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)設計、學習目標的確定、教學實踐和教學反思等，重點展示了項目式學習實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目式學習的過程，運用數(shù)學、科學的知識解決方案和技術達成目標，從而最終實現(xiàn)達到培養(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科教頻道《走近科學》的欄目顧問，受邀擔任 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，應央視編導的要求，節(jié)目中需要錄制一段《鉆木取火》視頻，視頻內容為現(xiàn)代人模仿古人進行鉆木取火，這個科學實驗的任務就落在了筆者及學校的科技探索社團的同學肩上。

學習者分析

擔任此次錄制任務的學生系北京市某重點中學的科技探索社團的高二學生，他們學習基礎好，物理學習能力強，基本掌握了初高中物理、化學等學科知識，在知識儲備方面，完全能勝任完成“鉆木取火”任務，且有科技背景，有較強的動手能力和解決實際問題能力?！凹埳系脕斫K覺淺”，筆者期待借助工程思想理念的項目式學習，讓學生在實驗的創(chuàng)新和設計能力上得到有效的鍛煉，另一方面，通過項目式學習，讓學生體會到科學的來之不易，即便是像“鉆木取火”這樣一個似乎毫不費勁的科學任務，但在實現(xiàn)的過程中仍艱辛無比，事實也證明如此。

主題課程設計

基于STEM的項目式學習的教學目標分析

科學知識層面，主要以高中物理力學知識和化學學科中有關燃燒的知識為依托，主要有:運用物理的運動與相互作用觀念，對木棍進行受力分析和平衡條件的分析；運用物理的能量觀念，分析鉆木取火過程中的能量轉化關系；分析燃燒的條件，經(jīng)歷完整的鉆木取火的科學探究過程，培養(yǎng)解決實際問題的能力；學會與他人合作，合理分工、協(xié)作，共同完成學習任務。技術與工程層面，主要是經(jīng)歷信息的搜索和整合，進一步理解鉆木取火的原理和燃燒的條件；從實際生活中，尋找合適的可燃物和可燃器材，利用學校的通用技術實驗室的先進技術，自行研制鉆木和鉆木輔助裝置等；而項目本身就是一個工程問題，工程問題及問題的解決都體現(xiàn)了問題驅動下的STEM理念。在數(shù)學層面上，將數(shù)學作為有效的測算工具，主要完成鉆木輔助裝置的參數(shù)計算，以及實現(xiàn)能量轉換的精確測算等。

主題課程的設計思路

本STEM的主題課程，以完成鉆木取火的實驗任務的項目式學習展開，以小組合作學習的方式，通過基于工程的學習，運用數(shù)學及科學探究，設計解決方案，親自動腦動手，通過技術達成目標。

主題課程的具體教學過程

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，通過雙手用力往復旋轉，持續(xù)摩擦木板，不久接觸處就會冒煙，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，將參與實驗的學生分成兩小組，任命小組長，布置鉆木取火的實驗任務，準備時間為一周，一周后以比賽的形式，看哪一組先完成實驗任務——生火。要求采取小組合作學習的方式，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的取火步驟，制定本組的實驗方案，準備實驗器材。

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

(4)針對以上3個關鍵條件，小組設計實驗方案。設計意圖:通過互聯(lián)網(wǎng)強大的信息檢索功能，分析鉆木取火的原理以及針對取火步驟分析燃燒條件，探討實驗成功的關鍵點，繼而再根據(jù)關鍵點開始設計實驗方案，讓學生體會要完成一個項目需要經(jīng)歷的一般流程，特別是從關鍵點切入是科學分解項目的依據(jù)和實驗成功的保障。

第二階段: 鉆木工具的研制和準備

這個階段歷時1周，各小組學生在查找文獻等參考資料的基礎上，在運用物理知識進行受力分析和平衡條件分析之后，同學們還就怎樣更容易燃燒，請教化學老師，化學老師給出的建議是:氧氣是助燃氣，一定要留一個進風口，既能讓氧氣進到里面，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驗所需的器材及材質：木板用材質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，學生給它鉆孔；在制作鉆木用的木棍時，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，好讓它跟木板的摩擦更充分，也讓摩擦力變得更大。學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左偏右倒。

設計意圖：這是一個讓學生運用物理和化學的原理，借助數(shù)學工具，親自動腦動手制作實驗器材的過程。一方面要求學生理解古人鉆木取火的原義，學習運用科學知識于實際問題中，完成器材的制作；另一方面，這個過程也有助于培養(yǎng)學生實驗操作的能力和分工合作的精神。

第三階段: 鉆木取火實驗及改進

在一個極其寒冷的冬日的上午，兩小組同學開始了鉆木取火實驗競賽。兩小組都派出了力氣最大的“大力士”同學直接用手鉆木，如圖3所示，但用力過猛，木棍從中截斷，換上準備好的新木棍再來，兩小組不斷地換人，參加實驗的同學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個多小時的手鉆之后，第一次鉆木取火實驗以失敗告終。

面對如此嚴峻的實驗形勢，兩組同學決定化對手為合作伙伴，聯(lián)手共同克服困難。同學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，對工具進行升級改良。一番分工后，兩組同學投身到學校通用技術實驗室里各司其職，他們運用3D激光切割機等先進的工程技術研制出了“陀螺式”鉆桿，如圖4所示?！巴勇菔健便@桿是一個很精巧的機械裝置，它類似于陀螺的原理，使鉆木鉆得更快，即使手已經(jīng)停下來的時候，它還能繼續(xù)鉆，可以獲得穩(wěn)定而持續(xù)的旋轉。

學生制做了松木板、鉆桿和固定鉆桿等輔助工具，至此，升級版鉆木器件準備就緒。有了“陀螺式”鉆桿的助陣，再做鉆木取火實驗時，同學們戴上白手套，鉆木架勢十足，如圖5甲所示，尤其在轉速和持續(xù)時間上，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。同學們興奮地從旁遞上木屑，棉花、報紙，多管齊下……實驗又持續(xù)了幾個小時，在冒煙的基礎上，即使鉆桿從中間硬生生磨斷了3根，但都沒能把火點起來。但即便如此，每次看到木材冒煙，都讓同學們歡欣鼓舞，激動不已。

實驗結束后，同學們分析為什么只見冒煙，不見火光，他們認為有兩大可能原因：最大可能是進風口太小，冒煙后，由于拼命往里添引火物，導致氧氣進入不夠或者進風口被引火物給堵死了；第二種，還是氣溫太低的原因，當天環(huán)境溫度在0℃以下，摩擦后獲得的熱量不夠，溫度達不到著火點所致。

設計意圖：

本階段屬于典型的科學探究實驗過程，實驗，觀察，質疑，解釋；再實驗，觀察，解釋。在一輪又一輪的實驗改進探索中，學生的熱情高漲，思維的火花不斷被激發(fā)，不斷激勵著學生勇于探索、大膽嘗試；另一方面，經(jīng)歷了這個過程，同學們深深體會到科學的艱辛和來之不易，很多時候，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“洗禮”的學生更能感受到科學有著如此美好的秉性，從而更加鐘愛科學，更有激情地去學習科學。

教學反思

STEM教育是注重體驗性的。我們第一次如此深刻地理解了什么是科學，什么是真理。正如丁肇中所說:“所有的自然科學都是實驗科學，實驗可以推翻理論，而理論永遠無法推翻實驗。因此實驗對于自然科學來講非常重要?！睂χ暗牟孪脒M行驗證，正是基于一次次的科學探索，一次次實驗論證，在一輪又一輪的實驗改進中，從而更真實地接近科學的真相。

有人說，STEM教學強調的是培養(yǎng)學生“帶走的能力”，而不是“背不動的書包”，這正是STEM教育的意義之所在。通過項目式的學習過程，基于問題的模式的運用，是提高學生創(chuàng)新能力的有效途徑。一方面，使學生積極主動地參與到學科教學和社會實踐中來，培養(yǎng)他們的主觀能動性，學會獨立思考，勇于探究。另一方面，培養(yǎng)學生運用工程的理念去分析、處理實際問題，來訓練和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力和質疑精神。

（本文來源：21CN青少年科創(chuàng)家）