《滚珠缓降》项目中的STEM —— 一个纸质小工程的教学

引言：科学兴趣选修课上，我给学生的项目任务是只用卡纸和胶带来制作完成一个具有一定高度的缓降装置。在这个纸质结构的顶端释放玻璃珠，让其下滚。在保证珠子能最终落地的前提下，比一比，哪个小组能让玻璃珠在自己的装置上停留的时间最长。在完成这个小工程的过程中，学生在科学（science）、技术(technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)等方面有所发展，教师的角色也发生着变化。

教学过程：这个活动来源于“兴华国际青少年科技运动会”中的一个项目，原本是对纸张数量和装置的空间大小等有一定要求的。但在学生开始制作活动后，我就不再对这些进行限制了。

第一次课上，我对这项活动进行了介绍。最初，我的想法是先让学生对照着PPT中的几个样本仿做。有了初步的技能之后再创新样式。然而，四个小组都坚持说要设计属于自己的风格。好吧，现在的小孩儿都是有想法的一代，那就给他们的一次自主权。剩下的三十分钟的时间里，他们就开始了头脑风暴，讨论起自己小组的设计。

第二次兴趣课上，各小组长领了材料与工具后，大家就热火朝天地行动起来。这时，我就不再干涉他们的活动，而更多地像是一个服务者的角色。比如，给各个小组调配一下剪刀、胶带、尺子、双面胶的使用；应他们的要求，将PPT翻到他们需要看的图片或视频；偶尔也会讲“可能会选拔表现好的同学参加北京的比赛”之类的话来激励一下，提升小组成员的参与度。除了巡视和提醒安全事项之外，我没有任何指导，只是默默观察。

每个组的设计重点显然是有差别的。有的设计是螺旋楼梯式，有的是锥形漏斗加路障，有的是在支柱上下功夫，做成有点像高架桥，且桥墩可以伸缩调整……只有一个小组是在一开始就试图完成整体结构，其余小组似乎都是在制作零部件。

      第三次课，我依然不对学生进行直接指导。巡视中，我会不厌其烦地在各个组中纠正工具或材料的错误使用，提醒学生要考虑他们小组作品的整体性结构设计。

（学生的制作活动 视频：https://v.qq.com/x/page/l050019axh4.html）

这次，我允许学生进行组间交流观摩，吸收别的小组好的方法。比如，第四小组的“锥形漏斗”做的很好，受到其他小组同学的追捧；第三组“可调节的桥墩”被第二组同学采纳了；第一组整体结构的设计让其他组意识到需要加快速度了……

相互参观完，第三小组的组长也模仿做一个漏斗。在面临如何找准圆的半径以免剪歪时，他联想到数学里多次对折的方法。

第一小组觉得漏斗下面连通装置里可以再加缓冲机关。

这一次课快要结束时，只有第二组完成了整体性的结构。我让他们上台进行了展示，并给每个人一块橡皮作为奖励。通过这个方法来激励其他组尽快朝整体结构搭建前进。

第四次课，各个组都开始了工程的整体结构建设。然而，问题也逐渐增多。比如，上节课上台展示的第二小组，他们的作品由于螺旋状的路程长，需要的立柱也多，随便碰一下，立柱与桌子接触的位置就会发生变化，导致路面的坡度改变。结果，玻璃珠要么半路停下，要么中途飞出装置。

在让他们自己说说出了什么样的问题后，我提醒他们注意观察桌子或椅子的腿是如何连接的。横梁有什么作用呢？如果把两个腿向外拉，横梁会有什么力的作用？如果把两个腿向里挤呢？辅以实际的操作示范，让学生理解用胶带是不能代替横梁的。

有的组看似做了做了个三角形，以为能稳固，结果还是晃来晃去。除了增加横梁，我也让他们考虑一下重心高低和增大支持面积。

在巡视完各组的进展后，我觉得有必要进行一下全体性的指导。我拍手叫停所有小组，要求大家都面向黑板坐正。我向他们提出了两个问题。

第一个问题：完成“让玻璃珠下降缓慢”的目标，大家用到了什么方法？学生举手回答。有的说“增加长度”，有的说“设置路障”，有的说“设置拐弯处的碰撞可以减少动能”，有的说“减缓路面的角度（坡度）”，有的说“让珠子在漏斗里多转圈（盘旋）”……我快速简洁地在黑板上记录下他们的话或是我对他们语言的提炼。

   第二个问题：一些小组的作品，试验一次，结构就有点变形，再试第二次就不能保证玻璃珠子继续滚动。要让作品结构稳定，该怎么办？有了之前各组内的提示，学生基本上能说出“增加横梁”、“降低重心”、“扩大底面积”等。

在集中了全体智慧，对解决方法有了一定的认识之后，学生们继续进行工作。

   在第五次课结束时，四个组基本上都完成了整体结构的搭建，作品风格迥异。

结束语：

我们可以从几个方面来看这个项目教学活动。

从STEM&A方面讲，在这个教学活动中，学生以完成一个纸质结构——滚珠缓降作为工程目标。前期学生进行了图纸的粗略设计（包括实践中的改进），实施过程中熟练使用了工具，灵活利用了材料的特性，这些是技术的核心（设计与操作）。重量（质量）、碰撞、能量、速度、缓冲、重心、结构稳定性、横梁受力特征等，这些是科学概念（尽管学生尚处于经验层面，但他们能理解这些术语的含义）。而像底面积、利用直尺等分卡纸、路程长短、坡度大小……特别是那个学生说要利用数学课上学习到的对折法来确定半径，都是数学工具性的体现。而在指导学生粘双面胶时如何美观、撕胶带时如何避免不粘连下纸表面的颜色、剪裁时要注意对称、拼接结构时颜色的搭配、路障的均匀分布等等，这都涉及到了艺术的美感培养。在项目实施过程中，我们并没有刻意去做出这样的划分，但其实这就是在真实问题解决情境中的自然融合。

教学活动体现了阶段性特点。首先，要保证开放性。留出更多时间给学生自主活动，这是对学生自主性和创造力的尊重。其次，要体现生成性。把握好师生交流与教师集中指导的时机。先给学生一些经历（包括犯错的机会），问题的呈现与解决办法的提出才更显自然和真实。

教师的角色发生转换。提倡“非指导性教学”的人本主义教育心理学家罗杰斯认为，促进学生学习的关键不在于教师的教学技巧、专业知识……而在于教师和学生之间特定的心理气氛。要以学生经验为中心，促进学生自主自发的学习。在我们的这个项目教学中，学生是中心，教师提供学生探索的心理安全环境，成为教学活动的组织者，学习进度的促进者、筹备各种资源的服务者……在这个项目教学活动中，教师不再是高高在上的权威，而仅是平等的首席参与者。

     最后，尽管小学生的作品大多不美观，成绩也在20秒以内，但就像爱因斯坦的小板凳，我们不可小觑其中所蕴藏的潜力。融合式的STEM课程能带给学生制作这些“小板凳”的机会，更真实地促进学生发展。STEM课程也应该有多种形式的教学方法，需要我们多去关注、提炼和实践！

（我的微信公众号：科教守望者）