基于STEAM教育理念开展创客实践探究——以攻城投石机为例

基于STEAM教育理念开展创客实践探究——以攻城投石机为例

柳钰琪  陈海锋

佛山市南海区南海实验中学     528200

摘要：STEAM教育是科学，技术，工程，艺术，数学的融合。有别于单学科学习，STEAM教育重在项目式引导，培养学生跨学科实践探究的能力。文章以项目式学习--制造一台投射精确的攻城投石机为案例，从项目设计提出，项目任务分配，项目设计制作，项目评价反馈，项目升级创新五个方面进行项目阐述。把STEAM教育引入项目，目的在于培养学生解决问题的能力，动手创作的能力，实践创新的能力，多角度培养和提升学生的综合素质，在实践中运用已学的知识来进行项目探究。

关键词：STEAM教育；创客实践；攻城投石机

STEAM教育是科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），艺术（Arts），数学（Mathematics）的融合。有别于单学科学习，STEAM多学科融合教育重在项目式引导，培养学生跨学科实践探究的能力。STEAM为创客实践提供理论知识基础，以3D打印设计建筑物为例，首先需要了解有关建筑的工程学知识，用数学计算模型尺寸，通过艺术提高模型的美观度。创客实践探究是STEAM教育理念的落脚点，把知识体系用于实践探究，制作项目作品，甚至是可商业化的产品，将教育与商业产品开发联结起来。[[1]]基于STEAM课程理念，开展学生感兴趣的自主探究活动，更能培养学生的实践动手能力。本次探究我们给学生一个项目：制造一台投射精确的攻城投石机。这个项目有其本身制造的科学原理，它需要通过某些技术手段和工程设计，配合数学知识来共同完成。作品要出色，还要吸引人的眼球，好看的外观也是必要的，这里就涉及到包括艺术等多种能力的开发与培养。下面具体分析该探究如何达成 STEAM五个领域的融合与创新。科学：杠杆原理在投石机中的应用；投射过程的能量转化关系；研究抛物重量、抛物速度与投石臂之间的关系。技术：学生在教师指导下自主制定设计方案，设计项目图纸，依据方案进行创作。工程：根据图纸自主完成攻城投石机的制作，并测试投石机的投射精确度，优化改进攻城投石机。艺术：手工设计结构稳定，外形美观的攻城投石机。数学：了解投石高度与抛物射程的关系，加强投射精确度。本次探究根据以下五个方面展开：

一、项目设计提出

在古代，投石机是保家卫国的重要武器。投石机的发明历史悠久，我国先秦时期已有投石机的使用，古希腊著名数学家、物理学家阿基米德曾发明一种叫石弩的投石机，可以把几百公斤重的巨石块，投射一千多米远，为捍卫国土做出巨大贡献。项目开展之初，我们在创客教室为学生展示真实存在的投石机相关资料，让同学们对投石机的外观、整体模型以及投射威力、精确度有直观的了解。古代投石机究竟是怎样实现攻击和防守的呢？我们能不能制作一个简易的攻城投石机模型？能否模拟古代攻城，开展一次护卫领土的攻城投石大战？活动开展的本质是以力学、数学知识为基础，设计一个完整的STEAM教育探究活动。

二、项目任务分配

根据制作攻城投石机的流程，可以选择以小组或以班级为单位，合力设计一台优质的攻城投石机。小组可以分配相应任务给组员，便于高效进行设计创作。例如：1、主体结构的稳定性：使用材料的思考，材料拼接结构的思考。2、杠杆结构的设计：力臂长度的思考，动力大小的思考。3、投射的精确性：投射目标距离的测算，投射抛物线的思考。4、发射器的制作：动力来源思考，发射物品思考等等。各小组可依据项目设计的需要，制定详细的方案，安排人员跟进每个项目，确保项目高效进行，并能取得一定的效果。

三、项目设计制作

成立项目小组，明确基本分工任务之后，就可以开始项目制作了，学生可能会提出相应的问题：比如攻城投石机要做多大规模？投射距离多远？以什么标准判断攻城投石机的精确度？教师要给学生定下一个参照标准，提供技术指导，并引导学生设计方案图纸进行制作。以我校开展攻城投石机项目活动探究为例，先组织好学生在创客教室展开问题讨论，让同学们对攻城目标提出想法并写在纸上，最后经过发言和讨论推选出最优的制作方案。教师在此过程中不仅仅简单收集学生的创意，还要记录小组的合作与发言情况，有利于后续STEAM教育评价开展。

教师在衡量活动场地之后，对学生制作攻城投石机提出要求和建议： 

制作一台整体高度60cm左右的重力式投石机用于“攻城”比赛：主体支架采用一次性竹筷搭建，自制配重和投柄。比赛评判标准是相同时间内投射的精准度和个数。学生可以用到的比赛工具参考如下：热熔胶枪、尖嘴钳、斜口钳、剪刀、美工刀、角尺等。比赛材料参考如下：使用一次性竹筷50根（长约 20cm，直径约 5mm），一次性勺子10个，橡皮筋若干、铁丝铜丝若干、一块木板、配重块1个。学校提供小轴承一对给各小组，其他材料由各小组自备。

制作的场地可以选择在家或者是在学校完成，通过拍照保留制作过程，并最终由教师汇总。每个小组自主设计方案，从科学原理，图纸设计，作品的制作与调试，投石机整体外观设计和投射射程设计5个方面详细记录和反馈自己的作品，为后续进行过程性评价提供参考。

四、项目评价反馈

如何评价学生制作的作品？

方案：通过展开一次比赛，依据学生的比赛结果进行评价。比赛过程需要公平公正公开，并对所有制作小组提出表扬和激励。教师在创客教室组织同学们展开讨论，共同制定比赛方案，开展一次投石机攻城比赛。经过半个小时的头脑风暴，教师集合同学们的比赛想法，并以裁判的视角制定好相应的比赛规则。

比赛场地设在架空层，场地仅限参赛选手进去比赛，观众站在安全线外围观。场地设置选手区和攻城目标区，选手区由选手自主安排调试作品，攻城目标区由场外学生提供奥特曼小人，教师准备城堡。网上定制KT板做城堡展板，用箱子组装好，城堡上方放上小人，这样一个简易的攻城目标区就制作完成。比赛以击打小人的精确度、数量、用时为判断标准。（附攻城投石机制作课程，比赛规则详见附件一。）

比赛现场再给30分钟准备调试，比赛完所有参赛作品上交至作品区存放，作品写上班别，制作人姓名，作品必须完整。最后依据比赛结果进行颁奖。

图8：参赛小组与指导老师合影留念

五、项目升级创新

STEAM教育想要获得持续发展的动力，关键点是要把项目做深做透，并充分发挥学生的个性，在生活中才能不断开拓和创新。

如何才能成为一名投射精确的神射手？除开教师的要求和比赛的要求，学生还可以关注制作投石机的重要参数：1、投石机发射角度的思考；2、投石机发射材料的选择；3、投石机装石角度的思考；4、投石机主体模型使用材料的选择等。接下来，学生可以用控制变量法，进行多次实验，记录每一组变量不变的情况下，重物投射出去的高度、射程和精确度。做完一组重新选择其他变量进行探究。经过多次尝试和记录，学生就可以根据不同的射击目标，及时调整射击的用料及角度来保证射击的精确度，在各种场景中都能应用自如，真正成为一名神射手。

让同学们动手完成感兴趣的探究，并以探究学习的目的去解决生活中的问题，这是教师带领学生展开项目式活动的初衷。把基于STEAM教育的项目式学习带入课程，目的在于激发学生的创作兴趣，培养学生的动手能力，探究能力，开拓创新思维，并获得可持续发展的动力。探究过程强调学生分工合作，发展个性，自主创作，重视探究的过程，而不仅仅看结果。通过学科知识间的相互碰撞，制造有创意有价值的作品，在这个过程中让学生获得成就感，全方位地培养学生的知识和技能。

六、参考文献

[1]段玉佩. 如何做一个百发百中的重力投石机[J]. 知识就是力量,2020,(08):52-53.

[2]王润宇. 创客教育与小学科学融合的课程开发与教学评价[D].深圳大学,2020.

[3]严树,华秀莹,朱晓姝. 基于STEAM教育的创客课程教学评价[J]. 卫星电视与宽带多媒体,2019,(14):22-23.