像工程師一樣思考

李佩寧

在STEM領(lǐng)域，像工程師一樣設(shè)計、執(zhí)行、反思與修正，是一種十分重要的思考與做事方式。因為工程師總會面臨各種設(shè)計與實際不符的情況，需要不斷修正才能達(dá)成目標(biāo)。這種能力在生活中也常會用到。例如，學(xué)習(xí)煮飯、學(xué)習(xí)騎車、動手制作物品甚至企業(yè)管理等。并不是每一個學(xué)生都要成為工程師，但這種思維方式是學(xué)習(xí)和工作中追求精益求精的最有效的方法和路徑。

一、課程重點

通過讓學(xué)生了解并搭建橋梁中的懸臂結(jié)構(gòu)，體會在工程領(lǐng)域中設(shè)計、執(zhí)行、反思與修正的重要性，學(xué)習(xí)像工程師一樣思考。

【涉及領(lǐng)域】工程、幾何學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、寫作

【建議年級】小學(xué)高年級以上

【建議時間】基礎(chǔ)課程170分鐘

二、課程任務(wù)

學(xué)習(xí)懸臂結(jié)構(gòu)及其在生活中的應(yīng)用。通過兩次搭建制作，了解設(shè)計、執(zhí)行、反思與修正的工程設(shè)計循環(huán)，鍛煉同他人交流與合作的基本技能，感受如何通過不斷嘗試與改進(jìn)更好地達(dá)成目標(biāo)。

三、課程步驟

1.導(dǎo)入（15分鐘）

第一步，呈現(xiàn)塔吊的圖片（見圖1），讓學(xué)生辨認(rèn)并思考：

（1）塔吊為什么能夠吊起重物？

（2）吊起重物時有沒有最大重量的限制？

（3）吊臂的遠(yuǎn)端還是近端更能承重？為什么？

（4）[高年級拓展問題]塔吊的原理和杠桿有什么相同點和不同點？

第二步，引出懸臂的概念——懸臂是只有一端固定的梁。請一名學(xué)生上前，將右臂側(cè)平舉，對照塔吊體會懸臂概念，體會哪里是梁、哪里固定、如何固定等問題。

第三步，鞏固懸臂概念，向?qū)W生提問：

（1）說說塔吊的結(jié)構(gòu)原理是什么？

（2）讓學(xué)生辨認(rèn)圖中的懸臂結(jié)構(gòu)。（見圖2）

（3）進(jìn)一步思考生活中哪些地方應(yīng)用到了懸臂結(jié)構(gòu)，并闡述。

（4）思考塔吊的吊臂為何有許多三角形結(jié)構(gòu)，起什么作用。

2.第一個任務(wù)及評價量規(guī)（10分鐘）

宣布第一個任務(wù)，提供材料并公布評價量規(guī)（見表1）。

【任務(wù)】使用所提供的吸管和透明膠帶等材料，制作一個懸臂結(jié)構(gòu)。要求只能有一根吸管固定在桌面上（如果將吸管切割為兩段以上，則不能再算作一根吸管）。懸臂至少伸出桌邊30厘米，能夠在15厘米處懸掛10個鉤碼。

【材料】吸管20根，窄透明膠帶1卷，鉤碼1盒，米尺1條，剪刀1把。

3.第一次制作（25分鐘）

各小組領(lǐng)取實驗材料進(jìn)行搭建。教師發(fā)現(xiàn)做得較好的組，可鼓勵其他組學(xué)生觀摩。教師使用以下啟發(fā)式問題進(jìn)行引導(dǎo)。

（1）吸管之間有哪些連接方式？（套接，插接，粘接）

（2）吸管的那個部位受力最大？如何將受力分散？（桌邊和吸管接觸的位置受力最大，可以通過管道加粗、管內(nèi)嵌套、設(shè)計三角結(jié)構(gòu)等方式將受力分散）

（3）吸管搭建的懸臂結(jié)構(gòu)受到哪些方面的力？（重力，拉力，支持力等）

（4）參考實際生活中的例子，除了受力，懸臂還會受哪些方面的擾動？（還會受到垂直于懸臂的平面內(nèi)多個方向的力的擾動）

（5）怎么克服各個方向的擾動？（可以通過多種方式強(qiáng)化結(jié)構(gòu)來減輕擾動）

（6）懸臂結(jié)構(gòu)可以下垂么？（可以）

（7）下垂幅度較大好還是較小好？（分情況）

（8）下垂是否有利于整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定？（有利于穩(wěn)定，這也是鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震的原因，如舊金山金門大橋在1989年7.1級大地震中的表現(xiàn)）

4.總結(jié)和反思第一次任務(wù)（25分鐘）

每一個小組完成任務(wù)，教師都要進(jìn)行測試（見圖3）。全部小組完成后，讓各小組派代表結(jié)合以下問題進(jìn)行匯報。

（1）你們小組是怎么分工的？

（2）你們小組的懸臂包含了那些結(jié)構(gòu)元素？

（3）實驗中出現(xiàn)了哪些問題？怎么解決的？

（4）怎樣更少地使用吸管以節(jié)省材料？

（5）[高年級拓展問題]畫出懸臂結(jié)構(gòu)在不同受力點下的力學(xué)圖示。

5.第二個任務(wù)及評價量規(guī)（15分鐘）

宣布第二個任務(wù)，重新設(shè)計原來的結(jié)構(gòu)，完成更高的目標(biāo)，提供材料并出示評價量規(guī)（見表2）。

【任務(wù)】使用盡量少的材料，搭建一個至少長45厘米的懸臂，能夠在25-30厘米處懸掛10個鉤碼。吸管可以接觸桌子的任何部分，但只能有一根吸管固定在桌面上（這一根吸管不可切割為多段）。

【材料】吸管50根、大頭針50根、寬透明膠帶10厘米、鉤碼1盒、米尺1條、剪刀1把

各小組通過討論，改進(jìn)原來的設(shè)計。填寫工作單，憑工作單上畫好的設(shè)計圖在教師處領(lǐng)取材料。

6.重新建造懸臂（45分鐘）

各小組進(jìn)行搭建。發(fā)現(xiàn)比較好的組后，教師要鼓勵其他組學(xué)生前去觀摩。教師使用以下的啟發(fā)式問題或提示句進(jìn)行引導(dǎo)。

（1）你們圖紙上的計劃行得通嗎？

（2）是否應(yīng)該在搭建過程中不斷測試承重情況？

（3）你們在搭建中做了哪些改變和調(diào)整？

（4）你從其他組的結(jié)構(gòu)中學(xué)到了什么？

（5）記得把你們組在進(jìn)行過程中遇到的問題記錄下來。

（6）遇到問題后，想想如何解決。

7.總結(jié)與討論（20分鐘）

對完成任務(wù)的小組，教師測試結(jié)構(gòu)。所有小組完成后，各小組上臺匯報，內(nèi)容包括設(shè)計思路、問題和解決方案、具體搭建過程的分工、所設(shè)計的懸臂在生活中的實際應(yīng)用等。展示優(yōu)秀作品，包括承重量較大的、承重/結(jié)構(gòu)設(shè)計較好的、外觀設(shè)計感好的作品，全班討論這些設(shè)計中的優(yōu)秀之處，以及還可以改進(jìn)的地方?？蓞⒖家韵绿釂?。

（1）哪些組的結(jié)構(gòu)好用？怎樣使懸臂的承重更大？

（2）你認(rèn)為哪個組的設(shè)計最好？為什么？

（3）你們的結(jié)構(gòu)過一段時間后還能完好無損嗎？為什么？

8.寫作（15分鐘）

如果下次再制作懸臂結(jié)構(gòu)，你會做出哪些改變？試著寫出來。

（責(zé)任編輯 郭向和）