們會提出一些問題：1.我們需要哪些材料？2.我們需要多長時(shí)間？3.我們怎么樣通過檢驗(yàn)？4.我們的投石目標(biāo)有多大？等等。我們可以把這些內(nèi)容記錄下來，并一一團(tuán)隊(duì)討論匯報(bào)。教師提供相應(yīng)的制作材料，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所繪設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行自主設(shè)計(jì)制作。

1.學(xué)生會得到5張KT板和2根細(xì)鐵棒，紙杯、沙包、2根PVC管、2根寬橡皮筋。如果需要加工材料，可以用剪刀，錐子，乳膠，膠帶，但只能用作工具。教室內(nèi)設(shè)定積木組裝的城池構(gòu)造，或者張貼環(huán)形標(biāo)靶，以便學(xué)生制作后進(jìn)行投石測試。

2.設(shè)計(jì)必須在三十分鐘內(nèi)完成。

3.投石機(jī)采用杠桿原理，利用桿的擺動和橡皮筋的彈力進(jìn)行投“石”。

4.桿擺動的動力來自橡皮筋（投石車可用一根或者兩根橡皮筋）；桿的一端要有一個(gè)開放式容器用以盛放“石頭”；可直接用手控制桿的釋放，裝置必須保證安全；投石架要固定在車上。

四、課程評價(jià)的反饋

針對“投石機(jī)”STEM活動，可以制定分層的評價(jià)體系來完善STEM課程。通過STEM學(xué)習(xí)評價(jià)，讓學(xué)生根據(jù)投石機(jī)的活動過程，對自己的學(xué)習(xí)行為做出評價(jià)。

1.STEM活動的過程評價(jià)：（1）參與調(diào)查活動，并對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行總結(jié)；（2）參與討論，并提出新穎的看法；（3）參與實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析；（4）參與制作，完成自己的工作。

2.STEM活動的目標(biāo)評價(jià)：（1）基本掌握制作投石機(jī)的原理；（2）能獨(dú)立制作投石機(jī)。參考四個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)。a：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、發(fā)射角度可以控制b：彈力合適，具有可靠性c：杠桿比正確d：結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)射穩(wěn)定（附投石成績單）。

3.STEM活動的創(chuàng)新評價(jià)：（1）多種多樣的投石機(jī)；（2）投石機(jī)的功能完善；

（3）其他材料制作的投石機(jī)。

同時(shí)，逐漸形成良好的激勵機(jī)制，利用搭建與STEM教育相關(guān)的技術(shù)和平臺；定期舉辦學(xué)生作品展覽會，以展示和表揚(yáng)學(xué)生的STEM成果；舉辦相關(guān)的STEM比賽，激發(fā)學(xué)生在STEM領(lǐng)域的潛能等。

五、拓展應(yīng)用的創(chuàng)新

STEM活動要保持活力，持續(xù)健康地發(fā)展，把項(xiàng)目研究做深做透。STEM項(xiàng)目并不是在活動中只管任務(wù)的完成，課程結(jié)束后學(xué)生怎么發(fā)展就不關(guān)注了，或者課后就不去理會課堂上研究的內(nèi)容了。如果都是這樣想的話，那么并不是把STEM活動當(dāng)作一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的課程。

我們現(xiàn)在的STEM課程實(shí)施的目標(biāo)就是希望能夠看到學(xué)生個(gè)體的存在，看到他的個(gè)性化的存在，而且把它當(dāng)成一個(gè)完整的可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。這種目標(biāo)，實(shí)際上在學(xué)校教育中是比較難達(dá)到的，也是學(xué)校教育的一個(gè)最終的目標(biāo)。

因此，在進(jìn)行STEM活動時(shí)，教師有意識地將科學(xué)和數(shù)學(xué)融合進(jìn)課程的所有方面是得很重要的。拓展STEM 領(lǐng)域的學(xué)習(xí)機(jī)會，激發(fā)更高層次的思維，讓兒童把科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)融合進(jìn)他們富有創(chuàng)造性的活動中。在原有課程的基礎(chǔ)上拓展開發(fā)，讓學(xué)生在創(chuàng)造思維能力培養(yǎng)的過程中進(jìn)行二度開發(fā)，實(shí)現(xiàn)多元化的設(shè)計(jì)創(chuàng)造。

在投石機(jī)制作課程的任務(wù)完成后，可以激勵學(xué)生思考：在生活中，還要打開你的腦洞，拓展你的思維，帶你見識各種新奇、有趣又好玩的主題創(chuàng)作，使用各種思維方式瓦解僵化的腦洞！使用更多不同的材料制作更多有趣的STEM創(chuàng)意玩具的開發(fā)！

1.家中的晾衣夾比較多，可以拿來設(shè)計(jì)做一個(gè)拋糖果用的投食機(jī)。

2.鉛筆是學(xué)習(xí)的必備品，每個(gè)孩子都有多余。那就把閑置的鉛筆拿來做成

投石機(jī)。

3.來一場易拉罐飲料大賽，喝完還可以比一比誰制作的投石機(jī)厲害。

4.如何讓投石機(jī)有用不完的子彈？那就可以設(shè)計(jì)一個(gè)循環(huán)裝置。

引導(dǎo)學(xué)生跳出固有投石機(jī)的材料的束縛，設(shè)計(jì)出簡化的其他材料制作的投石機(jī)，改變投石機(jī)的功能，應(yīng)用在益智有趣的小游戲中，甚至結(jié)合自動化管理、物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)意，完成投石機(jī)系列的開發(fā)使用。

【作者單位：蘇州工業(yè)園區(qū)星海小學(xué) 江蘇】