基于金字塔建造之謎的項目探究

李松葉

課程背景

金字塔是古埃及勞動人民力量和智慧的結(jié)晶，但它是怎么建造出來的，這一直是個未解之謎，為此，我設(shè)計了這個基于STEAM理念的項目化學(xué)習(xí)課程，與學(xué)生一起探究。它有效整合了科學(xué)思維、工程設(shè)計、數(shù)學(xué)計算、藝術(shù)加工與3D建模，讓學(xué)生在探究金字塔的建筑智慧過程中，培養(yǎng)合作探究能力和創(chuàng)新思維。學(xué)生在完成主題任務(wù)時，以問題解決為導(dǎo)向、創(chuàng)新設(shè)計為目標(biāo)，兼顧考查知識學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析、建模制作、合作體驗。

教學(xué)目標(biāo)

價值體認(rèn) 感受古代勞動人民的力量和智慧;體驗從工程實踐的思路去創(chuàng)新辦法、科學(xué)計算、建模設(shè)計，開展科學(xué)探究。

責(zé)任擔(dān)當(dāng) 通過探究設(shè)計制作過程，體驗合作探究、創(chuàng)新分享的快樂;體會設(shè)計制作的艱辛，勇于實現(xiàn)自己的想法。

問題解決 通過小組討論、設(shè)計、制作，了解古人的智慧，并創(chuàng)新思路提出建造金字塔的具體辦法。

創(chuàng)意物化 體驗情境遷移和3D建模在創(chuàng)新實踐中的應(yīng)用，創(chuàng)意性地完成金字塔創(chuàng)建的思路方案。

教學(xué)過程

一、準(zhǔn)備階段

教師提供自己搜集的視頻及資料，引導(dǎo)學(xué)生從以下幾個方面搜集金字塔的相關(guān)資料：金字塔建筑數(shù)據(jù)、金字塔建筑歷史、金字塔建筑環(huán)境。

學(xué)生小組合作搜集整理資料，然后交流匯報資料搜集情況，并談?wù)剬鹱炙某醪秸J(rèn)識。

二、實施階段

（一）情境遷移，創(chuàng)新解決策略

1.依據(jù)搜集材料，提出金字塔建造過程中的具體問題

教師指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)金字塔建造工程的難點、特點提出有價值的問題。

問題參考：（1）古埃及人怎樣將重達(dá)2.5噸的石塊從很遠(yuǎn)的地方搬運到建筑工地？（2）古埃及人怎樣將巨大的石塊從地面向上抬升到140多米高的金字塔塔身？

2.練習(xí)結(jié)合情境提出問題解決方案

（1）引導(dǎo)學(xué)生分析問題的核心是移動和抬升重石塊。（2）依據(jù)情境遷移的“中介原理”：利用可以遷移或有傳送作用的中間物體，把另一個物體（易分開的）暫時附加給某一物體。（3）根據(jù)金字塔建筑位置環(huán)境選擇可以遷移或有傳送作用的中間物體。（建議選河流、運河等）（4）根據(jù)古埃及生產(chǎn)實際選擇易分開的物體，暫時將石塊附加在上面。（建議使用圓木筏、充氣皮筏等）

（二）精確計算，論證方法可行性

1.提出具體方法：（1）在圓木上綁縛羊皮筏，利用浮力將石塊在水里抬升。（2）利用尼羅河水勢修建運河，利用運河搬運石塊。（3）在金字塔正面修建斜面，背面再用巨石牽引，將建筑石塊向上抬升。

2.提出計算問題：（1）運輸2.5噸的巨石需要多大的皮木筏？如果是羊皮筏，需要多少只？（2）要將2.5噸重的巨石向上抬升到140多米高需要多少人力？（3）修建運河工程量是多少土石方？

3.學(xué)生活動：搜集數(shù)據(jù)，搜索計算辦法，交流計算結(jié)果，論證方法可行性。

（1）論證在圓木上綁縛羊皮筏，利用浮力將石塊在水里抬升的可行性。解決的問題是運輸2.5噸的巨石需要多大的皮木筏。

要使皮木筏與巨石在水中上浮，必須讓皮木筏產(chǎn)生2.5噸的浮力。浮力等于排水量，所以皮木筏和石塊需排開2.5噸的水。水的密度是1000kg/m3，

2.5噸水的體積是2.5立方米，也就是說皮木筏和石塊必須要排開2.5立方米的水。而石頭的平均密度為2.5kg/m3，2.5噸石頭的體積是1立方米，可以排開1立方米的水。按此計算，綁在巨石上的皮木筏只要再排開1.5立方米水就可以讓巨石上浮。（皮木筏重量和木材體積暫時忽略不計）按每只皮筏充氣后體積為0.03立方米計算，需要50只皮筏。

（2）論證利用尼羅河水勢修建運河，利用運河搬運石塊的可行性。解決的問題是計算修建運河和斜面的土石方數(shù)量。

皮木筏體積為2.5立方米，尼羅河距金字塔10公里，運河修建按下底5米、上底8米、高5米計算，土石方約為325000方，上下游兩處運河合計約65萬方。

金字塔傾角為51°52′，塔原高146.59米，假如斜面角度最大為45度，最大寬度為50米，計算土石方約為12萬方。

（3）論證在金字塔正面修建斜面，背面再用巨石牽引，將建筑石塊向上抬升的可行性。解決的問題是抬升2.5噸巨石需要多少人力和物力。

一個成人的平均拉力為200牛頓，在平面上拉動2.5噸重的石塊大約需要1500人，要將石塊向上抬升，即使使用斜面或圓木，也是困難的。如果用3噸重的巨石從金字塔背面作牽引力，則可以大大減輕人力。

結(jié)論：根據(jù)前面論證結(jié)果，抬高運河水位，綁上羊皮筏讓巨石在水中浮起，然后放水解筏，讓巨石下落，就可以牽引建筑石塊抬升到金字塔上面。

教師指導(dǎo)要點：保證搜集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;計算辦法以網(wǎng)絡(luò)搜索計算為主，不需要學(xué)生掌握計算辦法和原理。

三、3D建模，設(shè)計最佳方案

（一）修建運河，采石搬運

在采石場到尼羅河之間修一條環(huán)形人工運河。在采石場周圍依據(jù)地形圍堰可蓄水成湖。從尼羅河至金字塔正面修一條運河，可以將石塊從采石場一直運送到金字塔腳下，3D模型如圖1。

1.采石上筏。在采石廠就地采石，并按要求將石塊打磨編號。先在石塊上分層綁上木筏，然后在每層木筏上綁上一定數(shù)量的充氣羊皮筏。

2.放水搬運。羊皮筏綁好以后，打開采石廠運河上游閘門放水。皮木筏經(jīng)采石廠運河下游進(jìn)入尼羅河，然后順尼羅河一路北下，進(jìn)入金字塔附近運河，最后抵達(dá)金字塔附近河面。

（二）修筑斜面，牽石砌塔

金字塔底座修好后，距運河水面有一定高度，繼續(xù)修建使其最終與地面距離達(dá)到146.59米。為減輕拉力，需要修建斜面并利用石塊牽引。怎樣利用石塊牽引石塊呢？先沿人工運河將一塊約3噸重的石塊運送到金字塔背面，作為牽引石塊（附皮木筏）。然后關(guān)閉閥門，并向閥門內(nèi)注水，讓牽引石塊上升到最高水位。再將牽引石塊通過金字塔頂面、斜面，和運河中準(zhǔn)備砌塔的石塊連在一起。放掉閥門內(nèi)的水，讓牽引石塊下落，拉動砌塔的石塊沿斜面上升。（同時使用人力或畜力，并輔助使用圓木滾動）重復(fù)向閥門內(nèi)注水，向外放水，直至砌塔石塊上升或平移到指定位置。

（三）繩索及圓木使用

金字塔高約150米，塔身斜面長約210米，修建引石斜面長約300米，從牽引石塊到建筑石塊，需要繩索最長約550米，不管是長度還是承重，古時候繩索都不能達(dá)到要求。解決辦法是用圓木作為接力棒，如圖2，每隔50米用一根圓木棒連接兩端繩索。

圓木棒不僅可以連接繩索，也有利于人力畜力展開作業(yè)。另外，在金字塔頂端平面和建筑石塊下面放上圓木，還可以變滑動摩擦為滾動摩擦，更加省力。

教師指導(dǎo)要點：結(jié)合金字塔建筑地理環(huán)境設(shè)計圖紙;要體現(xiàn)石塊運輸、提升、平移的細(xì)節(jié)問題。（比如運河修建具體長度、方位閘門具體高度、位置、繩索長度及其承重限度）;方案應(yīng)經(jīng)過交流合作，并多次修訂;施工方案寫出解決問題要點即可。

四、答辯質(zhì)疑，評選優(yōu)秀方案

小組指定個人現(xiàn)場陳述方案設(shè)計詳情，其余小組或教師提出質(zhì)疑，答辯小組進(jìn)行解釋。

全班表決評選優(yōu)秀設(shè)計方案。評比要求：問題要點明確，解決思路正確，語言表述清晰;圖紙設(shè)計規(guī)范;建模美觀精細(xì)。

教學(xué)反思

小學(xué)階段的學(xué)生思維活躍，精力充沛，創(chuàng)新能力強。小學(xué)開設(shè)STEAM課程與創(chuàng)客教育課程，并開展創(chuàng)新教育活動，遵循了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和成長方式，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造天賦、拓展學(xué)生的成長空間，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力與核心素養(yǎng)的高競爭力人才。

本課程活動設(shè)計融合多學(xué)科內(nèi)容，通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)科技，進(jìn)行基于問題的研究和項目式的學(xué)習(xí)。學(xué)生在活動中學(xué)習(xí)信息搜集整理，學(xué)會在生活情境中發(fā)現(xiàn)問題，并結(jié)合具體情境解決問題，在搜集、思考、設(shè)計、計算、建模過程中學(xué)會合作，享受快樂，提升了核心素養(yǎng)。