STEM项目“改进牛顿色盘”的实践与创新

张好

科学教材中有一些制作课，能够让学生学以致用，并提高他们动手动脑的能力。在此基础上，教师还可以从教材中进行挖掘，结合生活和学习实践设计STEM项目课程，给学生搭建平台制作和改进一个产品，使他们获得技术思维与工程思维的提升，有效发展创新能力。在学生学习过光的色散、弹力知识的前提下，笔者引导他们完成了一个STEM项目学习——改进牛顿色盘。

科学工具箱里有一种叫作“牛顿色盘”的学具，它提供材料让学生来制作可以转动的七色盘。但是这个七色盘的设计不完美，因为它就是一个普通的七色圆形纸卡，中间一个小孔，让学生用铅笔穿过去旋转它，以看到七色纸卡的颜色变成白色，而事实上，色盘旋转起来后，学生看到的是土黄色。于是，笔者和学生通过一步一步探究，解决问题。

发现—假设—尝试

第一课时，发现问题和尝试解决问题。

首先，笔者让学生玩牛顿色盘，让他们由此质疑：为什么旋转的七色盘没有变成白色呢？学生会有各种猜想，聚焦到两个原因：转得不够快、颜色比例分配不合理。下面，让我们先解决转得不够快的问题。

笔者提问：“你可以想哪些办法让它转得更快呢？”学生开始积极思考，比如，将它贴在车轮上，车子开多快，它就转多快。又如，当学生想到一种玩具的时候，教师鼓励他们想到更多圆形的快速转动的玩具，像陀螺、溜溜球、拉线飞轮等。在这个过程中，有学生提出制作一个拉线牛顿盘。

笔者及时鼓励道：“这个办法特别好，如果能做成功，我们不是就发明了一种新的科学玩具吗？”接下来学生设计制作拉线牛顿盘，他们认为只要在七色圆形纸卡中间打两个小孔，穿上两根绳子就可以了（如图1）。

学生开始按照自己的设计来进行制作，结果没有一个人成功，圆形纸卡搭在线绳上无法转动。他们没有气馁，通过观察工厂生产的拉线飞轮，思考、交流讨论，积极改进制作方案。

学生发现工厂生产的拉线飞轮（如图2）有一定的厚度，认为他们需要把纸卡片粘贴4～5层或者在中央贴上一颗纽扣，这样纸卡片才能“立起来”。于是他们改进了方案：将4～5层圆形纸卡片黏合到一起，或者选用两孔纽扣粘贴在七色圆形纸卡的中央，扣子要粘牢压紧，纽扣和纸卡应该是两个同心圆;将两根拉线分别穿过纽扣上的两个小孔，拉绳要调整到合适的长度。

学生根据改进后的两种方案制作转得更快的牛顿色盘，都获得了成功，他们开心地玩着。但是问题又来了，尽管七色盘飞轮转速特别快，却不能复合成白色，仍然只是淡淡的土黄色。解决“转得不够快”的问题没有使我们达到目的，我们的目的是让七色盘旋转时颜色变成白色。那么接下来的任务就是：探究改变七色盘的色块分配比例能否让七色盘的颜色转成白色。

探究—实践

第二课时，研究七色盘的色块分配比例。

真实情境中七色光色块的分配有什么特点？颜色比例应该是怎样的呢？学生提出通过实验进行测量的方法。师生一起来到室外的阳光下，学生分组用三棱镜做光的色散实验，拍下各个实验小组的色散照片，回到教室后将这些照片同屏显示在课件上。这时候让学生仔细观察这些照片，说一说自己的发现。他们的发现有很多：实验中这些照片的颜色都是相同的;都能分辨出红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色;这些照片中各种颜色界限比较模糊;不同的照片中七色所占的比例“看起来相同”（如图3）。

课件显示放大版的已做好七种色光范围标记的照片（事先根据太阳光的可见光谱来大致划分七种颜色的范围），教师再将做好标记的放大版照片发给每个小组一份，学生测量各种颜色的宽度，计算所占比例。这时候每个小组需要填写一个表格，列表的第一栏记录下各个宽度的数据，第二栏填写出计算的百分比，第三栏填写出根据百分比计算的饼形图各扇形的角度。

画好饼形统计图，这时需要用到直尺和量角器。最后再进行涂色，七色盘的制作就完成了。

纠错—产品分享

第三课时，用自己制作的色盘来做成拉线飞轮。

因为有第一课时的铺垫，学生已经有了制作经验，他们将自己制作的七色盘代替学具材料里的七色盘，运用两孔纽扣和弹性较好的线绳来制作拉线飞轮。一个个新的作品出现了，旋转的拉线飞轮呈现出白色（如图4）。

最后，教师鼓励学生一起给教具公司写一封信，建议用这种能快速旋转的、色彩分配正确的拉线飞轮牛顿盘来代替原有的学具。学生甚至还提出，可以给玩具工厂写一封信，让他们制作这种新型的科学玩具。

接下来的任务，每位学生可以任选一个或多个完成：

（1）写一份产品制作说明提供给工厂。内容包括：产品的生产价值，产品部件名称、数量及细节要求，产品需要达到的效果。

（2）写一份产品使用说明提供给消费者。内容包括：拼装步骤、成品结构图、成品操作方法及工作原理。

说明书完成之后展开一个小型交流和展示活动，通过相互评价，学生总结出一些宝贵的经验。比如，在画成品结构图时要做好标注，可以从各个不同的角度来画图等。

总结—反思

通过三个课时的项目學习，学生经历由失败到成功的过程，自己改进已有的学具，发明科学玩具，这是一种更加贴近生活的高品质学习。在“改进牛顿色盘”的教学过程中，笔者重在落实三种理念：

一是，让学生经历试错的过程，以提升技术思维能力和工程思维能力。笔者一直认为：STEM教育让学生触摸真实的世界，思维发展是STEM教育的基石。但往往很多时候，因为学生只是简单地“制作一个东西”，顺利地经历想和做的过程，思考不够深入，达不到提升技术工程思维能力的效果。在这个项目学习中，学生为了解决“色盘转不成白色”的问题，先是提出了自己的想法：可能与“转动不够快”有关，也可能是“颜色比例分配不合理”。接下来他们尝试制作一个拉线飞轮七色盘，却以失败告终。这时他们不得不认真思考：平时我们玩的工厂生产的拉线飞轮各个部分有什么特点？是什么导致我们的作品转不起来？并将自己的推测一一验证。在这些反复观察、比较、推测、验证的过程中，学生的思维能力得到了提升。

二是，让学生利用课堂研究成果来解决实际问题，以培养他们的创新意识。在这个项目学习中，学生始终处于真实情境：改进一个学具。如何在任务当中培养学生的创新意识呢？笔者首先通过一个头脑风暴“怎样让色盘转得更快”让学生意识到：通过发散思维可以获得很多种不同的方法。学生的思维发散后再集中研究一个问题：制作一个拉线飞轮。学生制作成功后，一起来给教具公司或生产厂家写建议，学生真切感受到创新的价值，他们就能在今后的学习和生活中注重创新的想法和行为。

三是，让学生运用多学科知识和能力来解决问题，以提高他们的综合素养。在按比例分配色块的过程中，需要运用到一些数学知识：计算百分比、画饼形统计图等。在表达制作方案的过程中，需要运用到语文能力和画图的技法。当学生整合这些知识和能力来解决实际问题、形成物化成果，他们的综合素养得到了有效的提升。