STEM项目“搭建创意天梯”教学实践

科学课程标准要求学生要掌握基本的思维方法，具有初步的科学思维能力。“搭建创意天梯”项目的设计以STEM教育理念为指引，让学生在完成项目任务的过程中明确挑战性任务、分析出现的问题，并尝试设计、搭建、改进、展示与评价天梯，最后通过多元评价诊断任务达成度。整个过程有助于学生学习分析、比较、联想、想象、推理、质疑、批判等科学思维方法，促使他们从“科学实践”逐步走向“科学思维”，从而提升其科学思维能力。本项目的实践，为如何在科学教学中融合STEM理念提升学生思维能力提供依据。

一、确立挑战性任务，打开学生系统性思维

在生活中，塔吊能够吊起比自身重几倍的物体，且自身结构依然很稳固，这是什么原因呢？为了弄清这个问题，教师引出挑战性任务：进行创意天梯模型的搭建——用合适的材料搭建稳固且承重能力强的框架结构。与塔吊类似的是，天梯同样需要具备稳固的结构，确保能够抵抗各种外部力量的影响。同时，在搭建时需要综合考虑多个方面的因素。因此，通过搭建稳固的天梯，学生可以探究塔吊的稳固性设计理念和它能吊起比自身重几倍物体的原因。

“搭建创意天梯”STEM项目在以学生为本、玩中学、做中学的教学理念为指导，以培养学生的核心素养为落脚点，根据学生的认知规律，从科学、技术、工程、数学的学科特性出发，结构化、进阶式地锚点制订项目目标（见表1），架起实践与探索的桥梁，可视化地设计学生高阶思维成长的路径。

本项目的最终任务是搭建结构稳定、高度较高、承载力强的创意天梯，教师设计了核心任务架构。整个过程通过任务式的活动推进，教师出示任务、材料和具体要求，让学生围绕任务自主进行活动。

任务一：设计天梯3D模型。材料：3D One软件、纸、笔、高塔模型。要求：①学生根据出示的太空天梯思考如何将天梯搭得又高又稳；②小组内用纸笔进行初稿设计；③建模前思考和讨论每个连接件的作用；④初步尝试用3D One软件进行设计；⑤设计后小组交流，汇报并修改设计稿。

任务二：搭建天梯。材料：桐木条、连接头、锯子、尺子、齿轮、挂钩、马达、砂纸和缆绳。要求：①根据小组的设计，选择粗细、重量合适的桐木条；②利用桐木条和连接口搭建天梯；③在天梯合适的位置安装齿轮、挂钩和缆绳等。

任务三：改进天梯。材料：搭建天梯的材料、卷尺、电子秤、记录单、砝码、塑料袋、手机。要求：①解决天梯不稳固的问题，重新设计天梯模型，更换桐木条、将桐木条和连接头重新安装；②解决天梯重量超重问题，减少桐木条总数、精选经过干燥处理的桐木条、更换轻且强度高的连接头；③测试天梯增加天梯承重能力，将重物由轻到重的顺序挂在缆绳上进行称重能力测试。

学生明确挑战性任务及要求，进行整体思考，在一定的时间内完成任务。材料是限定的，天梯的高度、稳定性和美观程度相当于工程验收标准。通过实践学生发现，天梯接头精准程度、桐木条的粗细、长短、重量等因素会影响天梯的稳定性、高度、承载力，逐渐打开了思维。

二、设计天梯模型，激发学生的设计思维

本项目中教师提出具体问题：现在要设计一座高度不低于108厘米的创意天梯，用什么做连接件？连接件的接头有几个？每根桐木条的长度是多少？搭建多少层才能够达到这个高度，每一层需要用到几根桐木条？学生先思考这些问题，对天梯模型有一个初步的想法，再通过联想塔吊、高塔的设计原理，思考怎样设计才能让天梯又高又稳。

首先，天梯的设计要保证结构的稳定性。学生可以借鉴高塔的多层支撑结构，通过在不同高度设置支撑点或平台，来增强天梯的整体稳定性。这些支撑点可以采用类似塔吊的拉杆和平衡臂结构，通过将拉杆与主体结构相连，形成稳定的支撑体系。

其次，材料的选择对于天梯的稳定性至关重要。学生可以借鉴风力发电塔和通讯塔使用的轻质高强度材料，如碳纤维复合材料、钛合金等，保证结构稳定的同时减轻整体重量，从而有助于搭建更高的高度。

最后，天梯的设计还需要考虑抗风性能和抗震性能，学生可以借鉴高空结构设计中采用的风洞试验和有限元分析等方法，研究物体在风中的气动特性（风洞试验是模拟实际环境中气流对物体作用的一种实验方法，有限元分析是一种利用数值计算方法对复杂结构进行力学分析的工程技术）。对天梯进行风荷载和地震荷载的模拟和分析，可以优化其结构，提高抗风性能和抗震性能。通过借鉴这些高空结构的设计原理和材料选择，学生可以更好地设计既符合科学原理又具有实用性的天梯模型。这样，学生基于经验事实并结合所学知识，抽象概括出理想模型，发展了模型建构能力。他们思考的过程不仅仅是设计的过程，更是运用所学知识的过程，是训练设计思维的过程。

三、完成天梯搭建，促进学生的整合思维

天梯搭建环节融合了科学、数学、工程学科知识。科学方面，学生需要考虑材料的强度、重量、耐用性以及抗腐蚀性等因素，这些都需要基于材料科学进行选择和测试。数学方面，包括确定天梯的形状、尺寸和角度，以确保其结构稳定并满足功能需求等；在计算天梯的高度、倾斜角度以及各部分之间的相对位置时，利用三角形具有稳定性的原理建模。工程方面，需要确保天梯能够承受各种外部力量如重力、风力等，使用连接材料加固各个连接点，保证其结构的稳定性和安全性。这涉及选择合适的制作方法、使用合适的材料。

本项目中，学生可以将这些学科整合在一起，提升跨学科的逻辑思维能力，也有助于他们更好地理解科学、数学和工程在实际中的应用。

在搭建创意天梯过程中学生有了两种方案，方案一：根据设计的天梯模型，选择合适的桐木条和连接头，搭建出框架底层，再一层一层向上搭建。在搭建中，学生一边搭建一边将木条锯成所需要的长度并实时修正，保证天梯的稳定，最后在天梯顶层安装齿轮。方案二：选择合适的桐木条和连接头，根据设计方案一边搭建一边修改设计。学生可以搭建不同结构的异型天梯，并在合适的位置安装齿轮。齿轮主要用于驱动或协助货物沿缆绳上下移动，其设计和运作要考虑到各种环境因素，如风速，风速的变化可能会影响到齿轮与缆绳之间的接触和摩擦力，进而影响到天梯的稳定性。在搭建天梯过程中，学生要考虑多方面因素，锻炼了他们的整合思维。

四、改进天梯设计，提升学生的迭代思维

迭代升级是工程实践的要求，也是产品制造的需要。教学中的迭代升级意味着学生要不断地发现问题，改进设计，从而提升解决问题的能力。本项目中，学生通过不断尝试、反馈、改进、优化，调整天梯的高度和确保其稳定性，提升迭代思维。

第一次迭代是解决天梯不稳定的问题。首先，考虑天梯模型的外观设计，可以把四边形结构改成两个三角形结构。其次，考虑桐木条长度是否精准。桐木条长了会影响天梯的整体形状，桐木条短了会影响天梯的稳定。可重新测量长度，裁剪并更换木条。最后，考虑桐木条与连接头的按照是否牢固，可以把桐木条和连接头拼接的地方重新取出，重新精准安装。

第二次迭代是解决天梯重量的问题。利用电子秤对天梯进行称量，如果重量超过230克，则需要减轻天梯总质量。方法一：控制天梯桐木条总根数。根据上轻下重的物体不容易倒的科学原理，可以让底层桐木条数多一些，侧面、顶层桐木条数少一些。通过有效的结构布局来支撑整个天梯，避免不必要的复杂设计和装饰，只保留必要的结构部分。方法二：选择重量轻且韧性好的桐木条。确保所选的桐木条经过干燥处理，以减少水分含量，从而进一步降低整体重量。方法三：用重量更轻且强度更高的聚醚酮材料替代部分原材料，减轻天梯重量。

第三次迭代增加天梯的承重能力。首先，对童芯派进行编程，让手机成功控制童芯派，即可通过手机语音功能操控天梯的测重过程。其次，通过多次测试，找准合适的地方安装齿轮，减小齿轮与缆绳之间的摩擦。最后，将重物由轻到重的顺序，挂在缆绳上进行承重能力测试，测试过程中注意重物不能过重。在提升重物的过程中，如果木条断裂，则需要更换稍粗一点的木条；如果齿轮打滑吊不起重物，则需要更换齿轮。通过实践，学生解决了各种各样的问题，最终制作出符合条件的天梯模型，发展了迭代思维。

五、展示评价天梯，发展学生的批判思维

1.展示作品

完成天梯模型后，各组成员利用卷尺、电子秤等工具测试天梯高度、重物质量，再在天梯上安装提升装置，利用语音控制功能吊起重物，测出重物提升高度，将测量的结果记录在天梯挑战赛的记录单上。接着，学生轮流展示天梯并汇报天梯重量、天梯高度、天梯提升重物的重量和高度的数据。非展示小组从天梯美观度、天梯结构合理性、齿轮匹配度等方面做出评价，帮助展示小组客观分析模型的优缺点，进一步改进和完善天梯。展示、评价天梯的过程，发展了学生的批判思维。

2.评价作品

过程性评价。过程性评价是本项目主要的评价方式。教师将过程性评价落实在每个任务中，根据学生的任务完成情况开展评价。评价的主体主要是教师和学生，学生评价又分为学生自评和互评。过程性评价主要采用评价量表、访谈、观察等形式开展。教师评价时，以项目目标的达成程度实施评价，重点关注学生在项目实施过程中的知识建构、能力发展等。本项目的部分过程性评价量表见表2。

结果性评价。结果性评价是在搭建创意天梯结束之后开展全方位的综合评价。评价的主体主要是教师、学生、家长等，主要采用评价量表形式，对项的结果进行综合性评价。本项目的结果性评价量表见表3。

发展性评价。评价方式以对比、观测为主，评价时重点关注学生学习动机、学习信心、学习过程、学生心理、情感等方面变化，真实有效地反映其成长状况。

通过开展多元评价，使基于STEM理念的跨学科学习更能激发学生的学习兴趣，促进他们自主参与学习项目的全过程。在活动中，学生的问题解决、项目管理、沟通与协作、展示与交流等能力明显得到提升。

（作者单位：重庆市沙坪坝区红糟房小学校）

参考文献

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