随着世界变得越来越复杂，学生将会遇到需要创新思维才能解决的问题。当考虑到人的需求和对环境的影响时，这些问题会越发复杂。《新一代科学教育标准》（NGSS）通过引入工程设计培养学生定义与界定问题、设计解决方案、优化设计方案的能力，同时最大限度地提高效益并将风险降到最低（NGSS，2013）。设计思维能够进一步推动工程设计过程，因为工程设计解决方案会根据所服务的对象和适用环境的不同而不同（Brown，2008）。例如，如果任务是“建造一栋结实的建筑”，佛罗里达州的学生会考虑建筑能否承受飓风带来的强风和暴雨，而在地震频发的加利福尼亚州，学生会认为结实的建筑是指那些抗震的建筑。

通过与加州的一所互动科学中心合作，我们开发了让学生参与设计思维的工程学活动。本文介绍的活动是一个由四部分组成的单元的一部分，该单元以地震为中心，并引入共振频率的概念。当地震波遇到建筑物时，随之而来的地面振动会导致建筑来回晃动。一些地震波速度慢、时间长，另一些则快速来回移动。不同类型的振动会引起建筑物的不同反应，有时会产生令人意外的结果。例如，学生可能会看到这样的图片：在大城市里发生地震后，只有中等高度的建筑受损，而最高和最矮的建筑反而完好无损。之所以会发生这种情况，是因为每栋建筑都有自己的振动频率，在这个频率下，建筑物自然地来回摆动。如果地震引起的地面运动正好与建筑的自然振动频率相匹配，建筑物就会开始以越来越大的幅度来回摇摆。当这种摇摆足够剧烈时，就会引起极端的结构损坏。科学家将引起建筑摆动的频率称为建筑的共振频率，而我们在整个活动中都将使用“摆动点”一词。

这里描述的活动是在互动科学中心实地考察时开展的活动。我们假设学生对波的波长、频率和能量传输之间的关系有一定了解，这些知识既可以从标准课程获得，也可以通过我们设计的2个课堂活动获得，这2个课堂活动是我们开发的补充活动，教师在带学生开展实地活动前可以选择性使用（见在线资源）。在第1个活动中，学生探索学校周围的各种结构，了解在建筑中常见的稳固方法。在第2个活动中，学生通过改变施加在卡片纸上的振动频率，观察不同大小卡片纸的共振频率。在这个活动中，学生了解了波是如何让物体移动的，就像他们向卡片纸传输能量一样。本文介绍的活动任务是让学生将一个三维建筑稳定在变频振动台上，学生将用到在2个活动中学到的知识和经验。这是一次在互动科学中心开展的试点活动，对象是小学四五年级学生。接下来，我们将完整地描述整个活动，提供试点活动中学生想法的样例，并给出将活动改为适应课堂环境的建议。

引入

我们将1个1∶75的摩天大楼框架模型放在1个固定振幅的变频振动台上，向学生展示它的运动。学生只能改变振动频率，不能调节振动幅度。学生在观察建筑运动的同时，教师慢慢地调节平台的振动频率，从0周/秒（平台静止）到24周/秒（最大振动频率）。这时教师问学生：“这里发生了什么？”“你为什么这么想？”有几个学生回答：“地震……因为大楼在摇晃。”一个学生提到大楼“很结实，因为在来回摇晃的时候它并没有倒塌”。可以使用思考—分组—共享或反思写作鼓励学生参与讨论。

探究

接下来教师将讨论的焦点从单一模型的演示，转移到了6个放在房间周围振动台上的建筑框架模型上，它们最矮的0.5米、最高的1米，每个建筑的结构都略有不同。在其中2栋建筑上，将金属垫圈悬挂在2根横梁之间形成钟摆；另2栋建筑在竖梁上贴上便笺卡；最后2栋建筑将木棒交叉粘到竖梁上形成支撑结构（图1）。

学生发现这些建筑之间的主要区别是尺寸不同（分为3种尺寸，矮、中、高），并且一些建筑上附着了额外的材料。学生以小组为单位，对每个建筑进行观察，测试它们在全频率范围内的运动。需要注意的是，每个建筑必须使用魔术贴固定在平台上以保证学生的安全。此外，振动台的频率不能超过建筑模型的断裂点，避免模型倒塌的风险。在所有小组完成每栋建筑的测试后，教师组织学生分享他们的观察和推论。一个学生注意到，悬挂在建筑物上的2个金属垫圈的位置彼此垂直（图2），并且只有沿振动台运动方向的摆锤在测试时才出现摆动。另一个学生表示：“重量较轻的建筑晃动较慢，重量较大的建筑晃动较快。”（学生并未给建筑称重，但是学生可能认为更高的建筑比更矮的建筑重）。还有一个学生观察到“当你要把振动调到最高频率的时候，建筑物开始剧烈晃动，但是当你把振动调到最大时，建筑物反而停止晃动了。”教师根据这一观察结果询问学生是否还有其他人在测试时注意到了类似现象，有几个学生给出了肯定的回答。将建筑物在某些频率下晃动更大这一想法与安全联系起来后，学生表示他们更希望建筑物晃动得不那么剧烈，因为那样会更安全。