[保护鸡蛋STEM课程之工程设计中的冗余与容错] 如何保护鸡蛋

保护鸡蛋STEM课程之工程设计中的冗余与容错

因此冗余和容错在工程设计中十分重要。

一、课程重点 本课旨在通过让学生设计保护高空坠落的鸡蛋，来体会 工程设计中冗余思维与容错思维，进而让学生学会全面思考 与细心做事。

【涉及领域】艺术、语文、生物、物理、工程 【建议年级】小学高年级 【建议时间】135分钟 【材料】两个生鸡蛋；
细绳；
10支吸管；
5张厚纸巾或 报纸；
黏土或橡皮泥；
保鲜膜；
5双筷子；
中号塑料袋；
10 根橡皮筋；
1张泡泡纸；
胶带；
剪刀 二、课程任务 通过多媒体手段，学生对生活中各类高空坠落（如高空 抛物、降落伞、飞船回收等）现象进行回顾，思考高空坠落 会带来哪些损害以及现实生活中如何防止损害的发生。在此 基础上，对于高空掉落的鸡蛋，学生展开想象，通过小组合 作，设计缓冲方式与结构，以保证鸡蛋完好。

三、课程步骤1．导入（15分钟） 播放多段关于高空坠物的视频，要求学生思考如下问 题：
(1)高空坠落会带来哪些损害？ (2)-公斤水从万米高空洒下，会伤人么？ (3)-只老鹰、一只兔子和一只蚂蚁从高空坠落，分别会 发生什么？ (4)视频中提到哪些减缓坠落的方法？ (5)请用你自己的话说明这些减缓坠落的方法分别是什 么原理。

(6)试想你从100米高空跳到水里．假设水足够深，你会 受伤吗？ 通过思考以上问题，学生会在脑海中对如何保护高空坠 物进行建构。

2．宣布任务一及评价量规（10分钟） 【宣布任务】制作一个地面缓冲装置，使鸡蛋从1.5米 高处落下不会碎。学生先进行方案的设计，凭设计方案领取 制作材料。宣布任务后展示评价量规（见表1）。

3．任务一的执行（20分钟） 正式执行制作任务，要求学生思考以下问题：
(1)缓冲装置软一点好还是硬一点好，你认为缓冲到什 么程度是适合的？ (2)如果你的缓冲装置做成了“蹦床”，会有哪些问题出现？如何来避免？ (3)如果你的缓冲装置中间凸，四周凹，会有哪些问题 出现？ (4)鸟类是怎么解决高处巢穴问题的？ 各组学生制作好以后示意教师，各组依次使用鸡蛋进行 三次实验，并记录实验结果。

4．任务一的展示、测验及反思（20分钟） 各组学生都做好后，开始展示和测验，之后由学生总结， 汇总在实验中发现的问题。教师要让学生充分发言，提出问 题并相互讨论得出解决方案。学生们汇总的问题预计包含如 下内容：
(1)鸡蛋从缓冲装置中掉下来损坏；

(2)缓冲装置很软，结果鸡蛋还是损坏了；

(3)缓冲装置太小，鸡蛋没有落到指定位置，而是落在 了地上：
(4)鸡蛋没有掉到缓冲装置的中心，而是掉偏了，影响 了结果。

上述问题都是系统设计的冗余和容错不够，因此学生们 要深入思考如何改进自己的设计方案。

【拓展问题】引导学生讨论：鸡蛋在落地的时候受到了 哪几方面的冲击力？针对这些冲击力怎么制作保护装置？ 5．宣布任务二及评价量规（10分钟） 【宣布任务】完善鸡蛋保护装置的设计方案，改进地面缓冲装置的设计方案，使鸡蛋从3米高处落下不会碎。各小 组先形成详细的装置设计图，经由教师检查后领取制作材料。

宣布任务后展示评价量规（见表2）。

6．任务二的执行（20分钟） 正式执行制作任务，要求学生思考以下问题：
(1)鸡蛋上可以使用哪些缓冲手段？ (2)组内分工制作好，还是一起完成好？ (3)桁架是空心的，为什么也很坚固？ (4)膨化食品包装时为什么要充满气体？ (5)修正后，你的地面缓冲结构是否存在冗余设计，你 设计了什么来保证效果？ (6)你的结构容错性能如何？如果鸡蛋没有对准，而是 掉在外面，能否保证鸡蛋仍旧完好？ 各组学生制作好以后示意教师，各组依次使用鸡蛋进行 三次实验，记录实验结果。

7．任务二的展示、测验及反思（20分钟） 测试三次。各组学生都做好后，开始展示和测验。展示 需要介绍设计思路、设计和制作中遇到的问题及其解决方法， 还可以对制作装置的应用场景做出设想。之后由学生总结， 汇总在实验中发现的问题。教师要让学生充分发言，提出问 题并讨论解决方案。

8．延伸（20分钟） 可以让学生们做一个头脑风暴，问题如下：(1)如何设计一个便于移动和快速铺设的缓冲装置，减 少轻生者高空坠楼的伤害? (2)可以增加哪些冗余设计和容错设计？