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.