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←返回新闻动态STEAM课程之云霄飞车 | 文华小学
来源: 日期:2019-06-20 09:12:00

STEAM是科学(Science),技术(Technology),工程(Engineering),艺术(Arts),数学(Mathematics)五门学科英文首字母的缩写,其中科学在于认识世界、解释自然界的客观规律;技术和工程则是在尊重自然规律的基础上改造世界、实现对自然界的控制和利用、解决社会发展过程中遇到的难题;艺术在于发现自然和科学之美,提升发展和创造美的能力;数学则作为技术与工程学科的基础工具。由此可见,生活中发生的大多数问题需要应用多种学科的知识来共同解决。

 

 

为促进STEAM教育有效进入课堂,提高学生动手能力、激发学生创造能力,2019年4月,文华小学五年级组织了STEAM课程,“云霄飞车”便是其中之一。该项目旨在让学生亲自体验和参与其中,在不断实践的过程中,学生会逐渐加深对原理的理解,感受STEAM教育的内涵。

 

首先,老师通过一段简短的视频引入,向学生询问是否有坐过山车的经历,,坐过山车最终的感受是什么?当然是刺激!进而向学生揭示过山车刺激的来源在于随着高低起伏的轨道,飞驰的速度和瞬息万变的景观带来的是加速的脉搏心跳,让人欲罢不能。伴随着学生激烈的讨论向学生提问:如果是你来修建一架云霄飞车,你想怎么设计?

 

五花八门的答案喷涌而来,教师以视频中某一个云霄飞车为例讲解在制作云霄飞车过程中所要注意的问题和基本的架构原理。

 

 

云霄飞车的原理主要是能量守恒定理,在此之前老师已经跟同学简单介绍过能量守恒。能量包括我们日常生活中的光能、电能、水能、风能等形式的能量,机械能是能量的其中一种。它主要包括动能和势能,而势能又分为重力势能和弹性势能。而在这个小车的运动过程中,主要关系到了动能和重力势能的转化。我们知道,动能主要与它的质量和速度有关,而重力势能主要与质量和高度差有关,在这些基础的知识已经提前给学生介绍过的前提下,我们再来讲整个云霄飞车的基本原理就容易多了。

 

首先小车从一个相对较低的位置慢慢运转到A点,到达A点时小车的速度是非常慢的。它的高度在增加,所以这个时候的重力势能较大,也就是说在A点,小车获得了一个较大的重力势能。从A点下滑是自由下落不借助外力,从A点出发速度越来越大,这个速度是之前积攒的重力势能转化成动能而来,凭借这个速度,小车就能冲过较高的陡坡和较低的山谷。所以第一步也是最关键的一步,就要根据学生的图纸规划调整A点高度,确定好这一步后续的活动才能展开来,整个运行轨道也必须要有高低起伏以及必要的急转弯,这就是云霄飞车的基本运行理论。实验整体难度偏大,无论从设计构图还是后期拼插预计出现的问题也会较多,因此只在高年级推广,而必要的课前知识铺垫则显得必不可少。

 

既然理论知晓了,按照不同小组提前设计好的规划,同学们便开始了拼插活动。不同的小组有着不同的实验步骤,有的是先对着自己的图纸讨论,有的是组内先分工,谁负责看管哪一部分零件,避免丢失,有的则直接上手实验,在不断的错误和摸索中快速成长。

 

 

无论从哪一步开始,都需要搭建基本框架,那么第一个问题来了,电源的正负极如何判断?孩子们要么询问同小组同学,要么询问问老师,实在不行就动手装装试试,实验刚开始,成功的道路便有些坎坷,但同学们总有解决方法。解决了发动机的问题接下来就是螺旋转动装置和运转轨道的搭建,在这里,孩子们遇到的最大问题便是钢球无法自动准确的降落到轨道上。这时候便是考验小组团结的时候,每个人都会运用自己的方式积极主动的寻找解决方法,是否是转动合页安反了,或者是轨道位置错误,面对问题,孩子们比想象得更加乐观。

 

 

根据图纸继续往下拼插,有的小组速度很快,基本轨道很快就出来了;有的小组则是先组装零件,先把需要得零件都组装好。不同的小组则有着不同的默契,耳边时不时的能够听到小组的欢呼拼装完成,这便是最好的加油打气。孩子们的完成速度远快于老师预期,但基本的拼接完成并不代表它可以顺利的实现运转。正真的困难还在后面,调制过程开始。

 

 

轨道调制过程主要存在三个问题:第一,在急转弯时,钢珠极其容易滑落,这主要是因为偏转角度过小,而速度又很快,就会导致离心力过大,向心力不足。关于这部分我们可以举个例子,例如当火车在转弯的时候,在转弯圆弧处会受到一个向心力一个离心力。顾名思义,向心力就是让转动向中心靠近的,而离心力则是让转动偏离轨道的。而要使火车在转弯的时候安全通过弯道,就必须保证离心力不能大于向心力。火车转弯的离心力是由火车的质量、速度、转弯半径来决定的;而向心力就由轨道的倾斜度来提供。所以,一般的轨道在弯道的地方,两跟轨道都不会处于同一水平面。因此对于这个实验来说,只需要将角度变大或者将轨道外侧加高,自然而然就可以解决这个问题。

 

第二个问题是钢珠走到一半就停止运动,这主要是因为高度差不够,没有积攒足够的速度,重力势能转化而来的动能不足,这时只需观察钢珠停靠位置,确定停靠点后,将高度差变大即可。而最后的问题在于无法实现循环的运转,只能运转一次,钢珠就被卡到电机升降台附近,这主要还是由于刚开始制作时合页和轨道没有无缝连接,需要再调整。解决了以上问题,教室里很快就响起孩子们此起彼伏的欢呼声。远超想象,部分孩子们成功了。

 


 

实现了最基本的单钢珠运转,接下来的时间就是孩子们的脑洞时间:外型的优化,急转弯的增多,多钢珠运转,双轨道甚至多轨道运转无不体现着孩子们蓬勃的创造力。孩子们额头的汗珠与眉眼间的微笑相互辉映,欢声笑语在教室回响,骄傲的脸上无一不写满了“当然是我们组做的最棒了”的表情。最后经过激烈评选和艰难抉择,第三组同学凭借他们超强的耐力,完美的组内合作,新颖的创意以及相当复杂的构造,共同制作完成的“冲上云霄号”云霄飞车,凭借其双轨道,多个急转弯,高度差巨大,运转速度极快等诸多优点斩获本场比赛冠军。

 

 

实验结束,有的小组成功,则也有的小组在有限时间内一直调制失败,但最终八个小组,六组调制成功,仅余两组遗憾失败的硕硕战果无不让大家欣喜异常。随后各小组对自己的工作方法,失败或者成果的经验进行了总结和交流,希望下一次可以做的更好。老师相信无论结果成功与否,过程中的欢声笑语,聚精会神,愁眉不展,豁然开朗,灵机一动,团结合作都将是一笔极其宝贵的财富。

 


在整个“云霄飞车”的实验中,从前期知识储备、图纸策划,到中期的拼插过程,哪怕是偶尔意见不合的争执、化解,再到最后的运转成功,再改良,增加新的创意,这看似是个漫长的过程,但也绝对是个美好的过程。孩子们的收获也绝非只是飞车运转的那一刻的喜悦,对于STEAM课程的学习,孩子们有着天生的好奇心。孩子们从来不缺少想象力和创造力,他们缺少的只是一个尽情展示的舞台。通过这次STEAM课程“云宵飞车”,让文华小学看到了每一位孩子身上蕴藏着无穷潜力。让我们一起期待下次激情与创意的灵感碰撞!