STEM項目“搭建創意天梯”教學實踐

科學課程標準要求學生要掌握基本的思維方法，具有初步的科學思維能力。“搭建創意天梯”項目的設計以STEM教育理念為指引，讓學生在完成項目任務的過程中明確挑戰性任務、分析出現的問題，并嘗試設計、搭建、改進、展示與評價天梯，最后通過多元評價診斷任務達成度。整個過程有助于學生學習分析、比較、聯想、想象、推理、質疑、批判等科學思維方法，促使他們從“科學實踐”逐步走向“科學思維”，從而提升其科學思維能力。本項目的實踐，為如何在科學教學中融合STEM理念提升學生思維能力提供依據。

一、確立挑戰性任務，打開學生系統性思維

在生活中，塔吊能夠吊起比自身重幾倍的物體，且自身結構依然很穩固，這是什么原因呢？為了弄清這個問題，教師引出挑戰性任務：進行創意天梯模型的搭建——用合適的材料搭建穩固且承重能力強的框架結構。與塔吊類似的是，天梯同樣需要具備穩固的結構，確保能夠抵抗各種外部力量的影響。同時，在搭建時需要綜合考慮多個方面的因素。因此，通過搭建穩固的天梯，學生可以探究塔吊的穩固性設計理念和它能吊起比自身重幾倍物體的原因。

“搭建創意天梯”STEM項目在以學生為本、玩中學、做中學的教學理念為指導，以培養學生的核心素養為落腳點，根據學生的認知規律，從科學、技術、工程、數學的學科特性出發，結構化、進階式地錨點制訂項目目標（見表1），架起實踐與探索的橋梁，可視化地設計學生高階思維成長的路徑。

本項目的最終任務是搭建結構穩定、高度較高、承載力強的創意天梯，教師設計了核心任務架構。整個過程通過任務式的活動推進，教師出示任務、材料和具體要求，讓學生圍繞任務自主進行活動。

任務一：設計天梯3D模型。材料：3D One軟件、紙、筆、高塔模型。要求：①學生根據出示的太空天梯思考如何將天梯搭得又高又穩；②小組內用紙筆進行初稿設計；③建模前思考和討論每個連接件的作用；④初步嘗試用3D One軟件進行設計；⑤設計后小組交流，匯報并修改設計稿。

任務二：搭建天梯。材料：桐木條、連接頭、鋸子、尺子、齒輪、掛鉤、馬達、砂紙和纜繩。要求：①根據小組的設計，選擇粗細、重量合適的桐木條；②利用桐木條和連接口搭建天梯；③在天梯合適的位置安裝齒輪、掛鉤和纜繩等。

任務三：改進天梯。材料：搭建天梯的材料、卷尺、電子秤、記錄單、砝碼、塑料袋、手機。要求：①解決天梯不穩固的問題，重新設計天梯模型，更換桐木條、將桐木條和連接頭重新安裝；②解決天梯重量超重問題，減少桐木條總數、精選經過干燥處理的桐木條、更換輕且強度高的連接頭；③測試天梯增加天梯承重能力，將重物由輕到重的順序掛在纜繩上進行稱重能力測試。

學生明確挑戰性任務及要求，進行整體思考，在一定的時間內完成任務。材料是限定的，天梯的高度、穩定性和美觀程度相當于工程驗收標準。通過實踐學生發現，天梯接頭精準程度、桐木條的粗細、長短、重量等因素會影響天梯的穩定性、高度、承載力，逐漸打開了思維。

二、設計天梯模型，激發學生的設計思維

本項目中教師提出具體問題：現在要設計一座高度不低于108厘米的創意天梯，用什么做連接件？連接件的接頭有幾個？每根桐木條的長度是多少？搭建多少層才能夠達到這個高度，每一層需要用到幾根桐木條？學生先思考這些問題，對天梯模型有一個初步的想法，再通過聯想塔吊、高塔的設計原理，思考怎樣設計才能讓天梯又高又穩。

首先，天梯的設計要保證結構的穩定性。學生可以借鑒高塔的多層支撐結構，通過在不同高度設置支撐點或平臺，來增強天梯的整體穩定性。這些支撐點可以采用類似塔吊的拉桿和平衡臂結構，通過將拉桿與主體結構相連，形成穩定的支撐體系。

其次，材料的選擇對于天梯的穩定性至關重要。學生可以借鑒風力發電塔和通訊塔使用的輕質高強度材料，如碳纖維復合材料、鈦合金等，保證結構穩定的同時減輕整體重量，從而有助于搭建更高的高度。

最后，天梯的設計還需要考慮抗風性能和抗震性能，學生可以借鑒高空結構設計中采用的風洞試驗和有限元分析等方法，研究物體在風中的氣動特性（風洞試驗是模擬實際環境中氣流對物體作用的一種實驗方法，有限元分析是一種利用數值計算方法對復雜結構進行力學分析的工程技術）。對天梯進行風荷載和地震荷載的模擬和分析，可以優化其結構，提高抗風性能和抗震性能。通過借鑒這些高空結構的設計原理和材料選擇，學生可以更好地設計既符合科學原理又具有實用性的天梯模型。這樣，學生基于經驗事實并結合所學知識，抽象概括出理想模型，發展了模型建構能力。他們思考的過程不僅僅是設計的過程，更是運用所學知識的過程，是訓練設計思維的過程。

三、完成天梯搭建，促進學生的整合思維

天梯搭建環節融合了科學、數學、工程學科知識。科學方面，學生需要考慮材料的強度、重量、耐用性以及抗腐蝕性等因素，這些都需要基于材料科學進行選擇和測試。數學方面，包括確定天梯的形狀、尺寸和角度，以確保其結構穩定并滿足功能需求等；在計算天梯的高度、傾斜角度以及各部分之間的相對位置時，利用三角形具有穩定性的原理建模。工程方面，需要確保天梯能夠承受各種外部力量如重力、風力等，使用連接材料加固各個連接點，保證其結構的穩定性和安全性。這涉及選擇合適的制作方法、使用合適的材料。

本項目中，學生可以將這些學科整合在一起，提升跨學科的邏輯思維能力，也有助于他們更好地理解科學、數學和工程在實際中的應用。

在搭建創意天梯過程中學生有了兩種方案，方案一：根據設計的天梯模型，選擇合適的桐木條和連接頭，搭建出框架底層，再一層一層向上搭建。在搭建中，學生一邊搭建一邊將木條鋸成所需要的長度并實時修正，保證天梯的穩定，最后在天梯頂層安裝齒輪。方案二：選擇合適的桐木條和連接頭，根據設計方案一邊搭建一邊修改設計。學生可以搭建不同結構的異型天梯，并在合適的位置安裝齒輪。齒輪主要用于驅動或協助貨物沿纜繩上下移動，其設計和運作要考慮到各種環境因素，如風速，風速的變化可能會影響到齒輪與纜繩之間的接觸和摩擦力，進而影響到天梯的穩定性。在搭建天梯過程中，學生要考慮多方面因素，鍛煉了他們的整合思維。

四、改進天梯設計，提升學生的迭代思維

迭代升級是工程實踐的要求，也是產品制造的需要。教學中的迭代升級意味著學生要不斷地發現問題，改進設計，從而提升解決問題的能力。本項目中，學生通過不斷嘗試、反饋、改進、優化，調整天梯的高度和確保其穩定性，提升迭代思維。

第一次迭代是解決天梯不穩定的問題。首先，考慮天梯模型的外觀設計，可以把四邊形結構改成兩個三角形結構。其次，考慮桐木條長度是否精準。桐木條長了會影響天梯的整體形狀，桐木條短了會影響天梯的穩定。可重新測量長度，裁剪并更換木條。最后，考慮桐木條與連接頭的按照是否牢固，可以把桐木條和連接頭拼接的地方重新取出，重新精準安裝。

第二次迭代是解決天梯重量的問題。利用電子秤對天梯進行稱量，如果重量超過230克，則需要減輕天梯總質量。方法一：控制天梯桐木條總根數。根據上輕下重的物體不容易倒的科學原理，可以讓底層桐木條數多一些，側面、頂層桐木條數少一些。通過有效的結構布局來支撐整個天梯，避免不必要的復雜設計和裝飾，只保留必要的結構部分。方法二：選擇重量輕且韌性好的桐木條。確保所選的桐木條經過干燥處理，以減少水分含量，從而進一步降低整體重量。方法三：用重量更輕且強度更高的聚醚酮材料替代部分原材料，減輕天梯重量。

第三次迭代增加天梯的承重能力。首先，對童芯派進行編程，讓手機成功控制童芯派，即可通過手機語音功能操控天梯的測重過程。其次，通過多次測試，找準合適的地方安裝齒輪，減小齒輪與纜繩之間的摩擦。最后，將重物由輕到重的順序，掛在纜繩上進行承重能力測試，測試過程中注意重物不能過重。在提升重物的過程中，如果木條斷裂，則需要更換稍粗一點的木條；如果齒輪打滑吊不起重物，則需要更換齒輪。通過實踐，學生解決了各種各樣的問題，最終制作出符合條件的天梯模型，發展了迭代思維。

五、展示評價天梯，發展學生的批判思維

1.展示作品

完成天梯模型后，各組成員利用卷尺、電子秤等工具測試天梯高度、重物質量，再在天梯上安裝提升裝置，利用語音控制功能吊起重物，測出重物提升高度，將測量的結果記錄在天梯挑戰賽的記錄單上。接著，學生輪流展示天梯并匯報天梯重量、天梯高度、天梯提升重物的重量和高度的數據。非展示小組從天梯美觀度、天梯結構合理性、齒輪匹配度等方面做出評價，幫助展示小組客觀分析模型的優缺點，進一步改進和完善天梯。展示、評價天梯的過程，發展了學生的批判思維。

2.評價作品

過程性評價。過程性評價是本項目主要的評價方式。教師將過程性評價落實在每個任務中，根據學生的任務完成情況開展評價。評價的主體主要是教師和學生，學生評價又分為學生自評和互評。過程性評價主要采用評價量表、訪談、觀察等形式開展。教師評價時，以項目目標的達成程度實施評價，重點關注學生在項目實施過程中的知識建構、能力發展等。本項目的部分過程性評價量表見表2。

結果性評價。結果性評價是在搭建創意天梯結束之后開展全方位的綜合評價。評價的主體主要是教師、學生、家長等，主要采用評價量表形式，對項的結果進行綜合性評價。本項目的結果性評價量表見表3。

發展性評價。評價方式以對比、觀測為主，評價時重點關注學生學習動機、學習信心、學習過程、學生心理、情感等方面變化，真實有效地反映其成長狀況。

通過開展多元評價，使基于STEM理念的跨學科學習更能激發學生的學習興趣，促進他們自主參與學習項目的全過程。在活動中，學生的問題解決、項目管理、溝通與協作、展示與交流等能力明顯得到提升。

（作者單位：重慶市沙坪壩區紅糟房小學校）

參考文獻

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