优秀STEAM案例 | 保护鸡蛋——工程设计中的冗余与容错

课程背景与目标 ：在工程学中，冗余是指额外设计或复制关键的部件、系统的主要功能，意图提高系统的可靠性；容错是指在系统的部分组件出现问题的时候，整个系统仍然能够正常运行。因此，冗余设计和容错设计是工程设计中十分重要的组成部分。

本课旨在让学生通过设计保护高空坠落的鸡蛋来体会工程设计中的冗余思维与容错思维，进而学会全面思考与细心做事。

这项活动看似简单，但其实对学生来说有一定难度。此外，学生往往习惯了“寻找正确答案”的思维模式，通过创意活动这种没有唯一的解决方案的形式，可以释放学生的想象力、创造力和发散性思维能力，帮助学生认识到在现实生活中解决真实问题的思维方式和在学校中有什么不同——往往没有唯一的正确答案，只有较优的解决方案，需要跳出固有框架思考，发散思维寻找方法，并不断进行反思。

课程领域 ：艺术、语文、生物、物理、工程

建议年级 ：六年级

建议时间 ：基础课程115分钟；延伸课程20分钟 课程任务 ：学生通过多媒体手段回顾生活中的各类高空坠落现象，思考高空坠落对坠落物会带来哪些伤害，并思考现实生活中是如何防止这些伤害发生的。在此基础上，对于高空坠落的鸡蛋，学生进行想象，通过小组合作，设计缓冲方式与结构，保证鸡蛋完好。学生在活动中学习如何与他人进行交流合作，共同完成从自由畅想到创意制作这一过程。

教学过程

一、导入(15分钟)

播放高空坠物的视频，包括高空抛物、跳伞兵打开降落伞下降、建筑工地防护措施、飞船返回陆地、蹦床运动等视频。通过视频，教师提出以下问题让学生思考。

高空坠落会给坠落物带来哪些伤害?

1千克的水从万米高空洒下，会伤人吗?

一只老鹰、一只兔子和一只蚂蚁从高空坠落，分别会发生什么?

视频中有哪些减缓坠落的方法?试着总结一下。

你能用你自己的话说明这些减缓坠落的方法分别是什么原理吗?

你从100米高空掉到水里，假设水足够深，你会受伤吗?

通过以上问题，学生会在脑海中构建起保护高空坠物的方法。

二、执行任务(100分钟)

1.出示任务和评价量规(5分钟)

(1)任务:以小组为单位制作一个地面缓冲装置，使鸡蛋从1.5米高的高度落下不会碎。学生先进行方案的设计，然后凭设计方案领取制作材料。

(2)材料:生鸡蛋、细绳、吸管、厚纸巾或报纸、黏土或橡皮泥、保鲜膜、筷子、中号塑料袋、橡皮筋、气泡膜、胶带、剪刀。

(3)评价量规:地面缓冲装置设计评价量规

2.设计和制作(25分钟)

学生自由使用材料，制作一个缓冲装置。在制作过程中，教师询问学生以下问题，启发学生思考。

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合适的?

如果你的缓冲装置做成了“蹦床”，会有哪些问题出现?如何避免?

如果你的缓冲装置中间凸、四周凹，会有哪些问题出现?

鸟是怎么解决巢穴问题的?是如何考虑缓冲因素的?

各小组制作好以后示意教师，依次使用鸡蛋进行三次实验，记录实验结果，三次实验高度均为1.5米。

３.修正设计(20分钟)

各小组根据实验结果进行总结，汇总在第一轮实验中发现的一些问题(或不成功之处)，并通过讨论得出解决方案。

汇总的问题(或不成功之处)可能包含如下内容。

鸡蛋从缓冲装置中掉下来损坏了。

缓冲装置太软，结果鸡蛋还是损坏了。

缓冲装置太小，鸡蛋没有落到指定位置，而是落在了地上。

鸡蛋没有掉到缓冲装置的中心，而是掉偏了，影响了结果。

教师也可根据学生表现，引导学生进一步讨论：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设计保护装置?

这些问题(或不成功之处)都是系统设计的冗余和容错不够造成的，因此学生要深入思考如何对自己设计的缓冲装置进行改进。

此时教师出示下一步实验任务：允许在鸡蛋上制作保护装置，但下落的高度提高至3米(可考虑户外)。

各小组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，形成详细的装置设计图，并交由教师检查，领取制作材料。

4.制作（35分钟）

学生自由使用材料进行制作。在制作过程中，教师询问学生以下问题，启发学生思考。

鸡蛋上面可以使用哪些缓冲装置?

修正后，你的地面缓冲结构是否有冗余设计?你设计了什么来保证效果?

你设计的结构容错率如何?如果鸡蛋没有对准，而是掉在外面，能否保证鸡蛋仍然完好?

桁架是空心的，为什么也很坚固?

膨化食品包装时为什么要充满气体?

各小组制作好以后示意教师，并使用鸡蛋进行三次实验，记录实验结果。

5.测试(15分钟)

测试三次。装置总质量也需要称量，最轻的装置得分最高。

测量结束后，各小组进行展示。展示需要介绍设计思路、设计和制作中遇到的问题以及解决方案，还可以对装置的应用场景做出设想。

之后学生总结，汇总在第二轮实验中发现的一些问题，并通过讨论得出解决方案。

三、延伸 (20分钟)

可以让学生围绕以下问题进行头脑风暴。

能否设计一个便于移动和快速铺设的缓冲装置，以减少轻生者高空坠落造成的伤害?说出你的想法，尽可能详细。

这个结构可以增加哪些冗余设计和容错设计?

文章来源：《美国STEM课例设计》

作者：陈如平、李佩宁

转自：STEAM教师

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原标题：《优秀STEAM案例 | 保护鸡蛋——工程设计中的冗余与容错》

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