像工程師一樣思考優(yōu)秀獲獎(jiǎng)科研論文

在STEM領(lǐng)域，像工程師一樣設(shè)計(jì)、執(zhí)行、反思與修正，是一種十分重要的思考與做事方式。因?yàn)楣こ處熆倳?huì)面臨各種設(shè)計(jì)與實(shí)際不符的情況，需要不斷修正才能達(dá)成目標(biāo)。這種能力在生活中也常會(huì)用到。例如，學(xué)習(xí)煮飯、學(xué)習(xí)騎車(chē)、動(dòng)手制作物品甚至企業(yè)管理等。并不是每一個(gè)學(xué)生都要成為工程師，但這種思維方式是學(xué)習(xí)和工作中追求精益求精的最有效的方法和路徑。

一、課程重點(diǎn)

通過(guò)讓學(xué)生了解并搭建橋梁中的懸臂結(jié)構(gòu)，體會(huì)在工程領(lǐng)域中設(shè)計(jì)、執(zhí)行、反思與修正的重要性，學(xué)習(xí)像工程師一樣思考。

【涉及領(lǐng)域】工程、幾何學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、寫(xiě)作

【建議年級(jí)】小學(xué)高年級(jí)以上

【建議時(shí)間】基礎(chǔ)課程170分鐘

二、課程任務(wù)

學(xué)習(xí)懸臂結(jié)構(gòu)及其在生活中的應(yīng)用。通過(guò)兩次搭建制作，了解設(shè)計(jì)、執(zhí)行、反思與修正的工程設(shè)計(jì)循環(huán)，鍛煉同他人交流與合作的基本技能，感受如何通過(guò)不斷嘗試與改進(jìn)更好地達(dá)成目標(biāo)。

三、課程步驟

1.導(dǎo)入（15分鐘）

第一步，呈現(xiàn)塔吊的圖片（見(jiàn)圖1），讓學(xué)生辨認(rèn)并思考：

（1）塔吊為什么能夠吊起重物？

（2）吊起重物時(shí)有沒(méi)有最大重量的限制？

（3）吊臂的遠(yuǎn)端還是近端更能承重？為什么？

（4）[高年級(jí)拓展問(wèn)題]塔吊的原理和杠桿有什么相同點(diǎn)和不同點(diǎn)？

第二步，引出懸臂的概念——懸臂是只有一端固定的梁。請(qǐng)一名學(xué)生上前，將右臂側(cè)平舉，對(duì)照塔吊體會(huì)懸臂概念，體會(huì)哪里是梁、哪里固定、如何固定等問(wèn)題。

第三步，鞏固懸臂概念，向?qū)W生提問(wèn)：

（1）說(shuō)說(shuō)塔吊的結(jié)構(gòu)原理是什么？

（2）讓學(xué)生辨認(rèn)圖中的懸臂結(jié)構(gòu)。（見(jiàn)圖2）

（3）進(jìn)一步思考生活中哪些地方應(yīng)用到了懸臂結(jié)構(gòu)，并闡述。

（4）思考塔吊的吊臂為何有許多三角形結(jié)構(gòu)，起什么作用。

2.第一個(gè)任務(wù)及評(píng)價(jià)量規(guī)（10分鐘）

宣布第一個(gè)任務(wù)，提供材料并公布評(píng)價(jià)量規(guī)（見(jiàn)表1）。

【任務(wù)】使用所提供的吸管和透明膠帶等材料，制作一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)。要求只能有一根吸管固定在桌面上（如果將吸管切割為兩段以上，則不能再算作一根吸管）。懸臂至少伸出桌邊30厘米，能夠在15厘米處懸掛10個(gè)鉤碼。

【材料】吸管20根，窄透明膠帶1卷，鉤碼1盒，米尺1條，剪刀1把。

3.第一次制作（25分鐘）

各小組領(lǐng)取實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行搭建。教師發(fā)現(xiàn)做得較好的組，可鼓勵(lì)其他組學(xué)生觀摩。教師使用以下啟發(fā)式問(wèn)題進(jìn)行引導(dǎo)。

（1）吸管之間有哪些連接方式？（套接，插接，粘接）

（2）吸管的那個(gè)部位受力最大？如何將受力分散？（桌邊和吸管接觸的位置受力最大，可以通過(guò)管道加粗、管內(nèi)嵌套、設(shè)計(jì)三角結(jié)構(gòu)等方式將受力分散）

（3）吸管搭建的懸臂結(jié)構(gòu)受到哪些方面的力？（重力，拉力，支持力等）

（4）參考實(shí)際生活中的例子，除了受力，懸臂還會(huì)受哪些方面的擾動(dòng)？（還會(huì)受到垂直于懸臂的平面內(nèi)多個(gè)方向的力的擾動(dòng)）

（5）怎么克服各個(gè)方向的擾動(dòng)？（可以通過(guò)多種方式強(qiáng)化結(jié)構(gòu)來(lái)減輕擾動(dòng)）

（6）懸臂結(jié)構(gòu)可以下垂么？（可以）

（7）下垂幅度較大好還是較小好？（分情況）

（8）下垂是否有利于整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定？（有利于穩(wěn)定，這也是鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震的原因，如舊金山金門(mén)大橋在1989年7.1級(jí)大地震中的表現(xiàn)）

4.總結(jié)和反思第一次任務(wù)（25分鐘）

每一個(gè)小組完成任務(wù)，教師都要進(jìn)行測(cè)試（見(jiàn)圖3）。全部小組完成后，讓各小組派代表結(jié)合以下問(wèn)題進(jìn)行匯報(bào)。

（1）你們小組是怎么分工的？

（2）你們小組的懸臂包含了那些結(jié)構(gòu)元素？

（3）實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了哪些問(wèn)題？怎么解決的？

（4）怎樣更少地使用吸管以節(jié)省材料？

（5）[高年級(jí)拓展問(wèn)題]畫(huà)出懸臂結(jié)構(gòu)在不同受力點(diǎn)下的力學(xué)圖示。

5.第二個(gè)任務(wù)及評(píng)價(jià)量規(guī)（15分鐘）

宣布第二個(gè)任務(wù)，重新設(shè)計(jì)原來(lái)的結(jié)構(gòu)，完成更高的目標(biāo)，提供材料并出示評(píng)價(jià)量規(guī)（見(jiàn)表2）。

【任務(wù)】使用盡量少的材料，搭建一個(gè)至少長(zhǎng)45厘米的懸臂，能夠在25-30厘米處懸掛10個(gè)鉤碼。吸管可以接觸桌子的任何部分，但只能有一根吸管固定在桌面上（這一根吸管不可切割為多段）。

【材料】吸管50根、大頭針50根、寬透明膠帶10厘米、鉤碼1盒、米尺1條、剪刀1把

各小組通過(guò)討論，改進(jìn)原來(lái)的設(shè)計(jì)。填寫(xiě)工作單，憑工作單上畫(huà)好的設(shè)計(jì)圖在教師處領(lǐng)取材料。

6.重新建造懸臂（45分鐘）

各小組進(jìn)行搭建。發(fā)現(xiàn)比較好的組后，教師要鼓勵(lì)其他組學(xué)生前去觀摩。教師使用以下的啟發(fā)式問(wèn)題或提示句進(jìn)行引導(dǎo)。

（1）你們圖紙上的計(jì)劃行得通嗎？

（2）是否應(yīng)該在搭建過(guò)程中不斷測(cè)試承重情況？

（3）你們?cè)诖罱ㄖ凶隽四男└淖兒驼{(diào)整？

（4）你從其他組的結(jié)構(gòu)中學(xué)到了什么？

（5）記得把你們組在進(jìn)行過(guò)程中遇到的問(wèn)題記錄下來(lái)。

（6）遇到問(wèn)題后，想想如何解決。

7.總結(jié)與討論（20分鐘）

對(duì)完成任務(wù)的小組，教師測(cè)試結(jié)構(gòu)。所有小組完成后，各小組上臺(tái)匯報(bào)，內(nèi)容包括設(shè)計(jì)思路、問(wèn)題和解決方案、具體搭建過(guò)程的分工、所設(shè)計(jì)的懸臂在生活中的實(shí)際應(yīng)用等。展示優(yōu)秀作品，包括承重量較大的、承重/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較好的、外觀設(shè)計(jì)感好的作品，全班討論這些設(shè)計(jì)中的優(yōu)秀之處，以及還可以改進(jìn)的地方。可參考以下提問(wèn)。

（1）哪些組的結(jié)構(gòu)好用？怎樣使懸臂的承重更大？

（2）你認(rèn)為哪個(gè)組的設(shè)計(jì)最好？為什么？