小学STEAM教育的实践与思考——以“过山车”项目为例

陈逸权 珠海市香洲区甄贤小学

STEAM教育起源于美国，在1986年便明确提出“科学、技术、工程和数学”的教育纲领性建议；近年来越加重视，在2015年通过了《2015年STEM教育法》，在2016年出台《STEM2026》对美国未来10年的STEM教育提出新的规划。当下STEAM教育已经受到欧美各国的强烈推崇。我国在2016年印发的《教育信息化“十三五”规划》中首次提出有条件的地区要积极探索跨学科学习（STEAM教育）。STEAM教育是在STEM教育的基础上加入艺术（Art）；如美国苹果公司的产品，不仅工程技术含量高，且艺术感强，从而风靡全世界。我国小米公司的产品，也在致力走同样的路线。

STEAM教育致力于培养学生运用多学科知识进行解决问题以及探索创新的能力。下面笔者以“过山车”项目为例谈谈关于STEAM教育的一些思考。

1.“过山车”项目要求

2018年珠海市香洲区举行了第一届中小学STEAM大赛，过山车项目是其重点赛事之一。学生需要在有限的时间内搭建一个轨道过山车，让钢珠从轨道的顶部（其高度≥60cm）开始下滑，至少经过一个坡度（其落差高度≥3cm），最终必须落入纸杯收集装置中（其高度≥3cm）。钢珠的滑行时间与规定时间之间的差值越小，成绩越好。可以使用的材料有：基座PVC板、支柱PVC管、电子计时器和纸杯；可以使用的工具有：电动手动螺丝刀、剪刀、尺子、笔。

2.多学科知识的整合

笔者所接触到的许多小学教师们，说起STEAM教育，他们大部分都认为此就是科学的项目，仅仅是科学老师的任务。此普遍现象反映出教师们对STEAM教育存在较大的误解。STEAM教育最大的一个特征，就是多学科知识的整合，科学知识固然必不可少，数学知识更是STEAM各领域的关键基础。若在开展STEAM教育时，仅仅关注科学这一门课程知识，不注重将数学与科学、工程技术与艺术等知识的进行整合，或者直接忽略了数学等内容，那实际上就不叫STEAM教育，而是科学教育了。有时候，学生们也会产生这样的误解，仅从科学知识的角度去考虑问题，思路没有打开，没能跨学科地寻求解决问题的方案。

在2018年珠海香洲STEAM大赛的过山车项目中，学生需要在基座板作为支撑轨道的支柱。在准备比赛的学习过程中，我所教班级的徐灏团队，开始只是简单地大概把12根PVC管围起来，没有经过严密的思考。经过科学老师的指导后，徐灏团队装上的支柱围成了近似椭圆形，软管轨道围绕着椭圆柱形盘旋而下。这样处理的结果是，钢珠在轨道上滑行时，其离心力在有些地方突然增大，有些地方突然变小，调整控制起来的难度很大，钢珠滑行时间的精确度更难把握，细微的调整往往也是有点运气成分，实现不了与规定时间之间的差值为0。若科学老师更多地带着徐灏团队探索如何更好地细微调整，也许直到参加区里的比赛，都难实现0差值的目标。因为他们没有从数学等角度出发解决这个问题。

从数学的角度来说，可以把过山车支柱围成圆形，从而利用离心力公式便捷地计算出钢球滑行时的离心力大小范围，再调整相应位置的轨道倾斜度。

F=mv2/r（F表示离心力，m表示钢球质量，v表示钢球速度，r表示圆半径）

从工程技术的角度来说，这样的搭建也十分方便，利用笔和尺子，先在基座板上画出一个圆，再用螺丝螺套把PVC管支柱固定在基座板上即可。从艺术的角度来说，过山车轨道从圆柱形上高处盘旋而下，也比不规则柱形更有美感。

3.培养学生的创造能力

搭建过山车这类的动手实验通常被看作是培养学生创造能力的有效途径。但动手操作实验活动也有可能是徒劳无获的，尤其是当学生不能科学地思考问题时，更是无益。必须鼓励学生理性地思考所面对的情景，控制变量，检验假设等等。

如何控制钢球在过山车上滑行时间这个问题，学生的直观感觉是其应与起点的高度、轨道的长度、轨道的设计等有关。若在训练时，学生按照自己的喜好搭建好过山车后，再随机调整轨道，这样控制滑行时间是不科学，不理性的，达不到培养学生创造能力的目标，学生的思维也得不到有益的锻炼。

应该如何做呢？先从简单的开始，从控制各段轨道的滑行时间开始。可以先让学生有目的地搭建一段简单的轨道，利用电子计时器测出钢球第1次滑行这段轨道的时间。然后仅仅改变轨道的一个量（如升高或降低尾端的高度、设计一个爬坡、增加或减少滑行距离等等），再测量钢球第一次滑过这段轨道的时间。分析各个因素改变对滑行时间的影响，并把相关的实验数据全部记录下来，每天完成实验后还要进行总结。

本次过山车项目训练，徐灏团队在前两周没有进行变量控制实验，也没有记录实验数据，训练的效果非常不好。后两周按照上述要求改进训练方法后，他们便进步飞快，两者对比十分明显。

在比赛时，若想要精确地控制钢珠滑行的总时间，也不应该在搭建完过山车后再调整时间，而应搭建一段过山车就测量一次滑行时间，搭建完成后，再进行细微的调整。

总得来说，STEAM教育特别有利于帮助学生整合多学科的知识，有助于提高学生的创造能力等STEAM素养，但要注意不应该局限在科学教师的小圈子里，也不应该盲目地进行活动。