STEAM教育“過山車”項目的探索與思考

陳逸權(quán)

摘 要：甄賢小學開展STEAM教育“過山車”項目已有兩年時間，在此過程中，參與學生的動手能力、團隊合作能力、解決問題的能力、信息技術(shù)應(yīng)用能力、數(shù)學應(yīng)用能力都得到明顯的提高。

關(guān)鍵詞：STEAM教育;應(yīng)用數(shù)學;信息技術(shù)

一、用統(tǒng)計學知識解決鋼球軌道上的滑行時間段問題

珠海市STEAM教育“過山車”比賽要求鋼球滑行的時間為6秒至8秒之間，每組的滑行時間在現(xiàn)場隨機抽取。一般來說，滑行時間差0.5秒，基本上就相差一圈軌道了。在比賽的時候，學生抽到一個時間段，如何有把握地知道相對應(yīng)的軌道長度應(yīng)該是多少呢？可以在賽前訓練時，要求A、B、C三個組分別做一個滑行時間要求是6.10秒的過山車，求他們軌道長度的平均值，記錄在筆記本電腦Excel表格里，這是一個有意義的數(shù)據(jù)。繼續(xù)讓學生團隊在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下把6.20、6.30、6.40、6.50、6.60、6.70、6.80、6.90、7.00、7.10、7.20、7.30、7.40、7.50、7.60、7.70、7.80、7.90秒所對應(yīng)的平均軌道長度，都檢測記錄到Excel表格里，用信息技術(shù)探索出其一定的規(guī)律。

二、解決過山車滑行時間的精確度問題

要解決過山車滑行時間的精確度問題，除了穩(wěn)定的組裝結(jié)構(gòu)外，需要發(fā)展學生的科學思維技能，利用信息技術(shù)手段，同時讓學生積累有關(guān)知識，從新手轉(zhuǎn)變?yōu)閷＜摇?/p>

（一）科學思維技能方面。認知-轉(zhuǎn)變理論認為，學習是指個體的知識結(jié)構(gòu)發(fā)生實質(zhì)性的改變，換言之，當學生現(xiàn)有的概念被新的概念取代時，學習就產(chǎn)生了。概念-轉(zhuǎn)變包括三步——識別異常情況、建構(gòu)新模型、使用新模型。如很多學生會直覺地錯誤認為鋼球滑行的速度較慢些，鋼球容易控制，滑行時間的誤差就會變小?；谶@個觀念，他們會把第一圈的軌道設(shè)置得特別慢。但在實際測量中，這樣鋼球滑行時間的波動反而變化特別大。當學生已有的錯誤概念不足以解析目前遇到的問題時，教師應(yīng)幫助學生意識到這個問題。學生必須用新的概念來取代錯誤概念。也就是說，他們必須發(fā)現(xiàn)一種新的模型來更合理地解釋所測得的數(shù)據(jù)，而不是尋求某些證據(jù)來支持他們之前設(shè)想。所以負責STEAM教育過山車項目的教師，應(yīng)教導(dǎo)一下學生如何系統(tǒng)地科學推理，包括如何控制變量，如何利用比例和概率進行思維。

（二）信息技術(shù)方面。鋼球在軌道滑行中后程的的速度非?？?，直接眼睛觀察難發(fā)現(xiàn)滑行時出現(xiàn)的小問題。此時，可以利用信息技術(shù)，把鋼球滑行的整過程錄像下來，在0.1倍速播放，即可發(fā)現(xiàn)滑行過程中出現(xiàn)的細節(jié)問題，從而做出相應(yīng)的細微調(diào)整。還可以把每一圈滑行的時間錄入到計算機表格里，生成相應(yīng)圖表。研究改變一個小結(jié)構(gòu)對整個滑行時間的影響。從生成的圖表里，還大概計算出影響滑行時間多個因子的權(quán)重比例。

（三）積累有關(guān)知識方面。對于STEAM教育過山車項目，學生應(yīng)該積累以下的經(jīng)驗知識，從新手轉(zhuǎn)變?yōu)閷＜摇?/p>

1）調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時盡量不要大調(diào)整，若把就是把一個彎道零件往上或往下調(diào)2cm，對滑行時間的影響就已經(jīng)很大了。

2）安裝觸發(fā)器時，保證其不能卡球，不能讓球停在起點處，卡球會導(dǎo)致鋼球的初速度不一樣，滑行時間誤差大。

3）第一圈的滑行，盡量不要太慢，速度盡量快一點，這樣時間波動才會沒那么大，如果速度太慢，滑行時間就容易會因為環(huán)境原因而改變。

4）調(diào)整滑行時間前，最好不要把螺絲擰得太緊，調(diào)整時間的時候才會更加的方便，從而節(jié)約更多的時間。

5）安裝軌道軟塑料管的時候，軌道要足夠順滑，不能讓球卡頓在軌道上，并且要做到美觀。

6）滑行時間誤差較小的時候，可以適當調(diào)節(jié)最后一個零件，如果調(diào)節(jié)了別的地方，滑行時間的誤差會容易變大。

7）要多做一些備用的零件，以節(jié)省調(diào)整軌道的時間。如若要加長軌道，直接拿備用零件用即可，盡量在調(diào)節(jié)時間前做好零件。

8）每條軌道的速度都不應(yīng)過慢，否則滑行時間會不穩(wěn)定。鋼球速度過慢，軌道上一點點的障礙，都會導(dǎo)致較大的誤差。

9）轉(zhuǎn)角處的軌道不能拉太緊，要微微傾斜，否則速度會太快，影響球的正常滾動，使它脫離軌道。

10）有多余的時間或者結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定時，要多做柱連接，來加強結(jié)構(gòu)和時間的穩(wěn)定性，最好在頂端和底端都安裝上柱連接。

11）調(diào)節(jié)鋼球滑行時間，最好根據(jù)軌道總長度來控制時間的長短。

12）過山車支柱要穩(wěn)穩(wěn)插在底座上，必須注意到，有些使用多次的支柱管與底座之間的空隙過大，從而使得整個結(jié)構(gòu)變得松動。

13）測量時，學生應(yīng)要盡快找出鋼球落點，否則鋼球沒有落到指定杯子里，成績便作廢了。

14）盡量少使用卡碼來給鋼球減速，那樣常常導(dǎo)致意外發(fā)生，過山車結(jié)構(gòu)的不確定因素大大增加。

15）鋪設(shè)好軌道軟管后，應(yīng)試試滑行時間穩(wěn)不穩(wěn)定后再進行調(diào)整。

16）觸發(fā)器的高度，以及爬坡高度都要先量好。否則后面組裝好整個過山車后，很難調(diào)節(jié)這兩個結(jié)構(gòu)，非常浪費時間。

17）鋼球在爬坡頂端處不應(yīng)太慢，否則誤差容易變大。

18）轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)的一定要足夠穩(wěn)固，不能貪快而降低標準。

19）觸發(fā)器的起始高度確定后，不宜輕易調(diào)整，其對整個系統(tǒng)的滑行時間影響很大。

20）所有結(jié)構(gòu)的螺絲都要擰緊，讓不同的組員檢查，至少檢查兩遍，以防螺絲松動。

三、STEAM教育“過山車”項目值得推廣

甄賢小學的實踐經(jīng)驗表明，五六年級的學生從零開始接觸STEAM教育“過山車”項目，經(jīng)過兩個月左右的培訓時間后，就能讓這群學生從新手成為小專家。他們組建的過山車基本能實現(xiàn)滑行時間0.01秒的誤差，優(yōu)秀的小組能在1.5小時內(nèi)實現(xiàn)滑行時間0誤差。這些學生的動手能力、團隊合作能力、解決問題的能力、信息技術(shù)應(yīng)用能力、數(shù)學應(yīng)用能力也都有明顯的進步。