《抛石机攻城》：一个STEM项目
——以深度学习的视角来浅析
王 鹏
引言：深度学习的基本特质有：一是深层动机；二是切身体验-高阶思维；三是深度理解-实践创新。本文利用文字、图片和视频等回顾了《抛石机攻城》项目的整个教学过程，尝试与深度学习的特征对接以期带来一些教学启示与实践反思。
关键词：深度学习；抛石机；教学启示；实践反思
“趣味科技探究”兴趣选修课上，我给学生的项目任务是制作完成一个具有一定发射远度和精度的抛石机。目标是将子弹（螺母）发射出去，击倒对面桌子上代表不同分值的小兵偶。为获得高分，学生需要设计一定的瞄准装置，同时运用战术策略来出奇制胜。当然，由于存在一枚子弹连击的情况，让比赛充满了变数与惊险。
完成这个小工程的过程中，学生在科学（Science）、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)等方面都有所发展，教师的角色也在发生着变化。本文将回顾自己在小学阶段对此项目的实施过程，尽管教学实践并不完美，但希望能以深度学习的视角来浅析这一项目的教学过程，以期对读者有借鉴意义，为更多想进行综合实践性课程开发的老师带来参考。
教学过程：这个活动来源于“兴华国际青少年科技运动会”中的一个竞技项目，要求选手利用一次性筷子、塑料小勺、螺母、钩码、棉线、小纸杯等材料以及尖嘴钳、剪刀、热熔胶枪和胶棒等工具来制作抛石机。原本对筷子的数量和装置的空间大小等有一定要求，但现在的小孩儿都是有想法的一代，虽然只是四年级和五年级的小学生。为了让他们能尽情施展想象力，满足其创作欲望，在开始制作活动后，我没有再提这些限制，给他们一次学习的自主权。
第一次课上，让学生观看了阿基米德保卫西西里岛时使用抛石机的卡通片（或者新版《杨家将》中的片断）后，我对这项活动进行了介绍，并让其观看了兴华科技运动会几届比赛中的精彩场面。
特别值得一提的是，广西师大附属外国语学校的周晓庆老师录制的情节跌宕起伏的《抛石机经典对决——东梧大战》，让学生们看得情绪高涨，个个摩拳擦掌，跃跃欲试。（后附视频链接）
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0NDY2NjczOA%3D%3D&idx=1&mid=2247483655&sn=247be6820e2ce71877a669dcb0e5d5ae
随后，我让学生对照着PPT中的几个样本进行组内讨论和设计。
他们就开始了头脑风暴，讨论起自己小组的设计。据家长的反馈，许多学生回到家中就开始了制作。看来，项目本身蕴含着魔力，能让学生内在的深层学习动机迸发出来！
图1.学生在家中设计与制作
第二次兴趣课上，就已经有小组带来了作品。下面是两件作品
图2.学生在课前的制作
左边的主创者是一位五年级的女生，右侧的主人是四年级的男生。对比来看，女生的作品在结构上更有对称性，底座上还画有线条，可见其规范细致。而男生的略显粗糙，能看出有些地方是边制作边改动，增加筷子的数量来换取稳定性的提高。他们试图以高度获利，但没有想到重物下落的甩动空间却减小了。尽管模仿视屏中的作品，增加了红光瞄准器，但可惜的是，不加思考地将其固定在了转动杆上。
各小组的组长领了材料与工具后，大家就热火朝天地行动起来。这之后，我就不再干涉他们的活动，而更多地像是一个服务者的角色。比如，给各个小组调配一下筷子、吸管、剪刀、尖嘴钳、尺子、钩码；监督他们安全地使用热熔胶枪；应他们的要求，将PPT翻到他们需要看的图片或视频；偶尔也会讲“可能会选拔表现好的同学参加兴华科技运动会”的比赛之类的话来激励一下，提升小组成员的参与度。因此，除了巡视和提醒安全事项之外，我的指导更多只是守在讲台上，看着学生安全地使用胶枪。看着学生们投入的样子，我感到自己好像是撒了一把种子到田野里，他们就各自竞相疯狂生长！
图3.学生加工
每个组的设计重点与作品质量显然是有差别的。有的设计想以高度取胜，但实际测试时子弹却高高越过对岸敌军阵地；有的稳固是靠底盘厚重，而有的则是在结构对称上面下功夫，却没考虑重物落下的空间；有的安装好了，准备试射时才发现勺子安反了……
冠军作品
亚军作品
第三次课，在给了二十分钟的加工制作时间后，我安排一些已经初步完成作品的小组在教室里或走廊里进行轮流测试，要求至少2米的射程（约四块地板砖的距离）。
在学生测试出现问题时，我才开始适当地指导学生注意诸如结构的稳定性、转轴滑动的影响、重物的下降空间、配重与射程的关系、子弹出射角度、角速度与线速度的关系、子弹的弹道轨迹弧线与落点关系等问题，提醒他们要考虑作品的整体性结构设计，同时开始设计瞄准装置。
这次，我允许学生进行组间交流观摩，吸收别的小组好的方法。比如，第一小组用到的筷子数量少，但是稳固，因为结构对称，多处三角形结构的运用恰到好处；第五组高大，射程已经不是问题；第七组作品虽然不高大，但阻力臂（勺子端）长度大于动力臂（配重端），提高了发射时的速度（同轴转动，半径越大，线速度越大），依然射得远；第九组在结构的中间部位放置了一个胶带，似乎有瞄准器的意味……
相互参观完，多数小组都重新进行了设计。
第四次课，各个组基本上都完成了作品。在二十分钟的最后一次集中加工之后，开始了第一轮选拔赛。
总共有九组，我进行了这样的安排：
1. 各个小组发射十发子弹，击中2米外（约四块地板砖的距离）的桌面上的小兵偶。以击中次数排名选出前六名。
2. 各组出一名裁判，进行交叉记录。（下面为裁判记录单）
参赛小组： 第 组 裁判员： 总成绩：
投射次数
1:
2:
3:
4:
5:
6:
7:
8:
9:
10:
发射次序（击中则打对勾为记）
3．如果不足六组，则余下的小组重新比赛，竞争入选名额。
第一轮选拔赛
第一轮选拔赛视频：https://v.qq.com/x/page/p08052130dv.html
果然不出所料，第一轮选拔后，只有三个组打中了小兵偶，从而直接晋级，其他均打空。余下六个组又进行了一次比赛，才又有一个小组晋级。
3. 进入下一轮比赛的小组，下节课将进行“对攻赛”，对手通过抽签产生。
而余下的小组，为了不打击学生的活动的积极性，也安排进行一次友谊性质的“对攻体验赛”。
第五次课，友谊体验赛与前四排名赛。为了能让晋级小组表现更好，我将友谊体验赛安排在前面。在被淘汰组进行比赛时，四强小组在走廊里进行模拟训练。一次课的时间只有60分钟，为节省时间，友谊赛只打一局（这些组战绩不佳，能打倒一个兵偶已属不易）。
这次的兵偶数量增加到三个：桌面倒扣水槽作为障碍物。一侧的大兵偶为一分，另一侧一个小兵偶为2分，在水槽后面只露出上半身的大兵偶也为2分。一颗子弹连续地击中兵偶算分，但水槽或桌面振动导致兵偶倒下则不算得分（这就为比赛带来了一定的悬念：选手需要打中的同时，也要考虑战术选则，反败为胜也是有可能）。每局的发射次数也增加到20次。
友谊赛结束，开始了前四名的排位赛。排名将决定决赛对手是谁。由于时间紧，只进行了一局。最后的结果是以打倒小兵偶的分值确定了前二名（下节课进行冠亚军决赛），后两名争夺第三名。
第六次课，三四名争夺与冠亚军之争。三四名由于双方选手及作品水平不太好，只进行了一局。更多时间还是留给了后面的压轴大赛。果然，这两个组没有让我们失望:三局打平后，只好以类似点球大战的方式决战——谁先打中小人谁胜出。所以，比赛的结果是没有失败者，学生们都很高兴！
冠亚军决赛视频：https://v.qq.com/x/page/b0800wfo2vc.html
第三名获奖
第三名分享经验——结构改进与发射效果https://v.qq.com/x/page/s0817kxoruz.html
亚军获奖
亚军分享经验：比较腼腆的小组https://v.qq.com/x/page/e0817tlwa4l.html
冠军获奖
冠军经验分享https://v.qq.com/x/page/i08170s4vj0.html
讨论与反思：
从STEM方面讲，在这个教学活动以让学生利用筷子完成一个古代兵器——抛石机作为工程目标。前期学生进行了图纸的粗略设计（包括实践中的改进），实施过程中熟练使用了工具，灵活利用了材料的特性，这些是技术的核心（设计与操作）。重量（质量）、碰撞、能量、速度、重心、结构稳定性等，这些是科学概念（尽管学生尚处于经验层面，但他们能理解这些术语的含义）。底面积、半径、转动角度、抛物线、三角形稳定性等，都是数学工具性的体现。而在指导学生使用热熔胶时如何美观、整体结构要对称而非盲目堆砌等等，一定程度上也涉及到了艺术的美感培养。在项目实施过程中，我们并没有刻意去做出这样的划分，但其实这就是在真实任务完成（或问题解决）情境中的自然融合。
我们从深度学习的视角来审视这个项目教学活动。
我国学者李松林等将“深度学习”界定为“借助具有整合作用的实际问题激活深层动机，展开切身体验和高阶思维，促进深度理解和实践创新，进而对学习者产生深远影响的学习样态”。[1]
他们认为，深度学习的内涵是指触及心灵深处的学习、是深入知识内核的学习、是展开问题解决的学习。而展开问题解决的学习有两种方式：课题研究式学习与项目创作式学习。（《抛石机攻城》项目显然属于后一种方式。）
深度学习的几个基本特质是：一是深层动机；二是切身体验-高阶思维；三是深度理解-实践创新。（李松林 贺慧 张燕 2018）
我们的教学活动属于项目创作式学习，可以依据深度学习的三个特质来对照分析一下。
学生的学习动机有没有被激活呢？从学生的课堂参与程度以及课后在家主动制作作品的行为来看，确实激发起了内心的欢喜。学生学习的动机类型是内在的，是源于对动手实践的自然渴望，而外部的激励只是教师给定的一个小目标。有效学习的前提就是学习者感兴趣，愿意参与进来。
学生是否有切身体验？是否进行了高阶思维？
显而易见，教学活动就是以学生为中心来展开的，特别是以动手实践与合作学习为主。教学活动体现了阶段性特点。首先，要保证开放性。不过多添加教师的指令，留出更多时间给学生自主活动，这是对学生自主性和创造力的尊重。其次，要体现生成性。把握好师生交流与教师集中指导的时机。先给学生一些经历（包括犯错的机会），问题的呈现与解决办法的提出才更显自然和真实。再者，教师的角色发生转换。在这个项目教学中，学生是中心，教师提供给学生创作所需要的心理安全环境，成为教学活动的组织者，学习进度的促进者、筹备各种资源的服务者……在这个项目教学活动中，教师不再是高高在上的权威，而仅是平等的首席参与者。
从结果上看，这项小工程带给这些小制作者们快乐，让他们学会了合作、专注，体验了从设计到作品的完整流程。 因此，学生的切身体验是充分的，在时间和空间上以及教师的管理上都得到了保证。
什么是高阶思维？所谓高阶思维，是指发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力。新版的布鲁姆教育目标分类学的框架中将学习的认知过程维度分为六个层级：记忆/回忆、理解、应用、分析、评价、创造等。[2]后面三种认知方式属于高层次的心智活动，运用这样的方式进行的学习可以称之为高阶思维。
因为授课对象是小学生，我们在教学活动中并没有过分强调知识的记忆与理解。但肯定他们会应用已经有的经验来创作，如杠杆原理的应用、数学课上学习过的三角形的稳定性等；分析问题的难度与突破的办法，如小兵偶的距离不同，发射时拉下的勺子的角度不同、瞄准装置或参考物设计、子弹盒的设计；在分享环节可以看到他们是如何评价自己作品以及参考对手作品来改进；有些小组增加了瞄准装置、有些设计出了角度控制以及不断总结出自己的射击操作妙招，有些则在比赛过程中学会主动更改策略……这些都体现了学生的创造性。因此，问题解决始终牵引着学生发挥主动性，让思维处于高层次，不断进行着实践创新。
这个项目的核心知识块是“杠杆原理”。在苏教版小学科学的编排中，这一知识的教学是在五年级下册。兴趣班里的学生都是四、五年级的孩子，大多数还没有接触过这个概念。那是否就意味着要等到五年级学完杠杆原理再开展这个项目的呢？显然，这即是所谓的先学后教，教学思想的出发点是理论先于实践。然而，在依据课程标准而编写的不同版本的小学科学教材中，这一内容的编排位置是很不同的。广东省的一个版本就将其编写在了六年级上册。从这一点说明，杠杆原理的知识教学呈现与思维能力阶段性匹配并没有得到论证。另一方面讲，学生并不是脑袋空空来到教室，他们有过玩跷跷板的经历尽管这并不能对本次任务挑战带来多大帮助，但至少是教学的一个基点。因此，我们可以尝试“提前”教学。实践与理论并没有优先级之分，甚至可以说实践应当在理论之前才更符合人的认知心理过程。
同时，我们一直在反思“知识”的本源问题。知识的产生源于人类解决生产生活中的问题，知识及知识体系的建构也是在切身实践与理论总结中完成的。如果学生仅仅是学习书本上抽象化后的符号概念以及以缺少真实情境的习题演算来完成知识的获得，显然是无法深刻理解知识的内核并实现灵活应用，单调的教学形式也让知识的学习变得枯燥无味。
当我们的学生在把杠杆两端调整比例或者与别的小组作品比照时，他们可能发现效果的大不同；当他们把“子弹”射出时，也许明白了杠杆的实际用途；当他们为了精准打击“兵偶”而不断调节配重、发射角度或是研究“子弹”落地点与飞行弧线轨迹关系时……我们可以设想，在学生眼里杠杆已经不再只是一架装置，而是一套涉及多方面因素的工程体系。就是在这样的实践操作与不断反思调试中，学生可以体悟到力矩、半径与转动角度、发射点出射速度与射出角度的关系，也能理解能量的转换、结构稳定性与重心的关系等。这样建构的知识是生动的，更是源于实践的。（当然，我们也得承认在实际的教学中不能保证所有的学生都能学习到这些或全部理解到位。但我们应当相信，活动体验必然为学生将来学习那些定义完整的概念打下了情境基础。）
结语：
最后，尽管小学生的作品大多不美观，但就像爱因斯坦的小板凳，我们不可小觑其中所蕴藏的潜力。麦克斯韦曾说，实验的教育价值与仪器的复杂性成反比。融合式的STEM课程能带给学生制作这些“小板凳”的机会，更真实地促进学生发展。
因此，我们更应当关注的是这些作品背后的课程价值，教与学的过程让学生成长了什么。当然，在本项目的教学中，很多方面还很不到位，比如原本想增设学生反思与相互评价的环节，但发觉学生的兴致已过，而且项目开展的时间过长，也就只能简单完结，期待下次活动设计中能把创作与反思穿插进行，使教学环节能更紧凑与合理。如何具体设计，就需要我们在课程设计与教学实施中多去思考、提炼和实践创新！
[1]李松林，贺慧 ，张燕.深度学习究竟是什么样的学习[J].教育科学研究，2018，（10）.
[2]Lorin W.Anderson等编著，蒋小平，张琴美，罗晶晶等译，罗星凯审校. 《布卢姆教育目标分类学——分类学视野下的学与教及其测评（完整版）》【M】.北京：外语教学与研究出版社,2009.
[1]李松林，贺慧 ，张燕. 深度学习究竟是什么样的学习[J].教育科学研究，2018，（10）.
[2]Lorin W.Anderson等著，蒋小平，张琴美，罗晶晶等译，罗星凯审校. 《布卢姆教育目标分类学——分类学视野下的学与教及其测评（完整版）》【M】.北京：外语教学与研究出版社,2009.
