像工程师一样思考

李佩宁

在STEM领域，像工程师一样设计、执行、反思与修正，是一种十分重要的思考与做事方式。因为工程师总会面临各种设计与实际不符的情况，需要不断修正才能达成目标。这种能力在生活中也常会用到。例如，学习煮饭、学习骑车、动手制作物品甚至企业管理等。并不是每一个学生都要成为工程师，但这种思维方式是学习和工作中追求精益求精的最有效的方法和路径。

一、课程重点

通过让学生了解并搭建桥梁中的悬臂结构，体会在工程领域中设计、执行、反思与修正的重要性，学习像工程师一样思考。

【涉及领域】工程、几何学、物理、数学、写作

【建议年级】小学高年级以上

【建议时间】基础课程170分钟

二、课程任务

学习悬臂结构及其在生活中的应用。通过两次搭建制作，了解设计、执行、反思与修正的工程设计循环，锻炼同他人交流与合作的基本技能，感受如何通过不断尝试与改进更好地达成目标。

三、课程步骤

1.导入（15分钟）

第一步，呈现塔吊的图片（见图1），让学生辨认并思考：

（1）塔吊为什么能够吊起重物？

（2）吊起重物时有没有最大重量的限制？

（3）吊臂的远端还是近端更能承重？为什么？

（4）[高年级拓展问题]塔吊的原理和杠杆有什么相同点和不同点？

第二步，引出悬臂的概念——悬臂是只有一端固定的梁。请一名学生上前，将右臂侧平举，对照塔吊体会悬臂概念，体会哪里是梁、哪里固定、如何固定等问题。

第三步，巩固悬臂概念，向学生提问：

（1）说说塔吊的结构原理是什么？

（2）让学生辨认图中的悬臂结构。（见图2）

（3）进一步思考生活中哪些地方应用到了悬臂结构，并阐述。

（4）思考塔吊的吊臂为何有许多三角形结构，起什么作用。

2.第一个任务及评价量规（10分钟）

宣布第一个任务，提供材料并公布评价量规（见表1）。

【任务】使用所提供的吸管和透明胶带等材料，制作一个悬臂结构。要求只能有一根吸管固定在桌面上（如果将吸管切割为两段以上，则不能再算作一根吸管）。悬臂至少伸出桌边30厘米，能够在15厘米处悬挂10个钩码。

【材料】吸管20根，窄透明胶带1卷，钩码1盒，米尺1条，剪刀1把。

3.第一次制作（25分钟）

各小组领取实验材料进行搭建。教师发现做得较好的组，可鼓励其他组学生观摩。教师使用以下启发式问题进行引导。

（1）吸管之间有哪些连接方式？（套接，插接，粘接）

（2）吸管的那个部位受力最大？如何将受力分散？（桌边和吸管接触的位置受力最大，可以通过管道加粗、管内嵌套、设计三角结构等方式将受力分散）

（3）吸管搭建的悬臂结构受到哪些方面的力？（重力，拉力，支持力等）

（4）参考实际生活中的例子，除了受力，悬臂还会受哪些方面的扰动？（还会受到垂直于悬臂的平面内多个方向的力的扰动）

（5）怎么克服各个方向的扰动？（可以通过多种方式强化结构来减轻扰动）

（6）悬臂结构可以下垂么？（可以）

（7）下垂幅度较大好还是较小好？（分情况）

（8）下垂是否有利于整体的结构稳定？（有利于稳定，这也是钢结构建筑抗震的原因，如旧金山金门大桥在1989年7.1级大地震中的表现）

4.总结和反思第一次任务（25分钟）

每一个小组完成任务，教师都要进行测试（见图3）。全部小组完成后，让各小组派代表结合以下问题进行汇报。

（1）你们小组是怎么分工的？

（2）你们小组的悬臂包含了那些结构元素？

（3）实验中出现了哪些问题？怎么解决的？

（4）怎样更少地使用吸管以節省材料？

（5）[高年级拓展问题]画出悬臂结构在不同受力点下的力学图示。

5.第二个任务及评价量规（15分钟）

宣布第二个任务，重新设计原来的结构，完成更高的目标，提供材料并出示评价量规（见表2）。

【任务】使用尽量少的材料，搭建一个至少长45厘米的悬臂，能够在25-30厘米处悬挂10个钩码。吸管可以接触桌子的任何部分，但只能有一根吸管固定在桌面上（这一根吸管不可切割为多段）。

【材料】吸管50根、大头针50根、宽透明胶带10厘米、钩码1盒、米尺1条、剪刀1把

各小组通过讨论，改进原来的设计。填写工作单，凭工作单上画好的设计图在教师处领取材料。

6.重新建造悬臂（45分钟）

各小组进行搭建。发现比较好的组后，教师要鼓励其他组学生前去观摩。教师使用以下的启发式问题或提示句进行引导。

（1）你们图纸上的计划行得通吗？

（2）是否应该在搭建过程中不断测试承重情况？

（3）你们在搭建中做了哪些改变和调整？

（4）你从其他组的结构中学到了什么？

（5）记得把你们组在进行过程中遇到的问题记录下来。

（6）遇到问题后，想想如何解决。

7.总结与讨论（20分钟）

对完成任务的小组，教师测试结构。所有小组完成后，各小组上台汇报，内容包括设计思路、问题和解决方案、具体搭建过程的分工、所设计的悬臂在生活中的实际应用等。展示优秀作品，包括承重量较大的、承重/结构设计较好的、外观设计感好的作品，全班讨论这些设计中的优秀之处，以及还可以改进的地方。可参考以下提问。

（1）哪些组的结构好用？怎样使悬臂的承重更大？

（2）你认为哪个组的设计最好？为什么？

（3）你们的结构过一段时间后还能完好无损吗？为什么？

8.写作（15分钟）

如果下次再制作悬臂结构，你会做出哪些改变？试着写出来。

（责任编辑 郭向和）