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←返回新聞動態STEAM課程之云霄飛車 | 文華小學
來源: 日期:2019-06-20 09:12:00

STEAM是科學(Science),技術(Technology),工程(Engineering),藝術(Arts),數學(Mathematics)五門學科英文首字母的縮寫,其中科學在于認識世界、解釋自然界的客觀規律;技術和工程則是在尊重自然規律的基礎上改造世界、實現對自然界的控制和利用、解決社會發展過程中遇到的難題;藝術在于發現自然和科學之美,提升發展和創造美的能力;數學則作為技術與工程學科的基礎工具。由此可見,生活中發生的大多數問題需要應用多種學科的知識來共同解決。

 

 

為促進STEAM教育有效進入課堂,提高學生動手能力、激發學生創造能力,2019年4月,文華小學五年級組織了STEAM課程,“云霄飛車”便是其中之一。該項目旨在讓學生親自體驗和參與其中,在不斷實踐的過程中,學生會逐漸加深對原理的理解,感受STEAM教育的內涵。

 

首先,老師通過一段簡短的視頻引入,向學生詢問是否有坐過山車的經歷,,坐過山車最終的感受是什么?當然是刺激!進而向學生揭示過山車刺激的來源在于隨著高低起伏的軌道,飛馳的速度和瞬息萬變的景觀帶來的是加速的脈搏心跳,讓人欲罷不能。伴隨著學生激烈的討論向學生提問:如果是你來修建一架云霄飛車,你想怎么設計?

 

五花八門的答案噴涌而來,教師以視頻中某一個云霄飛車為例講解在制作云霄飛車過程中所要注意的問題和基本的架構原理。

 

 

云霄飛車的原理主要是能量守恒定理,在此之前老師已經跟同學簡單介紹過能量守恒。能量包括我們日常生活中的光能、電能、水能、風能等形式的能量,機械能是能量的其中一種。它主要包括動能和勢能,而勢能又分為重力勢能和彈性勢能。而在這個小車的運動過程中,主要關系到了動能和重力勢能的轉化。我們知道,動能主要與它的質量和速度有關,而重力勢能主要與質量和高度差有關,在這些基礎的知識已經提前給學生介紹過的前提下,我們再來講整個云霄飛車的基本原理就容易多了。

 

首先小車從一個相對較低的位置慢慢運轉到A點,到達A點時小車的速度是非常慢的。它的高度在增加,所以這個時候的重力勢能較大,也就是說在A點,小車獲得了一個較大的重力勢能。從A點下滑是自由下落不借助外力,從A點出發速度越來越大,這個速度是之前積攢的重力勢能轉化成動能而來,憑借這個速度,小車就能沖過較高的陡坡和較低的山谷。所以第一步也是最關鍵的一步,就要根據學生的圖紙規劃調整A點高度,確定好這一步后續的活動才能展開來,整個運行軌道也必須要有高低起伏以及必要的急轉彎,這就是云霄飛車的基本運行理論。實驗整體難度偏大,無論從設計構圖還是后期拼插預計出現的問題也會較多,因此只在高年級推廣,而必要的課前知識鋪墊則顯得必不可少。

 

既然理論知曉了,按照不同小組提前設計好的規劃,同學們便開始了拼插活動。不同的小組有著不同的實驗步驟,有的是先對著自己的圖紙討論,有的是組內先分工,誰負責看管哪一部分零件,避免丟失,有的則直接上手實驗,在不斷的錯誤和摸索中快速成長。

 

 

無論從哪一步開始,都需要搭建基本框架,那么第一個問題來了,電源的正負極如何判斷?孩子們要么詢問同小組同學,要么詢問問老師,實在不行就動手裝裝試試,實驗剛開始,成功的道路便有些坎坷,但同學們總有解決方法。解決了發動機的問題接下來就是螺旋轉動裝置和運轉軌道的搭建,在這里,孩子們遇到的最大問題便是鋼球無法自動準確的降落到軌道上。這時候便是考驗小組團結的時候,每個人都會運用自己的方式積極主動的尋找解決方法,是否是轉動合頁安反了,或者是軌道位置錯誤,面對問題,孩子們比想象得更加樂觀。

 

 

根據圖紙繼續往下拼插,有的小組速度很快,基本軌道很快就出來了;有的小組則是先組裝零件,先把需要得零件都組裝好。不同的小組則有著不同的默契,耳邊時不時的能夠聽到小組的歡呼拼裝完成,這便是最好的加油打氣。孩子們的完成速度遠快于老師預期,但基本的拼接完成并不代表它可以順利的實現運轉。正真的困難還在后面,調制過程開始。

 

 

軌道調制過程主要存在三個問題:第一,在急轉彎時,鋼珠極其容易滑落,這主要是因為偏轉角度過小,而速度又很快,就會導致離心力過大,向心力不足。關于這部分我們可以舉個例子,例如當火車在轉彎的時候,在轉彎圓弧處會受到一個向心力一個離心力。顧名思義,向心力就是讓轉動向中心靠近的,而離心力則是讓轉動偏離軌道的。而要使火車在轉彎的時候安全通過彎道,就必須保證離心力不能大于向心力。火車轉彎的離心力是由火車的質量、速度、轉彎半徑來決定的;而向心力就由軌道的傾斜度來提供。所以,一般的軌道在彎道的地方,兩跟軌道都不會處于同一水平面。因此對于這個實驗來說,只需要將角度變大或者將軌道外側加高,自然而然就可以解決這個問題。

 

第二個問題是鋼珠走到一半就停止運動,這主要是因為高度差不夠,沒有積攢足夠的速度,重力勢能轉化而來的動能不足,這時只需觀察鋼珠停靠位置,確定停靠點后,將高度差變大即可。而最后的問題在于無法實現循環的運轉,只能運轉一次,鋼珠就被卡到電機升降臺附近,這主要還是由于剛開始制作時合頁和軌道沒有無縫連接,需要再調整。解決了以上問題,教室里很快就響起孩子們此起彼伏的歡呼聲。遠超想象,部分孩子們成功了。

 


 

實現了最基本的單鋼珠運轉,接下來的時間就是孩子們的腦洞時間:外型的優化,急轉彎的增多,多鋼珠運轉,雙軌道甚至多軌道運轉無不體現著孩子們蓬勃的創造力。孩子們額頭的汗珠與眉眼間的微笑相互輝映,歡聲笑語在教室回響,驕傲的臉上無一不寫滿了“當然是我們組做的最棒了”的表情。最后經過激烈評選和艱難抉擇,第三組同學憑借他們超強的耐力,完美的組內合作,新穎的創意以及相當復雜的構造,共同制作完成的“沖上云霄號”云霄飛車,憑借其雙軌道,多個急轉彎,高度差巨大,運轉速度極快等諸多優點斬獲本場比賽冠軍。

 

 

實驗結束,有的小組成功,則也有的小組在有限時間內一直調制失敗,但最終八個小組,六組調制成功,僅余兩組遺憾失敗的碩碩戰果無不讓大家欣喜異常。隨后各小組對自己的工作方法,失敗或者成果的經驗進行了總結和交流,希望下一次可以做的更好。老師相信無論結果成功與否,過程中的歡聲笑語,聚精會神,愁眉不展,豁然開朗,靈機一動,團結合作都將是一筆極其寶貴的財富。

 


在整個“云霄飛車”的實驗中,從前期知識儲備、圖紙策劃,到中期的拼插過程,哪怕是偶爾意見不合的爭執、化解,再到最后的運轉成功,再改良,增加新的創意,這看似是個漫長的過程,但也絕對是個美好的過程。孩子們的收獲也絕非只是飛車運轉的那一刻的喜悅,對于STEAM課程的學習,孩子們有著天生的好奇心。孩子們從來不缺少想象力和創造力,他們缺少的只是一個盡情展示的舞臺。通過這次STEAM課程“云宵飛車”,讓文華小學看到了每一位孩子身上蘊藏著無窮潛力。讓我們一起期待下次激情與創意的靈感碰撞!

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