李佩寧

工程學中，冗余是指額外設計或復制關(guān)鍵的部件或者系統(tǒng)的主要功能，意圖提高系統(tǒng)的可靠性。而容錯是指系統(tǒng)的部分組件在出現(xiàn)問題的時候，整個系統(tǒng)仍然能夠正常運行。因此冗余和容錯在工程設計中十分重要。

一、課程重點

本課旨在通過讓學生設計保護高空墜落的雞蛋，來體會工程設計中冗余思維與容錯思維，進而讓學生學會全面思考與細心做事。

【涉及領(lǐng)域】藝術(shù)、語文、生物、物理、工程

【建議年級】小學高年級

【建議時間】135分鐘

【材料】兩個生雞蛋；細繩；10支吸管；5張厚紙巾或報紙；黏土或橡皮泥；保鮮膜；5雙筷子；中號塑料袋；10根橡皮筋；1張泡泡紙；膠帶；剪刀

二、課程任務

通過多媒體手段，學生對生活中各類高空墜落（如高空拋物、降落傘、飛船回收等）現(xiàn)象進行回顧，思考高空墜落會帶來哪些損害以及現(xiàn)實生活中如何防止損害的發(fā)生。在此基礎上，對于高空掉落的雞蛋，學生展開想象，通過小組合作，設計緩沖方式與結(jié)構(gòu)，以保證雞蛋完好。

三、 課程步驟

1.導入（15分鐘）

播放多段關(guān)于高空墜物的視頻，要求學生思考如下問題：

（1）高空墜落會帶來哪些損害？

（2）一公斤水從萬米高空灑下，會傷人么？

（3）一只老鷹、一只兔子和一只螞蟻從高空墜落，分別會發(fā)生什么？

（4）視頻中提到哪些減緩墜落的方法？

（5）請用你自己的話說明這些減緩墜落的方法分別是什么原理。

（6）試想你從100米高空跳到水里，假設水足夠深，你會受傷嗎？

通過思考以上問題，學生會在腦海中對如何保護高空墜物進行建構(gòu)。

2.宣布任務一及評價量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務】制作一個地面緩沖裝置，使雞蛋從1.5米高處落下不會碎。學生先進行方案的設計，憑設計方案領(lǐng)取制作材料。宣布任務后展示評價量規(guī)（見表1）。

3.任務一的執(zhí)行（20分鐘）

正式執(zhí)行制作任務，要求學生思考以下問題：

（1）緩沖裝置軟一點好還是硬一點好，你認為緩沖到什么程度是適合的？

（2）如果你的緩沖裝置做成了“蹦床”，會有哪些問題出現(xiàn)？如何來避免？

（3）如果你的緩沖裝置中間凸，四周凹，會有哪些問題出現(xiàn)？

（4）鳥類是怎么解決高處巢穴問題的？

各組學生制作好以后示意教師，各組依次使用雞蛋進行三次實驗，并記錄實驗結(jié)果。

4.任務一的展示、測驗及反思（20分鐘）

各組學生都做好后，開始展示和測驗，之后由學生總結(jié)，匯總在實驗中發(fā)現(xiàn)的問題。教師要讓學生充分發(fā)言，提出問題并相互討論得出解決方案。學生們匯總的問題預計包含如下內(nèi)容：

（1）雞蛋從緩沖裝置中掉下來損壞；

（2）緩沖裝置很軟，結(jié)果雞蛋還是損壞了；

（3）緩沖裝置太小，雞蛋沒有落到指定位置，而是落在了地上；

（4）雞蛋沒有掉到緩沖裝置的中心，而是掉偏了，影響了結(jié)果。

上述問題都是系統(tǒng)設計的冗余和容錯不夠，因此學生們要深入思考如何改進自己的設計方案。

【拓展問題】引導學生討論：雞蛋在落地的時候受到了哪幾方面的沖擊力？針對這些沖擊力怎么制作保護裝置？

5.宣布任務二及評價量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務】完善雞蛋保護裝置的設計方案，改進地面緩沖裝置的設計方案，使雞蛋從3米高處落下不會碎。各小組先形成詳細的裝置設計圖，經(jīng)由教師檢查后領(lǐng)取制作材料。宣布任務后展示評價量規(guī)（見表2）。

6.任務二的執(zhí)行（20分鐘）

正式執(zhí)行制作任務，要求學生思考以下問題：

（1）雞蛋上可以使用哪些緩沖手段？

（2）組內(nèi)分工制作好，還是一起完成好？

（3）桁架是空心的，為什么也很堅固？

（4）膨化食品包裝時為什么要充滿氣體？

（5）修正后，你的地面緩沖結(jié)構(gòu)是否存在冗余設計，你設計了什么來保證效果？

（6）你的結(jié)構(gòu)容錯性能如何？如果雞蛋沒有對準，而是掉在外面，能否保證雞蛋仍舊完好？

各組學生制作好以后示意教師，各組依次使用雞蛋進行三次實驗，記錄實驗結(jié)果。

7.任務二的展示、測驗及反思（20分鐘）

測試三次。各組學生都做好后，開始展示和測驗。展示需要介紹設計思路、設計和制作中遇到的問題及其解決方法，還可以對制作裝置的應用場景做出設想。之后由學生總結(jié)，匯總在實驗中發(fā)現(xiàn)的問題。教師要讓學生充分發(fā)言，提出問題并討論解決方案。

8.延伸（20分鐘）

可以讓學生們做一個頭腦風暴，問題如下：

（1）如何設計一個便于移動和快速鋪設的緩沖裝置，減少輕生者高空墜樓的傷害？

（2）可以增加哪些冗余設計和容錯設計？

（責任編輯 張慧籽）