李佩宁

工程学中，冗余是指额外设计或复制关键的部件或者系统的主要功能，意图提高系统的可靠性。而容错是指系统的部分组件在出现问题的时候，整个系统仍然能够正常运行。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）一公斤水从万米高空洒下，会伤人么？

（3）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？

（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，你认为缓沖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？

（责任编辑 张慧籽）