• STEM案例:向工程“奔跑”——将科学与工程带入图书馆的“科学快照”项目

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    • 向工程“奔跑”——将科学和工程带入图书馆的“科学快照”项目

        作者:Jenny Sue Flannagan      Margaret Sawyer      翻译:刘渤

        图书馆课程为期4周。在第1周,给学生一项简单但有挑战的任务——设计一辆能够吹一口气就能运动的小车,仅仅使用以下工具:4个“救生圈”糖(任何同样形状的糖果均可)、2根吸管、2个曲别针、剪刀、胶带和一张纸。他们得不到任何关于如何建造车辆的知识,仅仅设计一辆他们认为能够用空气驱动的小车。告诉学生没有正确或错误的答案,他们的目标仅仅是设计一个风动力车辆。孩子们起步很艰难,他们只有唯一共同的线索:思考用空气来驱动的物体。孩子们坐在桌边开始提出像风筝、汽艇、帆船、滑翔机和热气球等创意。

       学生们可以独立工作或组成小组,大部分孩子选择独自工作,但是当同学面临困境时,同桌的学生会提供指导。提醒学生关于剪刀和曲别针使用的安全规则。假设该活动没有任何橡皮筋或其他发射装置,我们不需要全体学生都戴护目镜,但是我们为有需要的学生提供该装备。当学生测试他们的小车通过吹气能够跑多远时,每次只能有一个学生在长桌旁,其他学生仍然在小组桌子边进行观察。全程要有教师监督。

       当他们建造和测试小车时,指导学生注意他们观察到了什么样的现象。让学生注意小车是否在运动,如何运动,以及沿着长桌运动的距离。在课程结论部分,使用一个3-2-1出门条的方法对学生进行评估。让他们分享观察小车运动的3个收获、2个关于小车或设计的问题,以及1个他们想要在下周课程中改进的内容。这将给我们提供关于学生观察和思考的概况。

        第2周,我们向学生介绍工程师的概念,并给学生解释工程师都做什么。这是介绍SCAMPER头脑风暴工具(见图表2)的完美机会。将该工具传授给学生并不是从制作车辆开始,而是以他们每天都使用的熟悉物体——牙刷为例。这是有意为之,因为我们想要学生关注学习工具,而不是去思考他们的新设计。例如,在重新设计更好的牙刷活动中,我们请学生思考与替代相关的问题。他们能用什么材料代替最初设计的材料,从而使牙刷更加有效或更容易使用?他们在设计中能联系什么?就像我们向学生解释的那样,问题只是能帮助他们用不同方式进行思考的工具(图表2,包括词汇和相关问题)。学生以合作小组的方式与教师一起工作,Sawyer女士给每人一封信让他们重新思考牙刷的设计。完成以后,学生向全班分享自己的想法。

       如果学生理解了这一策略,我们再让他们回到最初的车辆设计。学生带着第1周完成的作业,使用SCAMPER方法通过回答固定问题重新设计车辆,并标记出所做的改变。从他们自己制作车辆开始,那些车的样子就跟设计它们的孩子一样千差万别。事实上,即使孩子们与同学合作,也没有两个空气动力装置是完全一样的。很多是4轮设计,与小汽车一样;还有很多更类似于帆船或者飞机,包括2-8个轮子。很多学生习惯为车辆建造底盘,但也有一些学生使用曲别针作为结构基础。设计的形状多种多样,有三角形、矩形和正方形。一些学生设计了三维形状,像矩形棱柱或正方棱锥,其他的车辆结构来自折纸形状(图表3展示了不同的汽车设计类型)。

       学生使用既有的风能知识作为车辆的基础。很多车辆被做的像有轮的帆船,一些有翅膀的就像复翼飞机。还有带交叉支撑并用一张纸覆盖在框架上的风筝设计。为了捕获风力驱动汽车移动,很多车辆安装了帆(三角或矩形)。还有一些包含降落伞设计,学生认为会让空气填满降落伞并让车辆移动。最终,他们看到改变车辆上的微小设计,就会导致在距离和速度上出现一些有趣甚至有时是直接相反的结果。

        观看学生如何挑战这些设计工作是很令人惊奇的。学生们共同合作,有时一些从未想要与其他人合作的学生也积极参与进去提供支持,为同学出主意。等待检验设计并不是重点,学生在看到同学重新设计的作品就像看到自己的车辆一样兴奋。学生观察同学的空气动力车辆,并注意每一个设计是如何运转的。在彼此鼓励或者完成记录之外他们很少讲话。

       “你看到汽车是如何转向的吗?我认为那不是一个有意的设计,但是它真的跑得很远!”一个男孩这样记录。“如果我的三角帆第一次试用不成功的话,我打算试制一个矩形的帆。”孩子们对设计很感兴趣,他们等不及回到桌子旁边看如何改进。

        通过使用SCAMPER进程,一个学生重新构建了像气垫船的车辆。轮子加在吸管下面保持在桌面上的水平,而不是用于滚动。像帆一样的装置附加在上面,当糖果轮子沿着光滑的桌面滑行时车辆就可以移动,而无需轮子滚动。学生说她这样做是因为“最初将轮子粘贴到轴上的胶带时妨碍它移动,因为它们一直粘着轮子不能很好地滚动,然后如果一个轮子停止转向,小车就会被吹向一边并掉下桌子”。她发现,重新设计制造车辆之后,行驶距离超过之前的1倍。

         另一个4年级女孩开始并不是很有兴趣参与课程,而是用吸管制作折纸花。我们没有直接纠正她,就在她的同桌热情高涨地设计车辆并观察发生的现象时,我们选择让她继续折纸。她做了4朵花,并把它们做成花束,这时有人提醒她的吸管组合在一起就像是一辆车的框架部分。她决定看看是否真的能用花束制作一辆汽车。她把4个吸管底部粘在一起,然后用曲别针加上轮子。粘好花以后,她发现偶然地建造了一辆像一级方程式赛车设计的风能汽车。她的车辆不仅跑的远而且路线很直。第一次实验成功之后,她立即被吸引了,并回到桌子边琢磨如何能够改进她的汽车以便跑得更远。她非常兴奋并且获得了在工程上的偶然成功。

       当学生采用SCAMPER方法进行设计和重新设计后,他们发现了意想不到的成功。一个孩子做了一个折纸的粉扑盒,并相信当他向盒子的洞里吹气,他的气息会让盒子充气并沿着桌子移动。然而他发现隔一段距离吹盒子并不能让它充气。相反,发现他的气息被未充气的一面捕捉到,并引起车辆向侧面移动。他使用SCAMPER方法对折纸进行了修整,结果发现汽车能够跑得更远并且沿直线移动。

        尽管我们选择采用不那么正式的评估,但仍然要为使用该单元的学生提供较为正规的评估机会。例如,让学生为小车应该行驶的距离设置目标,然后用文件记录实现该目标的步骤过程。学生做一定次数的测试,并记录数据,绘制图表,描述每次小车行驶的距离。书写详细的设计分析和汽车运动轨迹,能够给学生提供机会撰写分析报告,以作为跨学科课程的一部分。最后,用照片记录每一步过程,学生用自己的图片在电脑上做一个项目展示文件,这样该单元也集成了技术内容。

    案例来源:《国外优秀STEM教育案例集》      出版单位:《中国科技教育》杂志社

     

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