“投石机”STEM活动案例研究

李祥

STEM教育是科学、技术、工程和数学教育的统称，不仅仅是各个学科的简单叠加，也不是相关分立学科的统称，而是在教育项目中更多地进行整合。基于STEM的课程理念，更有效地开展符合学生特点的自主探究学习，充分吸引了学生的兴趣和参与。我们以小学STEM活动《投石机》的课程结构为例，分析该课例如何达成STEM的4个领域的集成与创新。科学：研究杠杆原理在投石机中的应用；研究抛物速度与投石臂的关系。技术：能够绘制草图，使设计方案可视化。工程：按照设计图纸完成投石机的制作；测试投石机的效果，优化改进投石机。数学：了解投石最高点与抛物距离的关系，理解抛物线的运行轨迹。整个课程框架分为以下五个部分。

一、工程问题的引入

工程与技术活动源于工程学中需要解决的某个难题，这是课程的主体。首先通过情境创设给出问题简介，即任务或项目的简介。通过活动前搜集的博物馆和影视基地里的相关投石机模型的图片和视频，提出相关的探索问题：投石机在古代是怎样进行攻城或防守的？我们能否复制或者创造一台投石机，模拟古代战场开展安全趣味的攻防大战呢？活动的科学本质是力学中能量的传递问题，围绕这条隐形的线索设计STEM活动，就可以将科学与工程技术有效地结合在一起。

在分析问题的基础上，为学生提供更多的背景经验活动，要求教师在课前需要搜集大量有效的信息，进行筛选和分类，除了投石机的模型和视频，还需要搜集不同樣式的DIY小型简易投石机的图片资料，甚至实体玩具，让学生在课程中可以进行思维创新，而不是根据单一的投石机模型进行简单仿制，这就违背了STEM活动的课程初衷了。所以，背景经验活动的选择是有策略的，这些活动不是拼凑的，而是有目的、有系统地整合的。

二、探究任务的分析

根据投石机的结构原理，可以将活动任务进行分项整理。例如：动力力量的思考选择：1.力量越强越好；2.力量适中为好；3.力量的可测量；4.释放力量的稳定性；5.力量的可控及调整。动力来源的思考选择：1.橡皮筋；2.弹簧；3.电机；4.人力拉动；5.重物重力。结构设计的思考选择：1.长杆式；2.掷弹带式；3.杠杆——掷弹带式。

通过团队的讨论及汇总，选择合适的动力装置设计一个发射器，然后将一个不会伤到别人的小沙袋发射出去。设计如何做才能发射得又远又准。画出简图并制作发射器。

三、设计制作的研究

在学生团队确定分项整理的活动任务之后，引导学生进行头脑风暴，你可以提问“你认为，为了解决这个问题，你需要知道什么呢？”或者“在开始之前，你需要了解哪些问题的答案呢。”你可以用一张海报纸让学生把问题整理下来。

孩子们会提出一些问题：1.我们需要哪些材料？2.我们需要多长时间？3.我们怎么样通过检验？4.我们的投石目标有多大？等等。我们可以把这些内容记录下来，并一一团队讨论汇报。教师提供相应的制作材料，指导学生根据所绘设计图纸进行自主设计制作。

1.学生会得到5张KT板和2根细铁棒，纸杯、沙包、2根PVC管、2根宽橡皮筋。如果需要加工材料，可以用剪刀，锥子，乳胶，胶带，但只能用作工具。教室内设定积木组装的城池构造，或者张贴环形标靶，以便学生制作后进行投石测试。

2.设计必须在三十分钟内完成。

3.投石机采用杠杆原理，利用杆的摆动和橡皮筋的弹力进行投“石”。

4.杆摆动的动力来自橡皮筋（投石车可用一根或者两根橡皮筋）；杆的一端要有一个开放式容器用以盛放“石头”；可直接用手控制杆的释放，装置必须保证安全；投石架要固定在车上。

四、课程评价的反馈

针对“投石机”STEM活动，可以制定分层的评价体系来完善STEM课程。通过STEM学习评价，让学生根据投石机的活动过程，对自己的学习行为做出评价。

1.STEM活动的过程评价：（1）参与调查活动，并对调查结果进行总结；（2）参与讨论，并提出新颖的看法；（3）参与实验，并对实验结果进行分析；（4）参与制作，完成自己的工作。

2.STEM活动的目标评价：（1）基本掌握制作投石机的原理；（2）能独立制作投石机。参考四个方面进行评价。a：结构稳定、发射角度可以控制b：弹力合适，具有可靠性c：杠杆比正确d：结构简单，发射稳定（附投石成绩单）。

3.STEM活动的创新评价：（1）多种多样的投石机；（2）投石机的功能完善；

（3）其他材料制作的投石机。

同时，逐渐形成良好的激励机制，利用搭建与STEM教育相关的技术和平台；定期举办学生作品展览会，以展示和表扬学生的STEM成果；举办相关的STEM比赛，激发学生在STEM领域的潜能等。

五、拓展应用的创新

STEM活动要保持活力，持续健康地发展，把项目研究做深做透。STEM项目并不是在活动中只管任务的完成，课程结束后学生怎么发展就不关注了，或者课后就不去理会课堂上研究的内容了。如果都是这样想的话，那么并不是把STEM活动当作一个可持续发展的课程。

我们现在的STEM课程实施的目标就是希望能够看到学生个体的存在，看到他的个性化的存在，而且把它当成一个完整的可持续发展的目标。这种目标，实际上在学校教育中是比较难达到的，也是学校教育的一个最终的目标。

因此，在进行STEM活动时，教师有意识地将科学和数学融合进课程的所有方面是得很重要的。拓展STEM 领域的学习机会，激发更高层次的思维，让儿童把科学、数学、工程和技术融合进他们富有创造性的活动中。在原有课程的基础上拓展开发，让学生在创造思维能力培养的过程中进行二度开发，实现多元化的设计创造。

在投石机制作课程的任务完成后，可以激励学生思考：在生活中，还要打开你的脑洞，拓展你的思维，带你见识各种新奇、有趣又好玩的主题创作，使用各种思维方式瓦解僵化的脑洞！使用更多不同的材料制作更多有趣的STEM创意玩具的开发！

1.家中的晾衣夹比较多，可以拿来设计做一个抛糖果用的投食机。

2.铅笔是学习的必备品，每个孩子都有多余。那就把闲置的铅笔拿来做成

投石机。

3.来一场易拉罐饮料大赛，喝完还可以比一比谁制作的投石机厉害。

4.如何让投石机有用不完的子弹？那就可以设计一个循环装置。

引导学生跳出固有投石机的材料的束缚，设计出简化的其他材料制作的投石机，改变投石机的功能，应用在益智有趣的小游戏中，甚至结合自动化管理、物联网创意，完成投石机系列的开发使用。

【作者单位：苏州工业园区星海小学 江苏】