小學STEAM教育的實踐與思考
——以“過山車”項目為例

陳逸權 珠海市香洲區甄賢小學

STEAM教育起源于美國，在1986年便明確提出“科學、技術、工程和數學”的教育綱領性建議；近年來越加重視，在2015年通過了《2015年STEM教育法》，在2016年出臺《STEM2026》對美國未來10年的STEM教育提出新的規劃。當下STEAM教育已經受到歐美各國的強烈推崇。我國在2016年印發的《教育信息化“十三五”規劃》中首次提出有條件的地區要積極探索跨學科學習（STEAM教育）。STEAM教育是在STEM教育的基礎上加入藝術（Art）；如美國蘋果公司的產品，不僅工程技術含量高，且藝術感強，從而風靡全世界。我國小米公司的產品，也在致力走同樣的路線。

STEAM教育致力于培養學生運用多學科知識進行解決問題以及探索創新的能力。下面筆者以“過山車”項目為例談談關于STEAM教育的一些思考。

1.“過山車”項目要求

2018年珠海市香洲區舉行了第一屆中小學STEAM大賽，過山車項目是其重點賽事之一。學生需要在有限的時間內搭建一個軌道過山車，讓鋼珠從軌道的頂部（其高度≥60cm）開始下滑，至少經過一個坡度（其落差高度≥3cm），最終必須落入紙杯收集裝置中（其高度≥3cm）。鋼珠的滑行時間與規定時間之間的差值越小，成績越好。可以使用的材料有：基座PVC板、支柱PVC管、電子計時器和紙杯；可以使用的工具有：電動手動螺絲刀、剪刀、尺子、筆。

2.多學科知識的整合

筆者所接觸到的許多小學教師們，說起STEAM教育，他們大部分都認為此就是科學的項目，僅僅是科學老師的任務。此普遍現象反映出教師們對STEAM教育存在較大的誤解。STEAM教育最大的一個特征，就是多學科知識的整合，科學知識固然必不可少，數學知識更是STEAM各領域的關鍵基礎。若在開展STEAM教育時，僅僅關注科學這一門課程知識，不注重將數學與科學、工程技術與藝術等知識的進行整合，或者直接忽略了數學等內容，那實際上就不叫STEAM教育，而是科學教育了。有時候，學生們也會產生這樣的誤解，僅從科學知識的角度去考慮問題，思路沒有打開，沒能跨學科地尋求解決問題的方案。

在2018年珠海香洲STEAM大賽的過山車項目中，學生需要在基座板作為支撐軌道的支柱。在準備比賽的學習過程中，我所教班級的徐灝團隊，開始只是簡單地大概把12根PVC管圍起來，沒有經過嚴密的思考。經過科學老師的指導后，徐灝團隊裝上的支柱圍成了近似橢圓形，軟管軌道圍繞著橢圓柱形盤旋而下。這樣處理的結果是，鋼珠在軌道上滑行時，其離心力在有些地方突然增大，有些地方突然變小，調整控制起來的難度很大，鋼珠滑行時間的精確度更難把握，細微的調整往往也是有點運氣成分，實現不了與規定時間之間的差值為0。若科學老師更多地帶著徐灝團隊探索如何更好地細微調整，也許直到參加區里的比賽，都難實現0差值的目標。因為他們沒有從數學等角度出發解決這個問題。

從數學的角度來說，可以把過山車支柱圍成圓形，從而利用離心力公式便捷地計算出鋼球滑行時的離心力大小范圍，再調整相應位置的軌道傾斜度。

F=mv2/r（F表示離心力，m表示鋼球質量，v表示鋼球速度，r表示圓半徑）

從工程技術的角度來說，這樣的搭建也十分方便，利用筆和尺子，先在基座板上畫出一個圓，再用螺絲螺套把PVC管支柱固定在基座板上即可。從藝術的角度來說，過山車軌道從圓柱形上高處盤旋而下，也比不規則柱形更有美感。

3.培養學生的創造能力

搭建過山車這類的動手實驗通常被看作是培養學生創造能力的有效途徑。但動手操作實驗活動也有可能是徒勞無獲的，尤其是當學生不能科學地思考問題時，更是無益。必須鼓勵學生理性地思考所面對的情景，控制變量，檢驗假設等等。

如何控制鋼球在過山車上滑行時間這個問題，學生的直觀感覺是其應與起點的高度、軌道的長度、軌道的設計等有關。若在訓練時，學生按照自己的喜好搭建好過山車后，再隨機調整軌道，這樣控制滑行時間是不科學，不理性的，達不到培養學生創造能力的目標，學生的思維也得不到有益的鍛煉。

應該如何做呢？先從簡單的開始，從控制各段軌道的滑行時間開始。可以先讓學生有目的地搭建一段簡單的軌道，利用電子計時器測出鋼球第1次滑行這段軌道的時間。然后僅僅改變軌道的一個量（如升高或降低尾端的高度、設計一個爬坡、增加或減少滑行距離等等），再測量鋼球第一次滑過這段軌道的時間。分析各個因素改變對滑行時間的影響，并把相關的實驗數據全部記錄下來，每天完成實驗后還要進行總結。

本次過山車項目訓練，徐灝團隊在前兩周沒有進行變量控制實驗，也沒有記錄實驗數據，訓練的效果非常不好。后兩周按照上述要求改進訓練方法后，他們便進步飛快，兩者對比十分明顯。

在比賽時，若想要精確地控制鋼珠滑行的總時間，也不應該在搭建完過山車后再調整時間，而應搭建一段過山車就測量一次滑行時間，搭建完成后，再進行細微的調整。

總得來說，STEAM教育特別有利于幫助學生整合多學科的知識，有助于提高學生的創造能力等STEAM素養，但要注意不應該局限在科學教師的小圈子里，也不應該盲目地進行活動。