基于STEM理念设计制作新型篮球收纳器 | 2月教学

篮球基础动作：运球和投篮教学 #生活技巧# #运动锻炼技巧# #运动项目入门#

文/于艳

近年来，STEM教育已经成为国际科学教育的发展趋势，STEM教育强调多学科交叉融合，培养全面发展的创新型科技人才，与我国新课改倡导的“培养全面发展的人”不谋而合。目前，中学广泛应用的课程模式是分科教学模式，很少重视学科之间的联系，学生缺乏对知识进行整合、用所学知识解决现实生活中问题的能力。

笔者所在团队近期参加了以“数据驱动的课堂革命”为主题的中国未来学校大会，笔者所在学校开设了分会场——“创新，融合，发展——未来学校课程建设之STEM课程探索”。笔者为大会提供了一节观摩课——制作新型篮球收纳器模型。

STEM教育理论概述

STEM教育（STEMEducation）是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调在问题解决或项目设计的过程中将科学、技术、工程、数学四门独立的学科交叉融合在一起，提高学生的学习兴趣和实践创新能力。国内对STEM教育的研究起步较晚。

STEM教学具有跨学科、趣味性、情境性、合作性等特征，不仅要求教师具备跨学科的知识融合能力，还要求学生具备跨学科合作学习的能力，在合作中互动，在探究中学习，最能抹平知识理论与社会经验之间的鸿沟。基于STEM教育理念的教学，有助于加深学生对数学和科学等内容的理解。

制作新型篮球收纳器模型

一天中午，笔者去食堂的路上途经操场，看见一个初一的男生弯着腰在篮球收纳器里取球，指尖勉强够到了球，但很费力气，过了5分钟也没能拿出球。基于这种现象，笔者认为可以围绕学生遇到的问题作为项目式学习主题，试着制作新型篮球收纳器模型。

制作新型篮球收纳器模型的项目式学习任务划分为：发现现有篮球收纳器的缺点，小组合作完成新型模型的结构设计与制作。

发现问题。笔者将看到的现象制成了小视频：上体育课时，从篮球收纳器中取篮球时，个子高的同学弯腰可以取出篮球，可是个子不高的学生取低层的篮球就不那么容易了。一个个子不高的学生跷着脚，弯腰弯了很久，也只是手指尖刚刚碰到篮球。学校篮球收纳器见图1。

（图1）

基于这一问题，笔者决定和初二年级学生共同尝试为学校设计一种新型篮球收纳器模型。

提出问题。为学校做一种什么样的新型篮球收纳器模型呢？我们分组讨论。首先，师生共同分析现有篮球收纳器的优点以及缺点。优点：①现有的篮球收纳器用的是铁条，而不是铁板，这样不但节省材料，还大大减轻了收纳器本身的重量。②收纳器上了锁，有防护装置，这样更适合学校用，不给自觉性差的学生留机会。③容量比较大。④学生容易放球。⑤收纳器有轮子，方便推动。缺点：①个子矮的同学够不到。②篮球看上去摆放得“杂乱无章”。③占地面积大。④空间利用不足，球与球之间空隙太大。其次，面对学校现有篮球收纳器的缺点，我们如何改良？每个组的学生都分享了想法，例如，有改变球出口的位置、设计成倾斜的或多层的收纳器等想法。

解决问题。以“设计新型篮球收纳器模型”“制作新型篮球收纳器模型”两个活动组织课程，将科学、技术、工程、数学等学科知识均包含在内，让学生“动手做”，在“做中学”。

【设计新型篮球收纳器模型】

学生以小组为单位，分工合作，用高尔夫球（直径42.2毫米）代替篮球设计新型篮球收纳器模型，每个组的学生都非常兴奋，拿出纸做起设计图来，他们借助数学中的立体图形画法，有的组画长方体，有的组画圆柱，还有的组画平面图形，用直尺、圆规不停地测量尺寸，并在图纸上标记尺寸大小，简直就像“小小设计师”。

教师设计了几个问题：1.结构设计的数学原理是什么？2.如何计算，得到每种结构设计中的度量精确值？3.在设计中，要考虑哪些因素？涉及哪些学科？

活动中涉及的STEM各领域学习内容见表1。

鉴于初中生画图水平有限，很难画出立体设计图，只需画出草图，标出相关的数据，每种结构设计中的度量是基于高尔夫球直径的大小。由于软板制作易于修改，所以可以先借助软板与双面胶尝试制作模型（见图2），参照物理中的力学、摩擦力等，经过多次实验，对相关数据进行修改，保证后续用小木条制作模型。

（图2）

【制作新型篮球收纳器模型】

小组分工合作：

数据员：计算数据——笔

测量员：测量，做标记——拐尺

切割员：切割木条——锯

粘贴员：粘贴木条——胶枪

篮球收纳器模型制作程序

原创作品展示

（图3）

第一组展示（见图3）：用铁丝做成倾斜螺旋的双轨，倾斜度为15゜，根据物理重力与摩擦力的计算，双轨之间的距离约为球直径的二分之一，为21.5毫米，这时，球与双轨相切，相切的位置恰好为球的四分之一处，这样球不易露出，而且下滑比较稳，摩擦力比较小。用木板挖空圆形的目的是定位，圆形的直径为43毫米，使轨道更加稳固。为了容量最大化，双轨与双轨的距离稍大于球的直径，约为45毫米。由于物体的重力，球与球是相切的，并且可以下滑，球可以从下面的出口滑出，这样就轻松解决了拿球难的问题。

其他组点评：想法非常好，尤其是双轨的设计很精彩，但是双轨与双轨之间的距离需要改进。

教师点评：想法好。基于球的直径，数据计算非常精确，将数学中的度量、计算运用得非常到位，还将球与球的相切应用到作品中。更值得称赞的是，基于物体的重力与摩擦力，找到了轨道与球相切的最佳点。作品中充分体现了数学与物理知识的融合。本组同学计算轨道间的距离45毫米没有问题，但在操作时，数据没有把握好，可以再改进。

（图4）

第三组展示（见图4）：根据三角形具有稳定性的原理，底座设计成三角形，和上一组一样轨道螺旋倾斜上升，这样球和球相切，中间是空的，上底面是边长为43毫米的正方形，高是430毫米的长方体，利用重力容易下滑，当球达到最顶端时，还会做自由落体运动，充分利用了空间。

其他组点评：容量非常大，三角形具有稳定性，但感觉占地面积比较大，而我们学校的器材室本来就面积小。

（图5）

第六组展示（见图5）：设计成长方体形状，前面的小木条都是平行的，这样既有挡板的作用，又美观，前后两面木条间的距离稍大于球的直径，约为43毫米，还有单根倾斜轨道设计，上下轨道的方向相反，两轨道的最窄处的距离为球的直径，约为43毫米。在最低处设计球的出口。

其他组点评：两轨道间的最大距离太大了，有点浪费空间，可以再改进。

（图6）

第八组展示（见图6）：我们的灵感来源于楼梯，有一次，在教学楼3层的楼梯向下放球，球会自己滚下来，滚到水平的拐弯处，球会慢慢停下来，然后再给球一些力，会继续往楼下滚，所以在第六组的基础上设计成了双排的，考虑到装更多的球，轨道倾斜角设计为10゜。与楼梯不同的是，将拐弯处也设计成倾斜的，倾斜角为10゜，因为两排中间没有格挡的话，球会串道，所以在中间设计了隔板，防止球下滑时串道。挡板与隔板间的距离为43毫米。球在下滑时，在拐弯处经常停止，考虑到是因为摩擦力，所以在每个拐角处贴了弧形双面胶布，减少摩擦，依次设计了3层。长方体的长为350毫米，入口的直径为44毫米，出口在下面，利用线段的旋转，设置了一把锁。为了容量最大，轨道间的距离稍大于球的直径。

其他组点评：解决了取球难的问题，但带来了放球难的问题。建议再改进入口设计。

教师点评：这组同学善于观察，具有创造性，能基于楼梯设计出双排模型，并将所学的数学、物理基本原理进行整合，应用到作品中。经过实际验证操作，进行数据修改，让我们对数学基本原理有了进一步认识。同学们的能力超乎我的想象，各有千秋，但都是将我们所学的物理、数学碎片化知识整合。有的同学还用到了初三的圆与圆相切、切线等知识。根据同学们提出的建议，可以改进作品。

结语

本课设计了“制作新型篮球收纳器模型”的初中数学STEM课，学生将生活中遇到的问题转化为可研究的课题，将知识进行迁移，制作并改良新型篮球收纳器模型。学生经历了探究、设计、制作、再探究和改良的过程，通过数据分析，进行逻辑推理，建立数学模型，提高了学生的参与度，激发了学生学习数学的兴趣，提高了学生动手操作能力、逻辑思维能力、知识迁移能力、创新实践能力以及数学核心素养。STEM课程多学科融合的特点对教师要求很高，这就要求我们不能故步自封，只研究自己学科的专业知识，而应多与其他学科的教师交流，更新教育理念，提高综合素养。

专家点评：我们处于一个知识爆炸的时代，教育关注的焦点问题不再是教给学生多少知识、教什么样的知识，而是如何为学生创造一个丰富的学习过程，让学生学会学习，掌握科学的思维和方法。本课引导学生发现生活中的问题，并将问题转化为可研究的项目。真实的问题引发真实的探索、真实的学习，真正可迁移的能力在实践中形成，这样的学习很重要。

两周后，学生设计的篮球收纳器模型，在学生和电焊师傅的共同努力下，制作成了成品（见图7），展示在学校操场上，学生的成就感极强。新型篮球收纳器成为学校一道独特的风景线。

（图7）

作者 | 于艳

作者单位 | 人大附中西山学校

网址：基于STEM理念设计制作新型篮球收纳器 | 2月教学 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/1330032

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