培养学生创造性解决问题能力的实践研究

摘要：以“全国青少年未来工程师博览与竞赛”的过山车比赛项目为例，结合STEM教育的理念，总结学生完成整个项目的过程.在整个项目的开展过程中，教师引导学生运用科学、技术、工程、数学的知识，发现问题，提出问题，分析问题和解决问题，培养学生创造性解决问题的能力.

关键词：过山车；创造能力；STEM教育

作者简介：刘通（1994-），男，天津人，在读研究生，研究方向：学科教学（物理）.

全国青少年未来工程师博览与竞赛是一项综合运用科学、技术、工程与数学知识（STEM教育）的创新活动.已成功举办十三届，一直倡导先进的科技教育理念，强调活动中动手做的过程，注重创新设计项目和对动手实践能力的培养，鼓励学生们自由组队并用自己设计与制作的作品进行展示与竞技，旨在培养学生的创新能力与合作精神，提升青少年学生的工程与技术素养.

笔者结合天津二十一中学参加全国青少年未来工程师博览与竞赛的“过山车”项目过程进行分析.比赛选择高二学生，学生已经学习了圆周运动、机械能守恒等相关知识，并且综合能力较强.整个过程以项目为驱动进行学习，引导学生在完成项目的过程中进行思考，培养学生解决问题的能力，整个教学过程注重知识的整合和运用，在了解基本原理的基础上进行实施和优化，在制作过程中不断进行测试和调整.既是对知识的学习和运用，也是对学生创造性解决问题能力的培养.作为此次比赛的指导教师，在整个项目过程中应该注意引导学生了解学习科学知识，运用学科知识理论解决实际问题，并努力在其中做出创造性设计[1].

1过山车任务要求

为了完成比赛背景下的过山车这一项目，同时加深学生对过山车项目的理解，在正式实施项目之前，指导教师带领学生了解过山车比赛项目的基本要求和评分规则.在现有资料中，过山车的基本任务要求如下：（1）第一根轨道的起点高度必须为90cm，第二根轨道的终点必须距离底板3cm，并有收集装置；（2）轨道必须完成四个规定动作：两个直径大于等于15cm的竖直平面的360°回旋，1个跨距大于等于10cm的等高点的飞跃，1个向上4cm的断口的飞跃.顺序不限；（3）第一根轨道的末端和第二根轨道的始端之间要有一个装置，使运动到第一根轨道末端的钢珠触发第二根轨道的钢珠开始运动；（4）从第一个钢珠出发到第二个钢珠到达终点，要求时间控制在15-20s.

2理论分析

在比赛的基本任务要求中，四个规定动作显然是比赛的重难点，因此指导教师要求对这四个动作进行详细的理论分析.学生们将四个动作分为两种运动形式——两个完整的圆周运动和两个斜抛运动.本文对其原理进行分析.

21原理之360°圆环

结合实际运动情况，可将360°圆环动作分解为四段关键的运动过程——起步，上升，通过最高点和下降.最后将对这四个过程的分析进行整合，得出完成完整的360°圆环动作必须具备的条件和需要注意的问题.

211起步

钢珠小球的动能由开始时所具有的重力势能转换.假设钢珠小球从高为H的点由静止开始向下做加速运动，当钢珠小球运动到圆环最低点A时，受力情况如图1所示，

根据机械能守恒定律可得：

mgh=12mv2A

212上升过程

钢珠小球沿着轨道继续向上运动.小球在B点受到重力mg和轨道对钢珠小球的弹力N，如图2所示.重力與弹力的合力支持小球做圆周运动，提供向心力Fn

下半圆：

Fn=N-mgcosθ=mv2Br

即N=mv2Br+mgcosθ

所以，只要速度不为零，轨道弹力N就大于零，小球不会脱离轨道.

上半圆：

Fn=mgcosθ+N=mv2cr

满足N=mv2cr-mgcosθ≥0时，即vc≥grcosθ时弹力大于零，小球不会脱离轨道

综上所述，钢珠小球在A点获得的速度取决于初始点的高度H.如果在A点没有获得足够大的速度，在上升过程中弹力N减小到零，小球就会脱离轨道.

213圆环最高点

N=0时向心力完全由重力提供（图3），此时有通过圆环轨道的最小速度

vmin=gr

214下降过程

钢珠小球向下运动时，钢珠小球将做加速运动，与上升过程对称.若已通过最高点，则完全可满足小球不脱离轨道的条件.即钢珠小球只要通过最高点就可通过剩下的圆环.

由以上分析可知，当最高点Fn=mg时，vmin=rg，此时有释放钢珠小球的最小高度.

根据机械能守恒有

mgh=mv2e2+2mgr

解得h=25r.

即当h>25r时，钢珠小球可安全且顺利通过360°圆环[2].

22原理之“飞跃”

过山车运动中的平断口飞跃和向上飞跃都为斜抛.斜抛分为竖直方向上的竖直上抛运动和水平方向的匀速直线运动（图4）.

水平位移：x=vtcosα

竖直位移：y=vtcosα-gt22

水平速度：v水平=vcosα

竖直速度：v竖直=vsinα-gt

221飞跃平断口10cm

由以上公式可得，射程s=2v2sinαcosαg=v2sin2α，易得射程S随初速度v增大而增大，而且射程又与抛射角有关，当抛射角为45°时射程最大.

当sin2α一定时，速度v越大，射程S越大，则小球在轨道中飞跃越远；当速度v一定时，sin2α越大，则小球在轨道中飞跃越远.两个变量，其中一个为定量时，另一个变量与射程S成线性关系.

222向上飞跃4cm

由以上公式可得，射高H=v2sin2α2g，易得射高H随初速度v增大而增大，而且射高又与抛射角有关，当抛射角为90°时，射高最大.

所以，当角度α一定时，速度v越大，射高H越大，则小球飞跃的越高；当速度v一定时，角度α越大，则小球在轨道中飞跃的越高.两个变量，其中一个为定量时，另一个变量与射高H成线性关系.

综上所述，为了更好地实现过山车的飞跃动作，选择飞跃的位置时应该选择速度较大的位置进行飞跃，调试向上飞跃时应尽可能地加大飞跃角度α，调试断口飞跃时则可以使抛射角度接近45°.

3设计触发装置

比赛要求小球在完成第一条轨道后启动触发装置，使第二条轨道的小球开始运动.为了完成这一要求，指导教师要求学生们运用已学理论自行设计，同时可以在网上收集资料，最后教师与同学一起进行讨论，汇总筛选后得出以下四种方案.

31方案1——利用光电感应开关实现触发

原理：常开型光电感应开关，光电开关有兰棕黑三种线，其中兰棕接电源正负极，黑色为信号线，连接一个马达，并在马达上粘上横梁来使小球静止.将光电开关置于第一条轨道末端，当监测到小球通过时，信号触发，马达转动，横梁不再阻挡小球，小球释放.

优缺点分析：利用光学信号转换为电信号，使开关更像一个触发器，想法有一定的可取之处，但由于小球沿轨道运行速度过大，光电开关的灵敏度影响是否能检测到小球信号，存在一定风险.

32方案2——杠杆原理实现电路接通

原理：在第一条轨道末端设计一个可撞击的杠杆，杠杆另一端缠绕导线，当小球完成第一条轨道撞击杠杆时，另一端翻转，与预设的导线相碰，实现电路联通，马达转动，释放小球.

优缺点分析：只用简单的电路就可以实现开关制作，体现了队员独特的想法和设计能力，但由于碰撞使得导线接触时间短，失败概率较大.

33方案3——撞击实现触发

原理：第一、第二条轨道在一条轨道上，将第二个小球静止在轨道中段，当第一个小球运动到其所在位置时直接通过撞击实现触发.

优缺点分析：撞击触发难度较低，易实现，稳定，但由于简单也失去了新意，且碰撞存在不稳定因素.

34方案4——长杠杆实现触发

原理：第一条轨道末端与第二条轨道起点在同一竖直线上，用PVC管当作杠杆，当第一个小球撞击PVC管下端时，杠杆旋转，碰撞第二个小球，实现触发.

优缺点分析：整个装置给人一种机械感，精密而且稳定，但也有一个很严重的缺点，即第一个小球下落速度不确定，导致第二个小球初速度很不稳定，易飞出轨道.

教师带领学生将以上四种方案的优缺点进行比较，发现其中光电感应开关制成的触发器灵敏快捷，安装过程不存在太多的障碍，且相对稳定.同时开关将光信号转变为电信号，最后以机械运动的形式呈现出来，非常具有创新性和吸引力.因此在多种触发装置设计中，小组讨论最终统一意见，选择了光电感应开关作为触发装置.

4实践过程

41了解原理 设计框架

教师活动：向参赛学生简单介绍基本原理和比赛规则，展示比赛资料.学生进行分组，让学生进行自主设计，分工合作.

学生活动：根据比赛的要求，大致计算出所需框架长度和数量，以便采购材料.设计过山车最基本的外层框架.

设计意图：通过教师介绍，学生直接了解比赛，对比赛规则有清楚的认识，有利于后期开展过山车项目制作.先设计好最基础的外层框架，轨道的设计和搭建工作才能由此展开.

42完成动作 改造创新

教师活动：与学生一起对规定动作进行理论分析和定量计算，在必要的時候引导学生的思路.对学生的制作过程进行指导.

学生活动：在教师的辅助下完成理论分析，再选择合适的高度进行轨道设计.动手进行轨道搭建，完成规定动作和项目制作.在动手过程中发现解决问题，并尽量给出创新性方案.

设计意图：在遵循基本科学理论的基础上进行设计，有利于过山车项目的完成.同时也是让学生温习科学知识，并进行实践应用.不干预学生制作过程，让学生自己完成动手制作，这一过程能充分促进学生的主动性和创造性，体现了STEM教育的理念.

43进行调试 优化细节

教师活动：对搭建完毕的过山车进行检查，指导学生对自己的过山车进行整体调试，对设计作品进行优化.

学生活动：在调试过程中不断观察，发现问题并对轨道进行修正优化.在优化的过程中思考能否进一步创新性改造.

设计意图：对过山车整体制作进行调试、优化时过山车运行过程更加流畅，控制过山车的运行时间，让其更加符合比赛要求.调试优化的过程也是对学生解决问题能力的培养.

44参加比赛 总结经验

教师活动：带领学生参加比赛，强调与其他参赛队伍的过山车的比较，比赛结束后要求学生交流反思，对此次比赛进行经验总结.

学生活动：在参赛过程中用心观察其他组比赛的过山车，与自己的作品进行比较.在赛后互相交流，做好归纳总结，反思各组过山车的优缺点（图5）.

设计意图：通过比赛让学生对自己的过山车有一个清晰、客观的认识，在与别人进行比较时能发现彼此设计制作的优缺点，发现自己的过山车不足以便进一步优化，认识到自己的优缺点增强自信.在比赛后进行反思，让学生淡化输赢的观念，深化学生对“学习”的认识.

5教学反思

整个教学过程以项目式学习为核心，学生在自己整理过山车资料和设计制作的过程中，提高了相关的科学、技术、工程和数学素养.教师作为引导者引导学生进行探究式学习，由学生自己利用科学知识进行理论分析和实践，对过山车工程项目进行细致的了解后进行自主创新性设计，最后完成了自己的过山车工程制作，这是对学生创新能力的培养.

51提升学生的实践能力

学生自己动手操作实践这一环节，则验证了学生之前进行的理论分析的结果，提高了学生对自己能力的自信，也弥补了传统教学中学生只看不做的缺陷.在动手实践体验的过程中，学生更能体会到各个零件的优点，如在架设轨道时使用横梁和轨道卡子的固定方法只能完成没有落差的轨道铺设，固定有落差的轨道时它们很容易使轨道发生变形；伸缩横梁的优点则使它能360°旋转，在轨道固定时使用伸缩横梁则可以很好地保持轨道落差的稳定性.

52学会方案选择及优化

学生在搭建过程和调试过程中遇到问题时，必须积极主动地去思考解决方案，尤其是面临自主设计部分存在的问题时，对学生创新性解决问题能力的提升非常显著.如作为轨道的部分PVC管子无法拉直，因此，学生选择顺着管子本身的形状去设计轨道，同时使用更多的轨道卡子将轨道固定.在选用自己设计的光电开关作为触发装置时，小球最后滑落的速度过快，感应器很难捕捉到光信号，很容易失败；为此，学生自己设计了一个杠杆，一端装上一个宽塑料片，一端装上一个自制碰撞器，小球滑下来的时候直接撞在碰撞器上将碰撞器弹开，另一端的宽纸片随之降下来遮挡光线，使感应器更好地捕捉到光线变化，从而开启触发装置，另一个小球开始运动.

53合作交流共同进步

将学生分组，学生与组内的同学一起讨论、研究和制作，既培养了学生合作共赢的团队意识，增进彼此之间友谊，又提高了学生交往能力的同时还能互相交流经验，更有利于大家共同进步.如观察其他組的过山车时，学生们进行了交流，最后还总结出，小球做圆环和飞跃的动作时都需要较大的速度，否则不能完成动作；在弯道处则速度不宜过大，否则小球很容易冲出轨道.如果恰好把圆环或飞跃动作设计在弯道前后，就使得前后搭配不当，过山车项目很容易失败.

54项目教学实践的不足

采用探索式教学方法，忽略了部分学生实践经验不足的问题，只在开始时讲明比赛规则，提供部分资料，导致学生在起步阶段对过山车项目认识不足，花费了大量时间摸索各个零件的使用方法，进度缓慢.学生缺乏洞察力，只注重眼前遇到的问题，在没有太多资料的指导下进行开放性设计，没有使用足够的框架进行支撑，轨道设计过于曲折，这样制作出的过山车轨道很不稳定，给后期调试带来了极大的困难；比赛时发现，其他组则使用了更多框架将轨道固定，这样轨道不易变形，小球运动更加稳定[3].

参考文献：

[1] 张惠玲 实施学生项目学习 培养学生STEM素养——对学生课题“研制水火箭并研究水火箭的运动”的案例研究[J].实验教学与仪器， 2016， 33（10）：3-6

[2] 程柏 竖直面上的圆周运动对称位置受力特点分析[J].中学物理， 2016， 34（3）：75-76

[3] 佚名 培养学生创造性解决问题能力的研究——未来工程师项目回顾与展望//中国公民科学素质报告[M].北京：社会科学文献出版社， 2014