鸡蛋撞地球初见于20世纪80年代英国科促会青少年部组织的青少年科技活动,利用生鸡蛋、降落伞材料、缓冲包装材料等制作装置使鸡蛋撞地而不碎。后由香港数理教育学会的老师引入香港并在中小学生中开展;至90年代初,上海中国福利会少年宫将其进一步改进,并在上海青少年中组织开展,受到青少年的欢迎;其后,广州物理教学研究会的老师又在广州组织青少年进行“鸡蛋撞地球”比赛,吸引了众多青少年爱好者参加。至此,鸡蛋撞地球活动就常见于各类学校的第二课堂。
具体做法
直接告知实验规则,设计并制作一个保护装置,要求生鸡蛋从高空(教学楼四楼)扔下不破,且落在投放位置。材料自选,自己动手制作成品,于规定日带回学校比赛。
为了将这一活动设计成符合 Steam 教育理念的拓展课,作者将活动的开展方式调整如下:
巧设情景,抛出问题
在鸡蛋撞地球的活动中,我截取了一段电影片段,宇航员乘坐太空舱返回地球,让学生直观感受到这是一个高速的、不断和大气摩擦的、惊险历程。接下来展示杨利伟返回地球的首张照片,增强代入感,抛出问题:杨利伟从太空带回了第一手的科研资料,现在要乘坐太空舱安全返回地球,在太空舱的设计上我们需要考虑哪些问题?说一说你的科学依据是什么?
学生根据已有知识可能会回答材料要耐高温、够厚、速度尽量慢些、加保护装置等。
教师引导:如果我国的宇航员着陆在美国的国土上,是否会引起国际纷争?我们现在大力提倡节约环保,在太空舱的制作上需要注意些什么?
学生马上领悟,落地点要在中国的某个无人区,太空舱最好可回收利用,在保障安全的情况下耗材要少。
老师归纳后提出项目要求:今天我们用一个生鸡蛋来模拟杨利伟,请各小组合作,设计一个保护装置模拟太空舱,材料不限,要求装置从 4 楼抛下,鸡蛋不破,距离落点越近(直径一米的圆圈),装置越轻者获胜。
STEAM课程是要解决生活中的问题,熟悉的情境,真实的问题最能引发学生的兴趣。我通过再现生活中真实发生的、能引起学生共鸣的场景,把学生引导到太空舱设计的项目上,再以问题为导向,让学生自发提出项目需要满足的要求,学生参与度大大提高。
深挖素材,注重多学科知识融合
不同于以往切入点小,问题简单的科学探究活动,基于项目为导向的探究面临更复杂的问题,需要综合运用多学科知识和技能。我们平时的学习受学科和章节的影响,人为将知识割裂。Steam 教育讲求多学科融合,STEAM 代表科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、艺术(Arts)、数学(Mathematics)。
在该理念指导下,作者仔细分析了鸡蛋撞地球这个项目,运用到了延长缓冲时间的科学原理,不同形状牢固程度不同,所需材料数量不同的数学原理,选择不同材料并组装成成品的工程与技术问题……
按照这个思路,作者在后面的拓展课程主题设置上,注重学科整合。如制作走马灯,灯为什么能转动,包含了哪些科学原理,怎样剪裁和拼接,涉及哪些技术问题,美化和装饰属于艺术范畴,用电子元件代替蜡烛作为动力的设计则包含了工程设计的理念;
看似简单的吹肥皂泡活动,也被设计成几个课时,
第一课时原理探究“能不能吹一个方形的肥皂泡?”“肥皂泡的颜色”“比一比谁的肥皂泡大?”“谁的泡泡塔层数多?”
第二课时“如何让泡泡吹得更大?探究最佳溶液配比”。
第三课时,调查研究市面上的吹泡器,配比、价格,算一算经济账,分析最受欢迎的产品特点,写一份调查报告。
项目驱动下的体验式学习和不断改进措施
平时的科学探究是基于已有的知识和经验,在老师的引导下,学生提出问题,建立假设、设计方案、收集证据、得出结论、评价交流。
整个活动以问题驱动和实验设计为核心,学生动手动脑合作完成实验。一般是验证性实验,很少要求生产出成品。而STEAM理念指导下的探究,由项目驱动,以学生自主学习为主,通过体验来学习。工程设计是核心,任务模糊,但是要求有明确的结果,生产出成品。
鸡蛋撞地球活动,涉及冲量的概念,初中生对此比较陌生,作者也并没有补充讲解冲量的原理。学生根据生活经验,比如水果外面包裹塑料网防撞伤,联想到给鸡蛋包裹一个防撞的材料,或者给鸡蛋加降落伞让速度减慢。要充分肯定学生从生活中学习到的智慧,即使他并不明白背后蕴含的科学原理。作者简单告知他们,减速和缓冲两条思路都是正确的,这里用到了冲量的科学原理,大家可以去查阅相关资料。具体方法可以多样,比如裹塑料泡沫可以增强缓冲能力,那么还能用别的材料,或者别的形状来提高缓冲能力吗?
在走马灯的设计中,作者直接播放了《樱桃小丸子》走马灯一集的片段,让他们观察、思考走马灯的工作原理是什么。在没有任何知识储备和生活经验的情况下,模仿是学习的第一步,然后才有改进。
项目的实施,不可能是一蹴而就的。产品的设计也需要不断打磨和改进。在鸡蛋撞地球的活动项目中,作者们就分了三个阶段:
第一阶段提出问题。各小组分工合作,根据生活经验设计图纸,按照图纸和给定的材料(作者提前提供了一些材料:气球、A4纸、竹签、棉线、透明胶、矿泉水瓶、塑料袋)组装完成自己的装置,初步进行测试和反馈。实验结果十个一小组,有三组未在规定时间内完成,有一组还未进行比赛鸡蛋就破裂了。剩下参与比赛的六组鸡蛋破裂的有四组,有两组鸡蛋完好但是均未能入圈。(因为时间问题,第一次课仓促结束没来得及交流与评价)
第二阶段:第二次课,大家吸取了上一次比赛的经验教训,几乎没有人采用气球和降落伞,因为落点不准。设计主要集中在减震装置上,有用纸盒加泡沫的,有用竹签做成三棱锥的,有用两张 A4 纸卷成圆锥。里面塞泡沫的,还有用两个塑料袋充气保护的……据说是网上查阅过资料,明显比第一次的设计丰富多了。根据测试结果,还是出现了一些意外,比如三棱锥的竹签断了、A4 纸做的圆锥重心不稳,侧翻了……根据实验结果,再次讨论、修改、设计出可行性方案。
第三阶段:第三次课,正式比赛。最后的作品在安全性和准确度方面都有加强,用泡沫纸盒和竹签的各占一半。
走马灯设计也是分了多次课,先用纸杯和蜡烛仿造一个走马灯,再用扇面、扇叶组装法做一个走马灯,同时要求扇面设计美观。第三次课用电力代替风力设计组装走马灯,由于课时所限该项目并未来得及实施。
解决方案的多样性和评价的多元化
STEAM 教育理念下的探究,要求产生明确的结果,这个往往被理解为成品,但是作者认为不能狭义地把成品理解为产品。它可以是一个作品,一份调查报告,这样的成果和过程与方法同样重要。在鸡蛋撞地球的活动中,作者只注重了最后结果的评价,忽略了过程和方法,其实每个孩子在这个项目学习中都有收获和提高。
于是作者认真反思,作者们的评价方式应该更开放,更具个性化。要将学习者作为一个自主的人,对他的真实学习活动进行描述,随时记录下活动过程中的突发状况,以及复杂的环境对个人评估的影响。学生的科学精神、创新能力和合作能力应是重点考核指标。评价的方式可以是口头点评、活动记录表、研究日志、作品展览等,既有过程性评价,又有总结性评价,还有发展性评价,将一个全面而系统的评价体系贯穿于整个教学过程。
STEAM课程不但能提升学生的科学素养,还为学生认识世界建立了一座消除学科障碍的桥梁,它将知识的获取,方法、工具的使用以及创新的过程进行有机统一是大势所趋。
目前我国STEAM课程的设置和开展均处于摸索阶段。经过尝试,作者认为用STEAM教育理念改进科学拓展性课程是切实可行的,也是有效的。当然,因为个人能力有限,也存在一些遗憾,如果能整合其他学科的老师一起来完成主题设计和活动指导,引进校外的 3D 打印、机器人或创客教育资源,作者们的课程会呈现更高的水准和更佳的效果。
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