1、从动手做活动看 STEAM 项目学习中的创造性思维发展“科技动手做”提出一项模拟工程问题来让学生解决，是一项开放性的科学教育活动。它集工程创意、物理、数学、艺术于一体，充分体现出 STEAM 的课程相互融合的特征，对创造性思维的发展有着明晰的线索。 通过多年的活动辅导、观察与总结，我们从结构、材料、工艺角度提出了作品设计的一般方法，同时尝试以事例来探讨在作品设计中创造性思维发展的过程与积极作用：结构设计是关键所在，是创意表现的最突出形式，其次是材料的选择和利用，要注重追究工艺，不仅是高质量作品的保证，更是思维精致的体现。 一、创造性思维来源于基础理论之上的规律性把握 首先，我们来看一个小小的工
2、程问题： 以竹子、木材、胶水制作一个承重装置，承载装置最低点不低于25cm，上面放置 30kg 杠铃片，支撑 10 秒即算成功。质轻者取胜。 你能想象得出它最终可以创造出什么样的奇迹吗？ 最终，一件 11g 木结构作品成功地将 30kg 杠铃片支撑了 10 秒，完成了该问题的终极挑战。 这一幕上演在“2014 蜀山区校园科技动手做”活动现场。 “校园科技动手做”活动因工程问题的开放，活动简便易行等特点，影响力日益扩大，目前已成为一项深受学生喜爱的科技活动。 其实，无论是模拟工程问题，还是现实工程问题，在问题解决上都具有相似性，都要遵循一定的方法和过程。以桥梁建造来说，首先需要满足一定的跨度，并
3、设计一定的承载能力要求，工程师将根据不同设计要求来确定桥梁的最终形态。不同形态的桥梁，有着各自的力学特点，例如板桥、拱桥、斜拉桥、桁架桥等。其次，桥梁需要确定建筑材料。不同的材料属性不同，例如石材、钢混和钢铁。最后，桥梁的建造还将通过建造工艺来实现，如预制、模板等工艺都可以提高建造效率，提升工程质量。 结合多年的辅导经验，并从历年优秀作品设计中汲取营养，我们尝试从结构、材料和工艺三个角度来试述模拟工程问题的一般解决方法。一是便于辅导老师、参与活动的学生有章可循，有的放矢；二则通过一些典型作品剖析，窥见设计者是如何创造性地解决工程难题的。 二、从结构创意打开创造之窗 从历年活动的优秀作品和辅导经
4、验来看，结构设计是重中之重，是创意表现的最突出形式。 如 2007 年吸管筏设计活动，给定 100 根吸管，10 根方便筷，细绳4m，皮筋 50 根，保持 1 分钟平衡，承载砝码质量最大者获胜（砝码不得没入水中） 。 对于这样一个工程问题，我们首先联想到竹筏结构。但在尝试制作的时候，问题出来了：砝码放置的平衡性难以控制，吸管阀容易侧翻。其次，设计者还需要挑战承载极限。那么这个问题如何解决？ 当年的活动中出现了这样一个绝佳的作品，如下图。 该作品采用中部下沉式的双筏结构，部分砝码放置在 V 字型槽口内，其余放置在筏子两侧。这种结构设计从降低重心角度出发，完美地解决了吸管阀的平衡性。而当年采用简单
5、的平铺式结构的作品，在质量承载冲刺时候，多数因平衡问题导致侧翻。 我们来看一下核心问题的解决过程：砝码增加导致筏子侧翻，显示这是一个平衡问题。那么通过摆放砝码能杜绝这个问题再次发生吗？显然，偶然因素太多，因此摆放方式不能根本解决平衡问题。这时，我们需要停下来，对生活中的事例或现象进行一些搜索，哪些情形下出现过平衡控制的问题，又是如何解决的？例如，我们可以联想到运动员在平衡木上行走，高空自行车表演等。这样，我们可以走出反复试验的死胡同，从结构上去确立解决问题的根本办法。从现象入手，确立解决问题的方向，再从生活经验中捕捉问题的解决方法，最终将方法迁移到当前问题的解决中来。学生在活动中，思维历经一次
6、由发散到聚合的完整过程，并从中得到了一种问题解决的模式。 三、激发创造思维，提高对材料的开发性应用 我们知道，在航天航空项目中，材料科技至关重要。同样，在一些动手做项目中，除结构设计之外，对材料及其属性的认识也是至关重要的。文中开始出现的承载器例子最为典型。 当初我们在带领学生开展活动时，通过集思广益确定了承载器的基本结构后，团队开始想办法减轻承载器的质量。按照我们的想法，能找到那种质轻且又坚硬的木材最好。学生在网络上按图索骥，查到了常用于航模上的巴沙木和泡桐木。随后，我们就在淘宝上订购了不同规格的木材。泡桐木的确是最轻的，但质地实在疏松，做出来的承载器结构强度大幅下降，非常容易崩溃。最终，实
7、验确定了边长为 8mm 规格的巴沙木最佳，并在结构上再次进行了优化，样品达到了 14g。在赛前的一个晚上，教练员群里有人莫名其妙地问了一句：只要支撑 10 秒吧？而当时，并没有人太在意这句话。 现场制作赛时，一件 11.6g 的作品出现了。如此轻盈的支架能否承载如此重量，很多人拭目以待。当裁判员读到 10 秒的时候，现场一片掌声。就在大家欢呼时刻，作品开始出现晃动，随后几秒垮塌。现场一阵沉默后，更加热烈的掌声响起来。精确到秒的设计令在场的师生为之叹服！ 这件作品与笔者学校作品在结构和工艺上基本相似，区别最大的是他们采用的是 3mm 的硬质木材（也是航模用材） 。在结构相似的情况下，质地均匀的硬
8、质木材是承载器稳定性的保证。在用材上，他们比我们更胜一筹。 在此次活动中，另外几个学校的作品也让我们开了眼界：一件用水煮木片工艺制成的单筒望远镜形状的作品，一件用镂空芦苇杆制成的大三棱形作品，另一件是用两片薄板交叉成十字，外形为宝瓶形状的作品。他们都达到了用材考究、质地轻盈、结构巧妙的高水准。 回顾这次活动，除结构之外，材料选择成为追逐的焦点。绝大部分作品都采用轻盈的木材，但一些个案给予我们新的启示。如上面作品中使用的木片经过水煮后解决了弯曲和韧性问题，青芦苇杆采用干燥方法控制好水分。他们通过改变既有木材的干燥程度改变了材料的韧性，提高了材料的强度。 在另一些动手做项目中，项目的材料是有限的。
9、我们可以通过头脑风暴的方法，对材料进行开发性使用：例如为增加作品的长度或高度，我们可以将制作材料进行适度裁剪、拼接；细铁丝既可作捆扎材料，也可作绳索或者配重使用。如此等等不一而论。 四、精良的工艺是创造性思维的稳定剂 动手做的作品一般为现场完成，即便前期作品设计完美，但在极限的测试状态下，由于工艺制作不佳导致作品出现瑕疵，结果都可能会是毁灭性的。制作方法科学，工艺精良是作品质量稳定的有力保证。 在上面的承载器项目制作中，当年有好几所学校都采用了模具方法，有脚手架形式的（材料依附在微型脚手架上粘接） ，有嵌入式模具（见下图）的。其中，嵌入式模具最为简便，制作快速，尺寸准确。两种模具设计思想都来源
10、于工程实际。 图纸设计也是一种提高工艺精度的常见方法。即将所有用料尺寸都标注在图纸上或者画在加工材料上。图纸、模板工艺是两种常见的提高制作精度的方法。此外，还有一些加工技巧，例如要连接两块较大的木料，钉钉子是一种方法，用木钻打孔再拧入自攻螺丝效率会更高；借助一根规则的圆管加工圆纸筒会更方便快捷；胶水粘接之后用吹风机可以使胶水更快发挥作用等。 “科技动手做”项目，在加工工艺上，技巧较多。但制作精度、制作效率、工艺可靠性却是我们恒久追求的。把工艺要求罗列出来，带着学生去逐项评估，我们就能发现工艺上的不足之处甚至是作品设计方面的缺陷。追究工艺，是思维精致的体现。 五、科学浪漫主义让创造思维永葆青春
11、动手做活动只是解决一项模拟工程问题，与解决现实生活中的工程问题还存在一些距离。因此，动手做的作品往往还有一种超现实主义的特点，尤其是在结构上看起来并不合乎实际工程存在或者需要。但正因为只是一项模拟工程，结构上存在适度的夸张或者变形并不违背科学原理，相反，这可能更是一种科学浪漫主义的表现。 如上图，这座竹筷桥兼具桁架桥和拱桥双重特色。横置的三棱台结构作为桥面，注意最顶端的一条棱被弯曲形成一条单拱，有效地抵御了桥面承重时向下的形变。 上图是一座平衡的吊塔。由限定材料数量的木条和雪糕棍完成，要求其中一端能承重 50g 砝码并能支撑到 10 秒。该作品将雪糕棒剖开使用，使得跨度达到了令人惊讶的 2m 多。它不仅力学结构稳定，而且造型优美舒展，是对结构、材料和工艺的一个完美诠释。
