优秀STEAM案例 | 钻木取火

本案例“钻木取火”阐述了STEM主题课程的开发设计、学习目标的确定、教学实践和教学反思等，重点展示了项目式学习实施的具体过程和遇到的困难以及突破的方法。以此说明，正是通过基于工程的项目式学习的过程，运用数学、科学的知识解决方案和技术达成目标，从而最终实现达到培养创新人才的根本目的。

案例背景分析

开发缘由

笔者兼任中央电视台科教频道《走近科学》的栏目顾问，受邀担任 2018 年改版的新节目《解码科技史》的节目策划，新栏目要制作一期《谁发现了氧气》的节目，应央视编导的要求，节目中需要录制一段《钻木取火》视频，视频内容为现代人模仿古人进行钻木取火，这个科学实验的任务就落在了笔者及学校的科技探索社团的同学肩上。

学习者分析

担任此次录制任务的学生系北京市某重点中学的科技探索社团的高二学生，他们学习基础好，物理学习能力强，基本掌握了初高中物理、化学等学科知识，在知识储备方面，完全能胜任完成“钻木取火”任务，且有科技背景，有较强的动手能力和解决实际问题能力。“纸上得来终觉浅”，笔者期待借助工程思想理念的项目式学习，让学生在实验的创新和设计能力上得到有效的锻炼，另一方面，通过项目式学习，让学生体会到科学的来之不易，即便是像“钻木取火”这样一个似乎毫不费劲的科学任务，但在实现的过程中仍艰辛无比，事实也证明如此。

主题课程设计

基于STEM的项目式学习的教学目标分析

科学知识层面，主要以高中物理力学知识和化学学科中有关燃烧的知识为依托，主要有:运用物理的运动与相互作用观念，对木棍进行受力分析和平衡条件的分析；运用物理的能量观念，分析钻木取火过程中的能量转化关系；分析燃烧的条件，经历完整的钻木取火的科学探究过程，培养解决实际问题的能力；学会与他人合作，合理分工、协作，共同完成学习任务。技术与工程层面，主要是经历信息的搜索和整合，进一步理解钻木取火的原理和燃烧的条件；从实际生活中，寻找合适的可燃物和可燃器材，利用学校的通用技术实验室的先进技术，自行研制钻木和钻木辅助装置等；而项目本身就是一个工程问题，工程问题及问题的解决都体现了问题驱动下的STEM理念。在数学层面上，将数学作为有效的测算工具，主要完成钻木辅助装置的参数计算，以及实现能量转换的精确测算等。

主题课程的设计思路

本STEM的主题课程，以完成钻木取火的实验任务的项目式学习展开，以小组合作学习的方式，通过基于工程的学习，运用数学及科学探究，设计解决方案，亲自动脑动手，通过技术达成目标。

主题课程的具体教学过程

第一阶段: 钻木取火原理释析和燃烧条件分析

(1)课题引入，播放网上野外生存短片——钻木取火。

旁白：用一根木棍，通过双手用力往复旋转，持续摩擦木板，不久接触处就会冒烟，木板燃起火星后，就得到火种，利用火种就可以引燃易燃品，从而完成钻木取火的过程。

(2)以小组竞争的形式，将参与实验的学生分成两小组，任命小组长，布置钻木取火的实验任务，准备时间为一周，一周后以比赛的形式，看哪一组先完成实验任务——生火。要求采取小组合作学习的方式，通过观看视频和网上检索等，了解钻木取火的原理及详细的取火步骤，制定本组的实验方案，准备实验器材。

(3)两小组展开热烈的探讨，统一小组意见，得出燃烧的 3 个关键条件：易燃品，氧气，摩擦达到着火点(即燃点)，三个条件缺一不可。

(4)针对以上3个关键条件，小组设计实验方案。设计意图:通过互联网强大的信息检索功能，分析钻木取火的原理以及针对取火步骤分析燃烧条件，探讨实验成功的关键点，继而再根据关键点开始设计实验方案，让学生体会要完成一个项目需要经历的一般流程，特别是从关键点切入是科学分解项目的依据和实验成功的保障。

第二阶段: 钻木工具的研制和准备

这个阶段历时1周，各小组学生在查找文献等参考资料的基础上，在运用物理知识进行受力分析和平衡条件分析之后，同学们还就怎样更容易燃烧，请教化学老师，化学老师给出的建议是:氧气是助燃气，一定要留一个进风口，既能让氧气进到里面，还能提高氧气的浓度，从而保证充分燃烧。

两小组最终确定完成实验所需的器材及材质：木板用材质比较软的一大块松木(在松木表面凿出一处凹陷作为钻眼)，如图1甲所示，学生给它钻孔；在制作钻木用的木棍时，如图1乙所示，先用小刀削尖，呈锥形，再把棍的前面的头稍微磨钝点，好让它跟木板的摩擦更充分，也让摩擦力变得更大。学生们还找来了很多易燃物以做引火用，有涂了乙醚的棉花、报纸，还有用铁锯锯出的松木屑，如图1丙所示。为了固定木棍，第一小组还自己制作了一个辅助工具，如图2所示，让木棍插在辅助工具的孔里，以保证木棍在钻的过程中不会左偏右倒。

设计意图：这是一个让学生运用物理和化学的原理，借助数学工具，亲自动脑动手制作实验器材的过程。一方面要求学生理解古人钻木取火的原义，学习运用科学知识于实际问题中，完成器材的制作；另一方面，这个过程也有助于培养学生实验操作的能力和分工合作的精神。

第三阶段: 钻木取火实验及改进

在一个极其寒冷的冬日的上午，两小组同学开始了钻木取火实验竞赛。两小组都派出了力气最大的“大力士”同学直接用手钻木，如图3所示，但用力过猛，木棍从中截断，换上准备好的新木棍再来，两小组不断地换人，参加实验的同学都尽可能用最大的力，最快的速度，但都没有任何效果，在经历了2个多小时的手钻之后，第一次钻木取火实验以失败告终。

面对如此严峻的实验形势，两组同学决定化对手为合作伙伴，联手共同克服困难。同学们分析失败的原因主要是力气不如古人大，一组的组长提议研制新的钻木器材，对工具进行升级改良。一番分工后，两组同学投身到学校通用技术实验室里各司其职，他们运用3D激光切割机等先进的工程技术研制出了“陀螺式”钻杆，如图4所示。“陀螺式”钻杆是一个很精巧的机械装置，它类似于陀螺的原理，使钻木钻得更快，即使手已经停下来的时候，它还能继续钻，可以获得稳定而持续的旋转。

学生制做了松木板、钻杆和固定钻杆等辅助工具，至此，升级版钻木器件准备就绪。有了“陀螺式”钻杆的助阵，再做钻木取火实验时，同学们戴上白手套，钻木架势十足，如图5甲所示，尤其在转速和持续时间上，都有明显的增加。果然，没过几分钟，就闻到了焦糊的松香味，加快钻木后，就看到烟不断地冒出来，如图5乙所示。同学们兴奋地从旁递上木屑，棉花、报纸，多管齐下……实验又持续了几个小时，在冒烟的基础上，即使钻杆从中间硬生生磨断了3根，但都没能把火点起来。但即便如此，每次看到木材冒烟，都让同学们欢欣鼓舞，激动不已。

实验结束后，同学们分析为什么只见冒烟，不见火光，他们认为有两大可能原因：最大可能是进风口太小，冒烟后，由于拼命往里添引火物，导致氧气进入不够或者进风口被引火物给堵死了；第二种，还是气温太低的原因，当天环境温度在0℃以下，摩擦后获得的热量不够，温度达不到着火点所致。

设计意图：

本阶段属于典型的科学探究实验过程，实验，观察，质疑，解释；再实验，观察，解释。在一轮又一轮的实验改进探索中，学生的热情高涨，思维的火花不断被激发，不断激励着学生勇于探索、大胆尝试；另一方面，经历了这个过程，同学们深深体会到科学的艰辛和来之不易，很多时候，我们只能非常接近成功的大门，而不能真正成功。但经过科学“洗礼”的学生更能感受到科学有着如此美好的秉性，从而更加钟爱科学，更有激情地去学习科学。

教学反思

STEM教育是注重体验性的。我们第一次如此深刻地理解了什么是科学，什么是真理。正如丁肇中所说:“所有的自然科学都是实验科学，实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻实验。因此实验对于自然科学来讲非常重要。”对之前的猜想进行验证，正是基于一次次的科学探索，一次次实验论证，在一轮又一轮的实验改进中，从而更真实地接近科学的真相。

有人说，STEM教学强调的是培养学生“带走的能力”，而不是“背不动的书包”，这正是STEM教育的意义之所在。通过项目式的学习过程，基于问题的模式的运用，是提高学生创新能力的有效途径。一方面，使学生积极主动地参与到学科教学和社会实践中来，培养他们的主观能动性，学会独立思考，勇于探究。另一方面，培养学生运用工程的理念去分析、处理实际问题，来训练和培养学生的创新思维能力和质疑精神。

（本文来源：21CN青少年科创家）