玩轉(zhuǎn)投石機

喻承

投石機是古代的經(jīng)典攻城器械，涉及諸多物理知識，如力矩、機械能的轉(zhuǎn)化和守恒、拋體運動、力的合成與分解等，是一項非常值得開發(fā)的活動素材?；顒右酝妒瘷C為線索，從問題解決、創(chuàng)意物化入手，設(shè)計符合初高中學(xué)生的活動區(qū)域的循序漸進式的項目式學(xué)習(xí)活動?；顒釉O(shè)計中突出對問題解決的思維導(dǎo)向性和創(chuàng)意物化在各環(huán)節(jié)的落實。

活動目標(biāo)

知識與技能：了解投石機的種類、基本結(jié)構(gòu)及發(fā)展歷程，建立簡單模型還原投石機基本工作過程，設(shè)計制作可投射的實體模型；掌握杠桿、力矩、拋體運動相關(guān)知識；會使用繪圖、切割、黏合、CAD設(shè)計、激光雕刻、3D打印等方法設(shè)計制作投石機；能綜合使用物理、工程技術(shù)手段設(shè)計實驗，進行改進設(shè)計；能使用智能電子硬件實現(xiàn)部分自動化或趣味特效；采用繪畫和立體造型藝術(shù)，使創(chuàng)意作品具有美感。

過程與方法：體驗設(shè)計和測試、修改的迭代式設(shè)計過程；體驗使用邏輯思維、發(fā)散性思維、聚合性思維方法，結(jié)合思維導(dǎo)圖分析投石機改進中所需解決的問題；通過小組學(xué)習(xí)，體驗合作與分工的探究方法。

情感、態(tài)度、價值觀：在了解古今中外科技與運用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的過程中增進民族自豪感與民族自信；在學(xué)習(xí)和使用科技的過程中感悟理論聯(lián)系實際的思想；在合作和分工中學(xué)會相互關(guān)心，提升責(zé)任感，感受團結(jié)合作的作用。

學(xué)科領(lǐng)域

本活動在體驗過程中涉及科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多個學(xué)科領(lǐng)域（見表1），相關(guān)的知識點有杠桿與力矩、力的合成與分解、各種材料特性、建模計算、機械結(jié)構(gòu)、圖像研究法、實驗數(shù)據(jù)處理、誤差分析、智能控制、程序設(shè)計、平面美術(shù)、造型藝術(shù)、歷史建筑等。而且，隨著探究和自主學(xué)習(xí)的深入，在問題解決和創(chuàng)意物化的過程中可能還會根據(jù)學(xué)生自身的需要學(xué)習(xí)更多其他的知識。

活動內(nèi)容

活動分為研究性學(xué)習(xí)實踐活動和區(qū)域競賽與展示交流活動兩大門類，均包含數(shù)個模塊供選用，詳見表2。

下面，以“活動模塊A 自制投石機”進行研究性學(xué)習(xí)實踐活動的介紹。

活動模塊A 自制投石機

模塊目標(biāo)：了解投石機的杠桿、力矩（高中）等原理；掌握制作的基本技能；完成一個投石機的制作。

過程簡介：以小組形式完成投石機的制作；了解杠桿在投石機上的應(yīng)用方法和特點。

活動材料：90 cm×120 cm KT板1塊，長1 m、直徑2 cm的PVC水管1根，紙杯1個，自行車輻條1根，鐵絲、彩色貼紙、橡皮筋若干，熱熔膠，雙面膠。

活動工具：手鋸、美工刀、尖頭鉗、熱熔膠槍。

應(yīng)急預(yù)案：在制作過程中須全程穿著圍裙，佩戴手套、護目鏡；使用電動工具前，必須充分了解其使用方法并在教師指導(dǎo)下進行；使用熱熔膠槍要注意防止?fàn)C傷，每次使用后都要利用熱熔膠槍支架放置在前方。

活動步驟：①布置任務(wù)——觀察投石機圖片，分析討論投石機的基本構(gòu)成要素，并完成投石機的模仿制作；知識準(zhǔn)備（杠桿、力矩）。②問題分析，詳見圖1。③模仿制作——教師提供參考樣圖，學(xué)生根據(jù)分析的要點，按步驟進行設(shè)計制作。④測試——對射程、牢固度多個方面進行測試。⑤分享與拓展——比一比誰投得遠，并探討如何增加射程。

活動重點與創(chuàng)新點

重點

活動通過提供制圖、科學(xué)原理研究、測試實驗設(shè)計、結(jié)構(gòu)外觀創(chuàng)意設(shè)計、智能電子設(shè)計等多種學(xué)習(xí)過程的體驗，在問題解決與創(chuàng)意物化的過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)。

創(chuàng)新點

基于項目式學(xué)習(xí)，從問題解決、創(chuàng)意物化入手，設(shè)計符合初高中學(xué)生最近發(fā)展區(qū)的循序漸進式的活動?；顒釉O(shè)計中突出對問題解決的思維導(dǎo)向性和創(chuàng)意物化在各階段學(xué)習(xí)活動中的落實。

模塊化的活動設(shè)計便于活動的復(fù)制和推廣，開展過程中可根據(jù)實際需求選用適合學(xué)生和教學(xué)條件的相關(guān)模塊內(nèi)容，便于活動重組、課程重構(gòu)。

遵循跨學(xué)科STEAM理念設(shè)計活動，提供涉及物理、數(shù)學(xué)、機械、電子、美術(shù)等多個領(lǐng)域的跨學(xué)科知識與技能的學(xué)習(xí)體驗。

以投石機為線索，趣味性強、主題明確，融合競技與創(chuàng)意，學(xué)生的發(fā)散性思維與聚合性思維在活動中得到有效鍛煉。

預(yù)期效果

試點模塊化課程與活動建設(shè)……嘗試使用模塊化的課程建設(shè)方法建設(shè)課程、開展活動。一方面便于將課程資源進行有效整合，在區(qū)域范圍內(nèi)進行模式推廣；另一方面也便于各校借鑒課程資源，將各模塊加工重組后形成適合自身條件開設(shè)的課程和活動，為課程和科技實踐活動的開展提供借鑒資料。

學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升 活動重點采用創(chuàng)新設(shè)計與制作的形式，通過問題解決、創(chuàng)意物化融匯多個學(xué)科知識與技能，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，提高科學(xué)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、人文素養(yǎng)和藝術(shù)素養(yǎng)。

為跨學(xué)科研究性學(xué)習(xí)形成一定可復(fù)制可推廣的經(jīng)驗 本活動以投石機為主線和載體，實現(xiàn)多學(xué)科、多種學(xué)習(xí)方式的有效融合。同時，以投石機及其周邊的設(shè)計和制作為創(chuàng)意發(fā)散點，聚焦問題的解決，為學(xué)生提供探究平臺。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科技教育方案類一等獎。

專家評語

該項目方案以投石機為載體，突出問題解決的思路，從創(chuàng)意物化入手，設(shè)計初高中學(xué)生的項目式學(xué)習(xí)活動。采用模塊化的活動設(shè)計方式，趣味性強，主題明確，特點鮮明，突出體現(xiàn)了多領(lǐng)域、跨學(xué)科知識和技能的結(jié)合。項目方案體現(xiàn)出較好的完整性和可行性?！?/p>