STEAM教育“過山車”項目的探索與思考

陳逸權

摘 要：甄賢小學開展STEAM教育“過山車”項目已有兩年時間，在此過程中，參與學生的動手能力、團隊合作能力、解決問題的能力、信息技術應用能力、數學應用能力都得到明顯的提高。

關鍵詞：STEAM教育;應用數學;信息技術

一、用統計學知識解決鋼球軌道上的滑行時間段問題

珠海市STEAM教育“過山車”比賽要求鋼球滑行的時間為6秒至8秒之間，每組的滑行時間在現場隨機抽取。一般來說，滑行時間差0.5秒，基本上就相差一圈軌道了。在比賽的時候，學生抽到一個時間段，如何有把握地知道相對應的軌道長度應該是多少呢？可以在賽前訓練時，要求A、B、C三個組分別做一個滑行時間要求是6.10秒的過山車，求他們軌道長度的平均值，記錄在筆記本電腦Excel表格里，這是一個有意義的數據。繼續讓學生團隊在結構穩定的情況下把6.20、6.30、6.40、6.50、6.60、6.70、6.80、6.90、7.00、7.10、7.20、7.30、7.40、7.50、7.60、7.70、7.80、7.90秒所對應的平均軌道長度，都檢測記錄到Excel表格里，用信息技術探索出其一定的規律。

二、解決過山車滑行時間的精確度問題

要解決過山車滑行時間的精確度問題，除了穩定的組裝結構外，需要發展學生的科學思維技能，利用信息技術手段，同時讓學生積累有關知識，從新手轉變為專家。

（一）科學思維技能方面。認知-轉變理論認為，學習是指個體的知識結構發生實質性的改變，換言之，當學生現有的概念被新的概念取代時，學習就產生了。概念-轉變包括三步——識別異常情況、建構新模型、使用新模型。如很多學生會直覺地錯誤認為鋼球滑行的速度較慢些，鋼球容易控制，滑行時間的誤差就會變小。基于這個觀念，他們會把第一圈的軌道設置得特別慢。但在實際測量中，這樣鋼球滑行時間的波動反而變化特別大。當學生已有的錯誤概念不足以解析目前遇到的問題時，教師應幫助學生意識到這個問題。學生必須用新的概念來取代錯誤概念。也就是說，他們必須發現一種新的模型來更合理地解釋所測得的數據，而不是尋求某些證據來支持他們之前設想。所以負責STEAM教育過山車項目的教師，應教導一下學生如何系統地科學推理，包括如何控制變量，如何利用比例和概率進行思維。

（二）信息技術方面。鋼球在軌道滑行中后程的的速度非常快，直接眼睛觀察難發現滑行時出現的小問題。此時，可以利用信息技術，把鋼球滑行的整過程錄像下來，在0.1倍速播放，即可發現滑行過程中出現的細節問題，從而做出相應的細微調整。還可以把每一圈滑行的時間錄入到計算機表格里，生成相應圖表。研究改變一個小結構對整個滑行時間的影響。從生成的圖表里，還大概計算出影響滑行時間多個因子的權重比例。

（三）積累有關知識方面。對于STEAM教育過山車項目，學生應該積累以下的經驗知識，從新手轉變為專家。

1）調整系統結構時盡量不要大調整，若把就是把一個彎道零件往上或往下調2cm，對滑行時間的影響就已經很大了。

2）安裝觸發器時，保證其不能卡球，不能讓球停在起點處，卡球會導致鋼球的初速度不一樣，滑行時間誤差大。

3）第一圈的滑行，盡量不要太慢，速度盡量快一點，這樣時間波動才會沒那么大，如果速度太慢，滑行時間就容易會因為環境原因而改變。

4）調整滑行時間前，最好不要把螺絲擰得太緊，調整時間的時候才會更加的方便，從而節約更多的時間。

5）安裝軌道軟塑料管的時候，軌道要足夠順滑，不能讓球卡頓在軌道上，并且要做到美觀。

6）滑行時間誤差較小的時候，可以適當調節最后一個零件，如果調節了別的地方，滑行時間的誤差會容易變大。

7）要多做一些備用的零件，以節省調整軌道的時間。如若要加長軌道，直接拿備用零件用即可，盡量在調節時間前做好零件。

8）每條軌道的速度都不應過慢，否則滑行時間會不穩定。鋼球速度過慢，軌道上一點點的障礙，都會導致較大的誤差。

9）轉角處的軌道不能拉太緊，要微微傾斜，否則速度會太快，影響球的正常滾動，使它脫離軌道。

10）有多余的時間或者結構不穩定時，要多做柱連接，來加強結構和時間的穩定性，最好在頂端和底端都安裝上柱連接。

11）調節鋼球滑行時間，最好根據軌道總長度來控制時間的長短。

12）過山車支柱要穩穩插在底座上，必須注意到，有些使用多次的支柱管與底座之間的空隙過大，從而使得整個結構變得松動。

13）測量時，學生應要盡快找出鋼球落點，否則鋼球沒有落到指定杯子里，成績便作廢了。

14）盡量少使用卡碼來給鋼球減速，那樣常常導致意外發生，過山車結構的不確定因素大大增加。

15）鋪設好軌道軟管后，應試試滑行時間穩不穩定后再進行調整。

16）觸發器的高度，以及爬坡高度都要先量好。否則后面組裝好整個過山車后，很難調節這兩個結構，非常浪費時間。

17）鋼球在爬坡頂端處不應太慢，否則誤差容易變大。

18）轉彎結構的一定要足夠穩固，不能貪快而降低標準。

19）觸發器的起始高度確定后，不宜輕易調整，其對整個系統的滑行時間影響很大。

20）所有結構的螺絲都要擰緊，讓不同的組員檢查，至少檢查兩遍，以防螺絲松動。

三、STEAM教育“過山車”項目值得推廣

甄賢小學的實踐經驗表明，五六年級的學生從零開始接觸STEAM教育“過山車”項目，經過兩個月左右的培訓時間后，就能讓這群學生從新手成為小專家。他們組建的過山車基本能實現滑行時間0.01秒的誤差，優秀的小組能在1.5小時內實現滑行時間0誤差。這些學生的動手能力、團隊合作能力、解決問題的能力、信息技術應用能力、數學應用能力也都有明顯的進步。