玩轉(zhuǎn)投石機(jī)

2020-04-06 22:46:39喻承

中國(guó)科技教育 2020年11期

喻承

投石機(jī)是古代的經(jīng)典攻城器械，涉及諸多物理知識(shí)，如力矩、機(jī)械能的轉(zhuǎn)化和守恒、拋體運(yùn)動(dòng)、力的合成與分解等，是一項(xiàng)非常值得開(kāi)發(fā)的活動(dòng)素材?；顒?dòng)以投石機(jī)為線索，從問(wèn)題解決、創(chuàng)意物化入手，設(shè)計(jì)符合初高中學(xué)生的活動(dòng)區(qū)域的循序漸進(jìn)式的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)?；顒?dòng)設(shè)計(jì)中突出對(duì)問(wèn)題解決的思維導(dǎo)向性和創(chuàng)意物化在各環(huán)節(jié)的落實(shí)。

活動(dòng)目標(biāo)

知識(shí)與技能：了解投石機(jī)的種類、基本結(jié)構(gòu)及發(fā)展歷程，建立簡(jiǎn)單模型還原投石機(jī)基本工作過(guò)程，設(shè)計(jì)制作可投射的實(shí)體模型；掌握杠桿、力矩、拋體運(yùn)動(dòng)相關(guān)知識(shí)；會(huì)使用繪圖、切割、黏合、CAD設(shè)計(jì)、激光雕刻、3D打印等方法設(shè)計(jì)制作投石機(jī)；能綜合使用物理、工程技術(shù)手段設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)；能使用智能電子硬件實(shí)現(xiàn)部分自動(dòng)化或趣味特效；采用繪畫(huà)和立體造型藝術(shù)，使創(chuàng)意作品具有美感。

過(guò)程與方法：體驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)試、修改的迭代式設(shè)計(jì)過(guò)程；體驗(yàn)使用邏輯思維、發(fā)散性思維、聚合性思維方法，結(jié)合思維導(dǎo)圖分析投石機(jī)改進(jìn)中所需解決的問(wèn)題；通過(guò)小組學(xué)習(xí)，體驗(yàn)合作與分工的探究方法。

情感、態(tài)度、價(jià)值觀：在了解古今中外科技與運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的過(guò)程中增進(jìn)民族自豪感與民族自信；在學(xué)習(xí)和使用科技的過(guò)程中感悟理論聯(lián)系實(shí)際的思想；在合作和分工中學(xué)會(huì)相互關(guān)心，提升責(zé)任感，感受團(tuán)結(jié)合作的作用。

學(xué)科領(lǐng)域

本活動(dòng)在體驗(yàn)過(guò)程中涉及科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域（見(jiàn)表1），相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)有杠桿與力矩、力的合成與分解、各種材料特性、建模計(jì)算、機(jī)械結(jié)構(gòu)、圖像研究法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、誤差分析、智能控制、程序設(shè)計(jì)、平面美術(shù)、造型藝術(shù)、歷史建筑等。而且，隨著探究和自主學(xué)習(xí)的深入，在問(wèn)題解決和創(chuàng)意物化的過(guò)程中可能還會(huì)根據(jù)學(xué)生自身的需要學(xué)習(xí)更多其他的知識(shí)。

活動(dòng)內(nèi)容

活動(dòng)分為研究性學(xué)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)和區(qū)域競(jìng)賽與展示交流活動(dòng)兩大門(mén)類，均包含數(shù)個(gè)模塊供選用，詳見(jiàn)表2。

下面，以“活動(dòng)模塊A 自制投石機(jī)”進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)的介紹。

活動(dòng)模塊A 自制投石機(jī)

模塊目標(biāo)：了解投石機(jī)的杠桿、力矩（高中）等原理；掌握制作的基本技能；完成一個(gè)投石機(jī)的制作。

過(guò)程簡(jiǎn)介：以小組形式完成投石機(jī)的制作；了解杠桿在投石機(jī)上的應(yīng)用方法和特點(diǎn)。

活動(dòng)材料：90 cm×120 cm KT板1塊，長(zhǎng)1 m、直徑2 cm的PVC水管1根，紙杯1個(gè)，自行車輻條1根，鐵絲、彩色貼紙、橡皮筋若干，熱熔膠，雙面膠。

活動(dòng)工具：手鋸、美工刀、尖頭鉗、熱熔膠槍。

應(yīng)急預(yù)案：在制作過(guò)程中須全程穿著圍裙，佩戴手套、護(hù)目鏡；使用電動(dòng)工具前，必須充分了解其使用方法并在教師指導(dǎo)下進(jìn)行；使用熱熔膠槍要注意防止?fàn)C傷，每次使用后都要利用熱熔膠槍支架放置在前方。

活動(dòng)步驟：①布置任務(wù)——觀察投石機(jī)圖片，分析討論投石機(jī)的基本構(gòu)成要素，并完成投石機(jī)的模仿制作；知識(shí)準(zhǔn)備（杠桿、力矩）。②問(wèn)題分析，詳見(jiàn)圖1。③模仿制作——教師提供參考樣圖，學(xué)生根據(jù)分析的要點(diǎn)，按步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。④測(cè)試——對(duì)射程、牢固度多個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試。⑤分享與拓展——比一比誰(shuí)投得遠(yuǎn)，并探討如何增加射程。

活動(dòng)重點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

重點(diǎn)

活動(dòng)通過(guò)提供制圖、科學(xué)原理研究、測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)外觀創(chuàng)意設(shè)計(jì)、智能電子設(shè)計(jì)等多種學(xué)習(xí)過(guò)程的體驗(yàn)，在問(wèn)題解決與創(chuàng)意物化的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)。

創(chuàng)新點(diǎn)

基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，從問(wèn)題解決、創(chuàng)意物化入手，設(shè)計(jì)符合初高中學(xué)生最近發(fā)展區(qū)的循序漸進(jìn)式的活動(dòng)?；顒?dòng)設(shè)計(jì)中突出對(duì)問(wèn)題解決的思維導(dǎo)向性和創(chuàng)意物化在各階段學(xué)習(xí)活動(dòng)中的落實(shí)。

模塊化的活動(dòng)設(shè)計(jì)便于活動(dòng)的復(fù)制和推廣，開(kāi)展過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際需求選用適合學(xué)生和教學(xué)條件的相關(guān)模塊內(nèi)容，便于活動(dòng)重組、課程重構(gòu)。

遵循跨學(xué)科STEAM理念設(shè)計(jì)活動(dòng)，提供涉及物理、數(shù)學(xué)、機(jī)械、電子、美術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的跨學(xué)科知識(shí)與技能的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

以投石機(jī)為線索，趣味性強(qiáng)、主題明確，融合競(jìng)技與創(chuàng)意，學(xué)生的發(fā)散性思維與聚合性思維在活動(dòng)中得到有效鍛煉。

預(yù)期效果

試點(diǎn)模塊化課程與活動(dòng)建設(shè)……嘗試使用模塊化的課程建設(shè)方法建設(shè)課程、開(kāi)展活動(dòng)。一方面便于將課程資源進(jìn)行有效整合，在區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行模式推廣；另一方面也便于各校借鑒課程資源，將各模塊加工重組后形成適合自身?xiàng)l件開(kāi)設(shè)的課程和活動(dòng)，為課程和科技實(shí)踐活動(dòng)的開(kāi)展提供借鑒資料。

學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升活動(dòng)重點(diǎn)采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作的形式，通過(guò)問(wèn)題解決、創(chuàng)意物化融匯多個(gè)學(xué)科知識(shí)與技能，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，提高科學(xué)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、人文素養(yǎng)和藝術(shù)素養(yǎng)。

為跨學(xué)科研究性學(xué)習(xí)形成一定可復(fù)制可推廣的經(jīng)驗(yàn) 本活動(dòng)以投石機(jī)為主線和載體，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科、多種學(xué)習(xí)方式的有效融合。同時(shí)，以投石機(jī)及其周邊的設(shè)計(jì)和制作為創(chuàng)意發(fā)散點(diǎn)，聚焦問(wèn)題的解決，為學(xué)生提供探究平臺(tái)。

該項(xiàng)目獲得第34屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科技教育方案類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)