優(yōu)秀STEAM案例 | 鉆木取火

本案例“鉆木取火”闡述了STEM主題課程的開發(fā)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)目標(biāo)的確定、教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)反思等，重點(diǎn)展示了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)施的具體過程和遇到的困難以及突破的方法。以此說明，正是通過基于工程的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的過程，運(yùn)用數(shù)學(xué)、科學(xué)的知識(shí)解決方案和技術(shù)達(dá)成目標(biāo)，從而最終實(shí)現(xiàn)達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新人才的根本目的。

案例背景分析

開發(fā)緣由

筆者兼任中央電視臺(tái)科教頻道《走近科學(xué)》的欄目顧問，受邀擔(dān)任 2018 年改版的新節(jié)目《解碼科技史》的節(jié)目策劃，新欄目要制作一期《誰發(fā)現(xiàn)了氧氣》的節(jié)目，應(yīng)央視編導(dǎo)的要求，節(jié)目中需要錄制一段《鉆木取火》視頻，視頻內(nèi)容為現(xiàn)代人模仿古人進(jìn)行鉆木取火，這個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的任務(wù)就落在了筆者及學(xué)校的科技探索社團(tuán)的同學(xué)肩上。

學(xué)習(xí)者分析

擔(dān)任此次錄制任務(wù)的學(xué)生系北京市某重點(diǎn)中學(xué)的科技探索社團(tuán)的高二學(xué)生，他們學(xué)習(xí)基礎(chǔ)好，物理學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，基本掌握了初高中物理、化學(xué)等學(xué)科知識(shí)，在知識(shí)儲(chǔ)備方面，完全能勝任完成“鉆木取火”任務(wù)，且有科技背景，有較強(qiáng)的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題能力。“紙上得來終覺淺”，筆者期待借助工程思想理念的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)能力上得到有效的鍛煉，另一方面，通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)的來之不易，即便是像“鉆木取火”這樣一個(gè)似乎毫不費(fèi)勁的科學(xué)任務(wù)，但在實(shí)現(xiàn)的過程中仍艱辛無比，事實(shí)也證明如此。

主題課程設(shè)計(jì)

基于STEM的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)目標(biāo)分析

科學(xué)知識(shí)層面，主要以高中物理力學(xué)知識(shí)和化學(xué)學(xué)科中有關(guān)燃燒的知識(shí)為依托，主要有:運(yùn)用物理的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念，對(duì)木棍進(jìn)行受力分析和平衡條件的分析；運(yùn)用物理的能量觀念，分析鉆木取火過程中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系；分析燃燒的條件，經(jīng)歷完整的鉆木取火的科學(xué)探究過程，培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力；學(xué)會(huì)與他人合作，合理分工、協(xié)作，共同完成學(xué)習(xí)任務(wù)。技術(shù)與工程層面，主要是經(jīng)歷信息的搜索和整合，進(jìn)一步理解鉆木取火的原理和燃燒的條件；從實(shí)際生活中，尋找合適的可燃物和可燃器材，利用學(xué)校的通用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)技術(shù)，自行研制鉆木和鉆木輔助裝置等；而項(xiàng)目本身就是一個(gè)工程問題，工程問題及問題的解決都體現(xiàn)了問題驅(qū)動(dòng)下的STEM理念。在數(shù)學(xué)層面上，將數(shù)學(xué)作為有效的測算工具，主要完成鉆木輔助裝置的參數(shù)計(jì)算，以及實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的精確測算等。

主題課程的設(shè)計(jì)思路

本STEM的主題課程，以完成鉆木取火的實(shí)驗(yàn)任務(wù)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)展開，以小組合作學(xué)習(xí)的方式，通過基于工程的學(xué)習(xí)，運(yùn)用數(shù)學(xué)及科學(xué)探究，設(shè)計(jì)解決方案，親自動(dòng)腦動(dòng)手，通過技術(shù)達(dá)成目標(biāo)。

主題課程的具體教學(xué)過程

第一階段: 鉆木取火原理釋析和燃燒條件分析

(1)課題引入，播放網(wǎng)上野外生存短片——鉆木取火。

旁白：用一根木棍，通過雙手用力往復(fù)旋轉(zhuǎn)，持續(xù)摩擦木板，不久接觸處就會(huì)冒煙，木板燃起火星后，就得到火種，利用火種就可以引燃易燃品，從而完成鉆木取火的過程。

(2)以小組競爭的形式，將參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生分成兩小組，任命小組長，布置鉆木取火的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，準(zhǔn)備時(shí)間為一周，一周后以比賽的形式，看哪一組先完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)——生火。要求采取小組合作學(xué)習(xí)的方式，通過觀看視頻和網(wǎng)上檢索等，了解鉆木取火的原理及詳細(xì)的取火步驟，制定本組的實(shí)驗(yàn)方案，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材。

(3)兩小組展開熱烈的探討，統(tǒng)一小組意見，得出燃燒的 3 個(gè)關(guān)鍵條件：易燃品，氧氣，摩擦達(dá)到著火點(diǎn)(即燃點(diǎn))，三個(gè)條件缺一不可。

(4)針對(duì)以上3個(gè)關(guān)鍵條件，小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。設(shè)計(jì)意圖:通過互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大的信息檢索功能，分析鉆木取火的原理以及針對(duì)取火步驟分析燃燒條件，探討實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵點(diǎn)，繼而再根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)開始設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生體會(huì)要完成一個(gè)項(xiàng)目需要經(jīng)歷的一般流程，特別是從關(guān)鍵點(diǎn)切入是科學(xué)分解項(xiàng)目的依據(jù)和實(shí)驗(yàn)成功的保障。

第二階段: 鉆木工具的研制和準(zhǔn)備

這個(gè)階段歷時(shí)1周，各小組學(xué)生在查找文獻(xiàn)等參考資料的基礎(chǔ)上，在運(yùn)用物理知識(shí)進(jìn)行受力分析和平衡條件分析之后，同學(xué)們還就怎樣更容易燃燒，請(qǐng)教化學(xué)老師，化學(xué)老師給出的建議是:氧氣是助燃?xì)?，一定要留一個(gè)進(jìn)風(fēng)口，既能讓氧氣進(jìn)到里面，還能提高氧氣的濃度，從而保證充分燃燒。

兩小組最終確定完成實(shí)驗(yàn)所需的器材及材質(zhì)：木板用材質(zhì)比較軟的一大塊松木(在松木表面鑿出一處凹陷作為鉆眼)，如圖1甲所示，學(xué)生給它鉆孔；在制作鉆木用的木棍時(shí)，如圖1乙所示，先用小刀削尖，呈錐形，再把棍的前面的頭稍微磨鈍點(diǎn)，好讓它跟木板的摩擦更充分，也讓摩擦力變得更大。學(xué)生們還找來了很多易燃物以做引火用，有涂了乙醚的棉花、報(bào)紙，還有用鐵鋸鋸出的松木屑，如圖1丙所示。為了固定木棍，第一小組還自己制作了一個(gè)輔助工具，如圖2所示，讓木棍插在輔助工具的孔里，以保證木棍在鉆的過程中不會(huì)左偏右倒。

設(shè)計(jì)意圖：這是一個(gè)讓學(xué)生運(yùn)用物理和化學(xué)的原理，借助數(shù)學(xué)工具，親自動(dòng)腦動(dòng)手制作實(shí)驗(yàn)器材的過程。一方面要求學(xué)生理解古人鉆木取火的原義，學(xué)習(xí)運(yùn)用科學(xué)知識(shí)于實(shí)際問題中，完成器材的制作；另一方面，這個(gè)過程也有助于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的能力和分工合作的精神。

第三階段: 鉆木取火實(shí)驗(yàn)及改進(jìn)

在一個(gè)極其寒冷的冬日的上午，兩小組同學(xué)開始了鉆木取火實(shí)驗(yàn)競賽。兩小組都派出了力氣最大的“大力士”同學(xué)直接用手鉆木，如圖3所示，但用力過猛，木棍從中截?cái)?，換上準(zhǔn)備好的新木棍再來，兩小組不斷地?fù)Q人，參加實(shí)驗(yàn)的同學(xué)都盡可能用最大的力，最快的速度，但都沒有任何效果，在經(jīng)歷了2個(gè)多小時(shí)的手鉆之后，第一次鉆木取火實(shí)驗(yàn)以失敗告終。

面對(duì)如此嚴(yán)峻的實(shí)驗(yàn)形勢，兩組同學(xué)決定化對(duì)手為合作伙伴，聯(lián)手共同克服困難。同學(xué)們分析失敗的原因主要是力氣不如古人大，一組的組長提議研制新的鉆木器材，對(duì)工具進(jìn)行升級(jí)改良。一番分工后，兩組同學(xué)投身到學(xué)校通用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室里各司其職，他們運(yùn)用3D激光切割機(jī)等先進(jìn)的工程技術(shù)研制出了“陀螺式”鉆桿，如圖4所示?！巴勇菔健便@桿是一個(gè)很精巧的機(jī)械裝置，它類似于陀螺的原理，使鉆木鉆得更快，即使手已經(jīng)停下來的時(shí)候，它還能繼續(xù)鉆，可以獲得穩(wěn)定而持續(xù)的旋轉(zhuǎn)。

學(xué)生制做了松木板、鉆桿和固定鉆桿等輔助工具，至此，升級(jí)版鉆木器件準(zhǔn)備就緒。有了“陀螺式”鉆桿的助陣，再做鉆木取火實(shí)驗(yàn)時(shí)，同學(xué)們戴上白手套，鉆木架勢十足，如圖5甲所示，尤其在轉(zhuǎn)速和持續(xù)時(shí)間上，都有明顯的增加。果然，沒過幾分鐘，就聞到了焦糊的松香味，加快鉆木后，就看到煙不斷地冒出來，如圖5乙所示。同學(xué)們興奮地從旁遞上木屑，棉花、報(bào)紙，多管齊下……實(shí)驗(yàn)又持續(xù)了幾個(gè)小時(shí)，在冒煙的基礎(chǔ)上，即使鉆桿從中間硬生生磨斷了3根，但都沒能把火點(diǎn)起來。但即便如此，每次看到木材冒煙，都讓同學(xué)們歡欣鼓舞，激動(dòng)不已。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，同學(xué)們分析為什么只見冒煙，不見火光，他們認(rèn)為有兩大可能原因：最大可能是進(jìn)風(fēng)口太小，冒煙后，由于拼命往里添引火物，導(dǎo)致氧氣進(jìn)入不夠或者進(jìn)風(fēng)口被引火物給堵死了；第二種，還是氣溫太低的原因，當(dāng)天環(huán)境溫度在0℃以下，摩擦后獲得的熱量不夠，溫度達(dá)不到著火點(diǎn)所致。

設(shè)計(jì)意圖：

本階段屬于典型的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)，觀察，質(zhì)疑，解釋；再實(shí)驗(yàn)，觀察，解釋。在一輪又一輪的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)探索中，學(xué)生的熱情高漲，思維的火花不斷被激發(fā)，不斷激勵(lì)著學(xué)生勇于探索、大膽嘗試；另一方面，經(jīng)歷了這個(gè)過程，同學(xué)們深深體會(huì)到科學(xué)的艱辛和來之不易，很多時(shí)候，我們只能非常接近成功的大門，而不能真正成功。但經(jīng)過科學(xué)“洗禮”的學(xué)生更能感受到科學(xué)有著如此美好的秉性，從而更加鐘愛科學(xué)，更有激情地去學(xué)習(xí)科學(xué)。

教學(xué)反思

STEM教育是注重體驗(yàn)性的。我們第一次如此深刻地理解了什么是科學(xué)，什么是真理。正如丁肇中所說:“所有的自然科學(xué)都是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)可以推翻理論，而理論永遠(yuǎn)無法推翻實(shí)驗(yàn)。因此實(shí)驗(yàn)對(duì)于自然科學(xué)來講非常重要?！睂?duì)之前的猜想進(jìn)行驗(yàn)證，正是基于一次次的科學(xué)探索，一次次實(shí)驗(yàn)論證，在一輪又一輪的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中，從而更真實(shí)地接近科學(xué)的真相。

有人說，STEM教學(xué)強(qiáng)調(diào)的是培養(yǎng)學(xué)生“帶走的能力”，而不是“背不動(dòng)的書包”，這正是STEM教育的意義之所在。通過項(xiàng)目式的學(xué)習(xí)過程，基于問題的模式的運(yùn)用，是提高學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑。一方面，使學(xué)生積極主動(dòng)地參與到學(xué)科教學(xué)和社會(huì)實(shí)踐中來，培養(yǎng)他們的主觀能動(dòng)性，學(xué)會(huì)獨(dú)立思考，勇于探究。另一方面，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用工程的理念去分析、處理實(shí)際問題，來訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和質(zhì)疑精神。

（本文來源：21CN青少年科創(chuàng)家）