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导言 在上一学期，新西兰森根国际组织了一次STEAM工作坊，其中有一节课邀请到了新西兰资深STEAM教师Colin。Colin老师曾是新西兰某公立学校的校长，退休后在奥克兰的一所公立学校担任STEAM老师，他有超过40年的教学经验。 在课程中不仅有Colin老师对于风力发电课程的讲解，还有和国内老师在线互动的交流。我们将内容转为文字分享出来，希望对国内的STEAM老师们有所启发和帮助。 课程回顾 风电模型没有唯一的答案，作为老师就是引导学生如何找到自己认为的最优方案。 我们会先做一个纸风车，讨论叶片、曲线、诸如此类的东西，然后我们让学生们自己动手做。通常学生会先做出这样一个模型（图1）。学生们经常会犯一个错误，就是扇叶是平的，没有角度，这会导致风车转不起来。如果我们把它轻微的调整角度，当风吹动它们时，就能看到效果。
完成第一步以后，为了让风车更有效率，就需要改进风车叶片的形状。学生们会被要求去网络上查询一些空气动力学相关的模型或者形状，最终会找到像机翼、或鸟翼一样的形状（图2），并最终去测试哪个更有效。
老师提问：请问风车扇叶的角度是如何确定的？ Colin：我们让两个小组分别去尝试30度，45度，但发现这两个角度从模型上看没有区别。 （课程）最重要的是让学生在测试的过程中积累经验。他们（5-8年级的学生）并不太需要确切的了解科学知识点，而是基于一些基本的认识，通过小组合作的形式，完成设计、安装、测试、改进、达成目标这样一个过程，并在这个过程中得到锻炼。 除了扇叶形的叶片，班级中的另外一些学生，采用塑料瓶做模型（图3），不过这个模型装上齿轮后，并不太转得起来，所以她们正在尝试用鸟翼形状的扇叶去做替代。这就是一个探索的过程。 所以老师们不要要求学生去做一个什么样的风车，而是去让他们自己决定，最终的目的是要发电，老师只需要带着他们往下做，帮助他们实现目标。
此外，有些学生通过网上查找方案，用3D打印机做了一个筒形扇叶的模型（图4），这个模型的扇叶有比较复杂的弯度、角度。经过试验，发现这个模型运转的非常好，比之前塑料瓶的筒形风车效率高很多，而且不受方向的限制，垂直、水平都可以。没有3D打印机的学生用纸板做了一个类似的模型，旋转效率也是要比塑料瓶的筒形模型高得多。
所有的这些设计，全部都是由学生自己主导完成的，非常棒！老师没有去告诉他们最终形状应该是什么样的。他们的年龄大约是11-12岁（相当于国内的5、6年级的学生）。 在这个实验当中，最容易失败的地方，是把叶片和电机组装到一起的过程，这个结构是最难的（图4）。经过失败的经验积累，我们发现这个电机的电压不能超过3伏，否则它就很难发电，带不起来。
我让学生了解电机原理的办法就是反向操作：找一个安装好的电机，让学生通过拆除，初步了解电机的基本构造（对于11-12岁的学生，暂时不需要知道确切的工作原理，只需要有感性的认识即可）。 第二个容易失败的地方，就是关于正负极的问题。这里可能需要老师给予提示。 这是一个课堂中的真实案例，学生的电机旋转的很好，安装也很好，但是灯泡不亮，他找不到原因。我就建议他先检测LED灯是否能正常发光、检测电线是否正常等等。我通常不会直接指出问题在哪，而是更愿意用排除法，带着学生去发现问题。所以也建议大家可以采用这种方法先检测部件，再去组装，就可以节省很多时间。当然，如果学生想先组装，出现了问题再分别测试，或者其他方式，都是可以的。这是一个探索的过程。 我做了一个连接电流表的手摇发动机模型（图5）来帮助学生进行测试。 当你想带领你的学生去做模型时，我建议老师们最好能自己先动手做一个，去了解这之中有哪些陷阱或困难，然后再开始。
老师提问：您是否在教学过程中解释工作原理 Colin：当我在给学生做演示的时候，学生可能看不明白，所以是需要去简单的解释一下的。但最好还是卖个关子，去吸引学生的注意力，启发他们动脑去思考。 另外是否详细解释还取决于这节课到底是关于风车的，还是关于电流的，根据课程目标不同，也需要做不同的调整。 当我们了解了如何做扇叶、如何将马达和扇叶连接起来，学生就又面临一个新的难题，用什么样的结构去把这些组件组装起来才会牢固和稳定。 在组装的过程中，很多学生的风车很容易散架，所以我用木棍模拟红色的齿轮组（图6），通过这种方式，把结构搭建起来。如果有充裕的时间，那完全可以让学生自己去试错，直到他们自己来求助。
另外，因为主轴还是存在晃动的问题，于是我的学生想出了一个办法，用木棒给主轴做了一个三角形的固定结构（图7），当然这只是其中的一种方法。
接下来是齿轮比的问题，一开始我们用1:3、1:2的齿轮组做的模型，但是粘好以后发现这样的齿轮比不能带动风车转动，所以最终摸索出1:5或1:10的效果比较好。 所以在Steam课程中，训练学生在设计、制作、测试、改进的过程中，提升发现问题、思考问题、进而想办法解决问题的能力，以及这个过程对于他们意志力的锻炼，都比直接学习科学知识点更有意义。 老师提问：大齿轮下方增加了固定吗？ Colin：是的，加了一个吸管垫在了大齿轮底下（图8），这样可以让大齿轮能够保持水平，否则大齿轮在转动的过程中会倾斜或者掉下来。
老师提问： 课堂上多少人分一个组合适？ Colin：3-4个学生组成一个小组或3-5人也可以，但我认为3个人是最理想的，大家可以更集中注意力，并且当他们遇到问题，这种分组更便于表决，比如二比一，比较有效率。如果是5个人，就很容易出现有的人把所有的工作都做了，另一些人就在旁边看着的情况，但是3个人的话，所有的人就都必须参与进来，不会有人闲着。并且，每组3个人，老师也更容易了解每个学生具体做了什么，有针对性的对每个学生做点评和指导。 老师提问：叶片数量，多少是最好的？是越多越好吗？ Colin：当然不是。我们要去观察一下现实生活，通常工业中的都是3个叶片，超过三个叶片可能会很沉，反而会影响效率。风力发电更重要的是电机，但我们这次课程的重点主要是组装和发电，只要让学生能组装好，能发电，达到让小灯泡亮这个目的就可以了。 在分享、测试和改进的环节，其实更多的是老师问问题的过程。这样做会如何？那样做会如何？给予学生一些引导性的问题，比直接告诉他们怎么做更好。 在课堂中，学生可能也会抱怨，“老师你问这么多问题，你能不能帮我做”，或“你能不能直接帮我做一个”？但即使学生抱怨，我还是坚持这种问问题的方式，而不是直接告诉他们怎么做。 在昨天的课上，我给同学们做了一个比喻：Steam课就像是破茧成蝶的过程。在这个过程中，我们不可以用剪子剪破茧蛹，而是要鼓励学生自己破茧，他们才会更强壮。在这个过程中老师可能需要给遇到挫折而沮丧的学生做一些心理建设。 回到风车，在测试和改进的环节，我发现可以做一个既支持筒形扇叶也支持扇形叶片扇叶的通用装置（图10）。这也是我在上课的过程中不断优化作品时发现的。
在实际生活中，通常那种三个叶片的风车，叶轮的部分是会随着风向整体旋转（摇头）的。下一步，我准备引导学生完成这个目标，例如用什么装置可以让叶轮左右转动（在吊车的课程里我们用到过可以实现这个功能的装置（图11），也许可以集成在一起）？怎样实现扇叶自动调整旋转的角度等等。
Steam课程的老师，更像是给学生发出挑战的人。 作为老师，更了解自己的学生在他所在的年龄段，都了解什么，并不是所有的内容都要求学生自己去查询。在课堂中，老师会给学生一些适当的提示，让学生在此基础上进行调研或搜寻。比如我会直接跟学生说在主轴上加一个纸板，就可以实现风车摇头，但是要加什么形状的纸板，就需要学生自己去思考。 老师并不需要知道所有的事情，甚至可以和学生说：“我不知道，你是否能来告诉我”；或者“我们一起来想办法”。通过说不知道，也可以和学生拉进关系，当学生做到了，他会非常有成就感。 作为Steam老师，有两个常用语句：“这个我不知道，我们一起来看看吧”；“这个我也做坏了，让我们一起改进一下吧”。强调“我们”一起来搜寻答案。 老师提问：当您在备课时，是会参考实际工程中的原型去设计课程，还是希望在课程中完成什么目标而去设计课程？ Colin：是我的学生决定他们想做什么，然后我再去网上看实际的案例，然后倒着去分解步骤，以及每个步骤需要几个课时、会涉及哪些重要概念等。 我曾经有一节课，是学生看到学校外有卡车在卸土，我的学生问我车斗是怎么翻起来的，于是我们就引入了一个液压的概念，基于这个，我们做了吊车的课题。这里需要根据他们的年龄段、理解水平，来设计相应的实现手段。比如7岁的孩子可能不知道液压的原理，但他能理解液压的现象和作用，就可以用针管去做液压管，做吊车的课程。这是一个充满困难但很有乐趣的过程。 总结 在测试、分享、优化的过程中： 1. 老师多问问题，而不是直接给答案 2. 老师也不需要准备出所有答案，当遇到自己也不清楚的问题时，不妨跟学生一起去寻找解决方案 3. 学生遇到困难的时候，多说“我们”，与学生一起来做 4. 可能会出现各种问题，有时甚至需要推倒重来，重新回到设计的阶段，这个过程对学生来说可能会很沮丧，老师需要多给与鼓励和引导。  分享南半球的教育和旅游资讯 提供您所需要的相关服务 |
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