摘要：以“全國青少年未來工程師博覽與競賽”的過山車比賽項目為例，結(jié)合STEM教育的理念，總結(jié)學(xué)生完成整個項目的過程.在整個項目的開展過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生運用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的知識，發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，分析問題和解決問題，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性解決問題的能力.

關(guān)鍵詞：過山車；創(chuàng)造能力；STEM教育

作者簡介：劉通（1994-），男，天津人，在讀研究生，研究方向：學(xué)科教學(xué)（物理）.

全國青少年未來工程師博覽與競賽是一項綜合運用科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)知識（STEM教育）的創(chuàng)新活動.已成功舉辦十三屆，一直倡導(dǎo)先進(jìn)的科技教育理念，強調(diào)活動中動手做的過程，注重創(chuàng)新設(shè)計項目和對動手實踐能力的培養(yǎng)，鼓勵學(xué)生們自由組隊并用自己設(shè)計與制作的作品進(jìn)行展示與競技，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與合作精神，提升青少年學(xué)生的工程與技術(shù)素養(yǎng).

筆者結(jié)合天津二十一中學(xué)參加全國青少年未來工程師博覽與競賽的“過山車”項目過程進(jìn)行分析.比賽選擇高二學(xué)生，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了圓周運動、機械能守恒等相關(guān)知識，并且綜合能力較強.整個過程以項目為驅(qū)動進(jìn)行學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生在完成項目的過程中進(jìn)行思考，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，整個教學(xué)過程注重知識的整合和運用，在了解基本原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行實施和優(yōu)化，在制作過程中不斷進(jìn)行測試和調(diào)整.既是對知識的學(xué)習(xí)和運用，也是對學(xué)生創(chuàng)造性解決問題能力的培養(yǎng).作為此次比賽的指導(dǎo)教師，在整個項目過程中應(yīng)該注意引導(dǎo)學(xué)生了解學(xué)習(xí)科學(xué)知識，運用學(xué)科知識理論解決實際問題，并努力在其中做出創(chuàng)造性設(shè)計[1].

1過山車任務(wù)要求

為了完成比賽背景下的過山車這一項目，同時加深學(xué)生對過山車項目的理解，在正式實施項目之前，指導(dǎo)教師帶領(lǐng)學(xué)生了解過山車比賽項目的基本要求和評分規(guī)則.在現(xiàn)有資料中，過山車的基本任務(wù)要求如下：（1）第一根軌道的起點高度必須為90cm，第二根軌道的終點必須距離底板3cm，并有收集裝置；（2）軌道必須完成四個規(guī)定動作：兩個直徑大于等于15cm的豎直平面的360°回旋，1個跨距大于等于10cm的等高點的飛躍，1個向上4cm的斷口的飛躍.順序不限；（3）第一根軌道的末端和第二根軌道的始端之間要有一個裝置，使運動到第一根軌道末端的鋼珠觸發(fā)第二根軌道的鋼珠開始運動；（4）從第一個鋼珠出發(fā)到第二個鋼珠到達(dá)終點，要求時間控制在15-20s.

2理論分析

在比賽的基本任務(wù)要求中，四個規(guī)定動作顯然是比賽的重難點，因此指導(dǎo)教師要求對這四個動作進(jìn)行詳細(xì)的理論分析.學(xué)生們將四個動作分為兩種運動形式——兩個完整的圓周運動和兩個斜拋運動.本文對其原理進(jìn)行分析.

21原理之360°圓環(huán)

結(jié)合實際運動情況，可將360°圓環(huán)動作分解為四段關(guān)鍵的運動過程——起步，上升，通過最高點和下降.最后將對這四個過程的分析進(jìn)行整合，得出完成完整的360°圓環(huán)動作必須具備的條件和需要注意的問題.

211起步

鋼珠小球的動能由開始時所具有的重力勢能轉(zhuǎn)換.假設(shè)鋼珠小球從高為H的點由靜止開始向下做加速運動，當(dāng)鋼珠小球運動到圓環(huán)最低點A時，受力情況如圖1所示，

根據(jù)機械能守恒定律可得：

mgh=12mv2A

212上升過程

鋼珠小球沿著軌道繼續(xù)向上運動.小球在B點受到重力mg和軌道對鋼珠小球的彈力N，如圖2所示.重力與彈力的合力支持小球做圓周運動，提供向心力Fn

下半圓：

Fn=N-mgcosθ=mv2Br

即N=mv2Br+mgcosθ

所以，只要速度不為零，軌道彈力N就大于零，小球不會脫離軌道.

上半圓：

Fn=mgcosθ+N=mv2cr

滿足N=mv2cr-mgcosθ≥0時，即vc≥grcosθ時彈力大于零，小球不會脫離軌道

綜上所述，鋼珠小球在A點獲得的速度取決于初始點的高度H.如果在A點沒有獲得足夠大的速度，在上升過程中彈力N減小到零，小球就會脫離軌道.

213圓環(huán)最高點

N=0時向心力完全由重力提供（圖3），此時有通過圓環(huán)軌道的最小速度

vmin=gr

214下降過程

鋼珠小球向下運動時，鋼珠小球?qū)⒆黾铀龠\動，與上升過程對稱.若已通過最高點，則完全可滿足小球不脫離軌道的條件.即鋼珠小球只要通過最高點就可通過剩下的圓環(huán).

由以上分析可知，當(dāng)最高點Fn=mg時，vmin=rg，此時有釋放鋼珠小球的最小高度.

根據(jù)機械能守恒有

mgh=mv2e2+2mgr

解得h=25r.

即當(dāng)h>25r時，鋼珠小球可安全且順利通過360°圓環(huán)[2].

22原理之“飛躍”

過山車運動中的平斷口飛躍和向上飛躍都為斜拋.斜拋分為豎直方向上的豎直上拋運動和水平方向的勻速直線運動（圖4）.

水平位移：x=vtcosα

豎直位移：y=vtcosα-gt22

水平速度：v水平=vcosα

豎直速度：v豎直=vsinα-gt

221飛躍平斷口10cm

由以上公式可得，射程s=2v2sinαcosαg=v2sin2α，易得射程S隨初速度v增大而增大，而且射程又與拋射角有關(guān)，當(dāng)拋射角為45°時射程最大.

當(dāng)sin2α一定時，速度v越大，射程S越大，則小球在軌道中飛躍越遠(yuǎn)；當(dāng)速度v一定時，sin2α越大，則小球在軌道中飛躍越遠(yuǎn).兩個變量，其中一個為定量時，另一個變量與射程S成線性關(guān)系.

222向上飛躍4cm

由以上公式可得，射高H=v2sin2α2g，易得射高H隨初速度v增大而增大，而且射高又與拋射角有關(guān)，當(dāng)拋射角為90°時，射高最大.

所以，當(dāng)角度α一定時，速度v越大，射高H越大，則小球飛躍的越高；當(dāng)速度v一定時，角度α越大，則小球在軌道中飛躍的越高.兩個變量，其中一個為定量時，另一個變量與射高H成線性關(guān)系.

綜上所述，為了更好地實現(xiàn)過山車的飛躍動作，選擇飛躍的位置時應(yīng)該選擇速度較大的位置進(jìn)行飛躍，調(diào)試向上飛躍時應(yīng)盡可能地加大飛躍角度α，調(diào)試斷口飛躍時則可以使拋射角度接近45°.

3設(shè)計觸發(fā)裝置

比賽要求小球在完成第一條軌道后啟動觸發(fā)裝置，使第二條軌道的小球開始運動.為了完成這一要求，指導(dǎo)教師要求學(xué)生們運用已學(xué)理論自行設(shè)計，同時可以在網(wǎng)上收集資料，最后教師與同學(xué)一起進(jìn)行討論，匯總篩選后得出以下四種方案.

31方案1——利用光電感應(yīng)開關(guān)實現(xiàn)觸發(fā)

原理：常開型光電感應(yīng)開關(guān)，光電開關(guān)有蘭棕黑三種線，其中蘭棕接電源正負(fù)極，黑色為信號線，連接一個馬達(dá)，并在馬達(dá)上粘上橫梁來使小球靜止.將光電開關(guān)置于第一條軌道末端，當(dāng)監(jiān)測到小球通過時，信號觸發(fā)，馬達(dá)轉(zhuǎn)動，橫梁不再阻擋小球，小球釋放.

優(yōu)缺點分析：利用光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號，使開關(guān)更像一個觸發(fā)器，想法有一定的可取之處，但由于小球沿軌道運行速度過大，光電開關(guān)的靈敏度影響是否能檢測到小球信號，存在一定風(fēng)險.

32方案2——杠桿原理實現(xiàn)電路接通

原理：在第一條軌道末端設(shè)計一個可撞擊的杠桿，杠桿另一端纏繞導(dǎo)線，當(dāng)小球完成第一條軌道撞擊杠桿時，另一端翻轉(zhuǎn)，與預(yù)設(shè)的導(dǎo)線相碰，實現(xiàn)電路聯(lián)通，馬達(dá)轉(zhuǎn)動，釋放小球.

優(yōu)缺點分析：只用簡單的電路就可以實現(xiàn)開關(guān)制作，體現(xiàn)了隊員獨特的想法和設(shè)計能力，但由于碰撞使得導(dǎo)線接觸時間短，失敗概率較大.

33方案3——撞擊實現(xiàn)觸發(fā)

原理：第一、第二條軌道在一條軌道上，將第二個小球靜止在軌道中段，當(dāng)?shù)谝粋€小球運動到其所在位置時直接通過撞擊實現(xiàn)觸發(fā).

優(yōu)缺點分析：撞擊觸發(fā)難度較低，易實現(xiàn)，穩(wěn)定，但由于簡單也失去了新意，且碰撞存在不穩(wěn)定因素.

34方案4——長杠桿實現(xiàn)觸發(fā)

原理：第一條軌道末端與第二條軌道起點在同一豎直線上，用PVC管當(dāng)作杠桿，當(dāng)?shù)谝粋€小球撞擊PVC管下端時，杠桿旋轉(zhuǎn)，碰撞第二個小球，實現(xiàn)觸發(fā).

優(yōu)缺點分析：整個裝置給人一種機械感，精密而且穩(wěn)定，但也有一個很嚴(yán)重的缺點，即第一個小球下落速度不確定，導(dǎo)致第二個小球初速度很不穩(wěn)定，易飛出軌道.

教師帶領(lǐng)學(xué)生將以上四種方案的優(yōu)缺點進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其中光電感應(yīng)開關(guān)制成的觸發(fā)器靈敏快捷，安裝過程不存在太多的障礙，且相對穩(wěn)定.同時開關(guān)將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，最后以機械運動的形式呈現(xiàn)出來，非常具有創(chuàng)新性和吸引力.因此在多種觸發(fā)裝置設(shè)計中，小組討論最終統(tǒng)一意見，選擇了光電感應(yīng)開關(guān)作為觸發(fā)裝置.

4實踐過程

41了解原理 設(shè)計框架

教師活動：向參賽學(xué)生簡單介紹基本原理和比賽規(guī)則，展示比賽資料.學(xué)生進(jìn)行分組，讓學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計，分工合作.

學(xué)生活動：根據(jù)比賽的要求，大致計算出所需框架長度和數(shù)量，以便采購材料.設(shè)計過山車最基本的外層框架.

設(shè)計意圖：通過教師介紹，學(xué)生直接了解比賽，對比賽規(guī)則有清楚的認(rèn)識，有利于后期開展過山車項目制作.先設(shè)計好最基礎(chǔ)的外層框架，軌道的設(shè)計和搭建工作才能由此展開.

42完成動作 改造創(chuàng)新

教師活動：與學(xué)生一起對規(guī)定動作進(jìn)行理論分析和定量計算，在必要的時候引導(dǎo)學(xué)生的思路.對學(xué)生的制作過程進(jìn)行指導(dǎo).

學(xué)生活動：在教師的輔助下完成理論分析，再選擇合適的高度進(jìn)行軌道設(shè)計.動手進(jìn)行軌道搭建，完成規(guī)定動作和項目制作.在動手過程中發(fā)現(xiàn)解決問題，并盡量給出創(chuàng)新性方案.

設(shè)計意圖：在遵循基本科學(xué)理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，有利于過山車項目的完成.同時也是讓學(xué)生溫習(xí)科學(xué)知識，并進(jìn)行實踐應(yīng)用.不干預(yù)學(xué)生制作過程，讓學(xué)生自己完成動手制作，這一過程能充分促進(jìn)學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，體現(xiàn)了STEM教育的理念.

43進(jìn)行調(diào)試 優(yōu)化細(xì)節(jié)

教師活動：對搭建完畢的過山車進(jìn)行檢查，指導(dǎo)學(xué)生對自己的過山車進(jìn)行整體調(diào)試，對設(shè)計作品進(jìn)行優(yōu)化.

學(xué)生活動：在調(diào)試過程中不斷觀察，發(fā)現(xiàn)問題并對軌道進(jìn)行修正優(yōu)化.在優(yōu)化的過程中思考能否進(jìn)一步創(chuàng)新性改造.

設(shè)計意圖：對過山車整體制作進(jìn)行調(diào)試、優(yōu)化時過山車運行過程更加流暢，控制過山車的運行時間，讓其更加符合比賽要求.調(diào)試優(yōu)化的過程也是對學(xué)生解決問題能力的培養(yǎng).

44參加比賽 總結(jié)經(jīng)驗

教師活動：帶領(lǐng)學(xué)生參加比賽，強調(diào)與其他參賽隊伍的過山車的比較，比賽結(jié)束后要求學(xué)生交流反思，對此次比賽進(jìn)行經(jīng)驗總結(jié).

學(xué)生活動：在參賽過程中用心觀察其他組比賽的過山車，與自己的作品進(jìn)行比較.在賽后互相交流，做好歸納總結(jié)，反思各組過山車的優(yōu)缺點（圖5）.

設(shè)計意圖：通過比賽讓學(xué)生對自己的過山車有一個清晰、客觀的認(rèn)識，在與別人進(jìn)行比較時能發(fā)現(xiàn)彼此設(shè)計制作的優(yōu)缺點，發(fā)現(xiàn)自己的過山車不足以便進(jìn)一步優(yōu)化，認(rèn)識到自己的優(yōu)缺點增強自信.在比賽后進(jìn)行反思，讓學(xué)生淡化輸贏的觀念，深化學(xué)生對“學(xué)習(xí)”的認(rèn)識.

5教學(xué)反思

整個教學(xué)過程以項目式學(xué)習(xí)為核心，學(xué)生在自己整理過山車資料和設(shè)計制作的過程中，提高了相關(guān)的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)素養(yǎng).教師作為引導(dǎo)者引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，由學(xué)生自己利用科學(xué)知識進(jìn)行理論分析和實踐，對過山車工程項目進(jìn)行細(xì)致的了解后進(jìn)行自主創(chuàng)新性設(shè)計，最后完成了自己的過山車工程制作，這是對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

51提升學(xué)生的實踐能力

學(xué)生自己動手操作實踐這一環(huán)節(jié)，則驗證了學(xué)生之前進(jìn)行的理論分析的結(jié)果，提高了學(xué)生對自己能力的自信，也彌補了傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生只看不做的缺陷.在動手實踐體驗的過程中，學(xué)生更能體會到各個零件的優(yōu)點，如在架設(shè)軌道時使用橫梁和軌道卡子的固定方法只能完成沒有落差的軌道鋪設(shè)，固定有落差的軌道時它們很容易使軌道發(fā)生變形；伸縮橫梁的優(yōu)點則使它能360°旋轉(zhuǎn)，在軌道固定時使用伸縮橫梁則可以很好地保持軌道落差的穩(wěn)定性.

52學(xué)會方案選擇及優(yōu)化

學(xué)生在搭建過程和調(diào)試過程中遇到問題時，必須積極主動地去思考解決方案，尤其是面臨自主設(shè)計部分存在的問題時，對學(xué)生創(chuàng)新性解決問題能力的提升非常顯著.如作為軌道的部分PVC管子無法拉直，因此，學(xué)生選擇順著管子本身的形狀去設(shè)計軌道，同時使用更多的軌道卡子將軌道固定.在選用自己設(shè)計的光電開關(guān)作為觸發(fā)裝置時，小球最后滑落的速度過快，感應(yīng)器很難捕捉到光信號，很容易失?。粸榇?，學(xué)生自己設(shè)計了一個杠桿，一端裝上一個寬塑料片，一端裝上一個自制碰撞器，小球滑下來的時候直接撞在碰撞器上將碰撞器彈開，另一端的寬紙片隨之降下來遮擋光線，使感應(yīng)器更好地捕捉到光線變化，從而開啟觸發(fā)裝置，另一個小球開始運動.

53合作交流共同進(jìn)步

將學(xué)生分組，學(xué)生與組內(nèi)的同學(xué)一起討論、研究和制作，既培養(yǎng)了學(xué)生合作共贏的團隊意識，增進(jìn)彼此之間友誼，又提高了學(xué)生交往能力的同時還能互相交流經(jīng)驗，更有利于大家共同進(jìn)步.如觀察其他組的過山車時，學(xué)生們進(jìn)行了交流，最后還總結(jié)出，小球做圓環(huán)和飛躍的動作時都需要較大的速度，否則不能完成動作；在彎道處則速度不宜過大，否則小球很容易沖出軌道.如果恰好把圓環(huán)或飛躍動作設(shè)計在彎道前后，就使得前后搭配不當(dāng)，過山車項目很容易失敗.

54項目教學(xué)實踐的不足

采用探索式教學(xué)方法，忽略了部分學(xué)生實踐經(jīng)驗不足的問題，只在開始時講明比賽規(guī)則，提供部分資料，導(dǎo)致學(xué)生在起步階段對過山車項目認(rèn)識不足，花費了大量時間摸索各個零件的使用方法，進(jìn)度緩慢.學(xué)生缺乏洞察力，只注重眼前遇到的問題，在沒有太多資料的指導(dǎo)下進(jìn)行開放性設(shè)計，沒有使用足夠的框架進(jìn)行支撐，軌道設(shè)計過于曲折，這樣制作出的過山車軌道很不穩(wěn)定，給后期調(diào)試帶來了極大的困難；比賽時發(fā)現(xiàn)，其他組則使用了更多框架將軌道固定，這樣軌道不易變形，小球運動更加穩(wěn)定[3].

參考文獻(xiàn)：

[1] 張惠玲 實施學(xué)生項目學(xué)習(xí) 培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)——對學(xué)生課題“研制水火箭并研究水火箭的運動”的案例研究[J].實驗教學(xué)與儀器， 2016， 33（10）：3-6

[2] 程柏 豎直面上的圓周運動對稱位置受力特點分析[J].中學(xué)物理， 2016， 34（3）：75-76

[3] 佚名 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性解決問題能力的研究——未來工程師項目回顧與展望//中國公民科學(xué)素質(zhì)報告[M].北京：社會科學(xué)文獻(xiàn)出版社， 2014