高效實(shí)施初中模型教學(xué)與訓(xùn)練

集民用船舶與軍艦的模型制作、比賽、展示、表演于一身的航海模型運(yùn)動，是一項(xiàng)涉及科技、軍事、體育、文化等方面的綜合教育活動，深受學(xué)生喜愛。筆者所在的杭州市余杭區(qū)臨平第三中學(xué)自開展這項(xiàng)教學(xué)、競賽活動以來，累計(jì)有200多人次參加，也獲得過全國、省、市、區(qū)各級獎項(xiàng)。但由于受單純的學(xué)科教學(xué)和競賽訓(xùn)練思想的束縛，其綜合性教育效果總感到不理想。在一次校外教師STEM專項(xiàng)培訓(xùn)中，專家的一場場精彩講座，讓我們眼前一亮，這不正契合我們一直苦苦尋找的教育教學(xué)方法嗎？于是，本校開始了STEM理論與海模中的“木結(jié)構(gòu)橋梁模型承重”教育教學(xué)活動相融合的探索之旅。我們的想法與做法是：基于海模項(xiàng)目的STEM活動，知理探源；基于LED的STEM活動中涉及的各領(lǐng)域，梳理學(xué)習(xí)目標(biāo)；基于海模項(xiàng)目的STEM活動流程，親歷過程；基于情境的STEM教育實(shí)施。

基于海模項(xiàng)目的STEM活動

STEM，其實(shí)是指科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的英文首字母的縮寫。下面以“木結(jié)構(gòu)橋梁模型承重”的STEM活動為例，我們發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生對木橋是既熟悉，又陌生。世上有許多木結(jié)構(gòu)的橋，如常見的木梁橋、木撐架橋和木桁架橋等；但木橋的結(jié)構(gòu)原理，對絕大多數(shù)學(xué)生來說都是從來都沒有考慮過的，借助木橋原理能給我們的生活帶來怎樣的便利呢？學(xué)生們對此充滿好奇。

木橋是人們在現(xiàn)實(shí)生活中較為常見的工程結(jié)構(gòu)，利用木橋結(jié)構(gòu)解決生活中的問題是一個典型的工程設(shè)計(jì)類問題。學(xué)生在建模時，需要將科學(xué)與工程技術(shù)問題有效結(jié)合，將在教學(xué)活動中學(xué)到的零散知識系統(tǒng)整理，成為他們探究世界的載體。

梳理學(xué)習(xí)目標(biāo)

在初中模型教學(xué)與訓(xùn)練活動中，我們學(xué)校老師將按照如下表格內(nèi)容為學(xué)生制訂教學(xué)目標(biāo)，設(shè)置教學(xué)內(nèi)容。（見表一）具體來說，就是通過基于LED的STEM活動中涉及的各領(lǐng)域，梳理學(xué)習(xí)目標(biāo)。其中“LED”，即發(fā)光二極管。

親歷STEM活動過程

基于海模項(xiàng)目的STEM活動，我們參考了以下流程進(jìn)行探究學(xué)習(xí)：

第一步：運(yùn)用各種創(chuàng)新思維方法，尋找設(shè)計(jì)機(jī)會。收圖法，即通過收集各種橋梁的圖片，了解各種結(jié)構(gòu)形式，尋找可以參考設(shè)計(jì)的樣式。SCAMPER法，即思考對已有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變：①替代（Substitute），即根據(jù)我們的設(shè)計(jì)要求，哪些部件、材料、連接方式是可以替代的；②合并（Combine），即哪些部分做法是可以合并的；③改造（Adapt），即改變功能或部分結(jié)構(gòu)；④調(diào)整Modify（magnify， minify），即如形狀、大小的調(diào)整；⑤挪改（Put to other uses），即挪作他用或改變意圖；⑥去除（Eliminate）簡化，即找出可去除部分，舍棄部分功能或特征，凸顯結(jié)構(gòu)的核心功能；⑦重組（Reverse，rearrange），即可逆操作，如通過上下顛倒、里外互換等方法，進(jìn)行逆轉(zhuǎn)、重組。

第二步：探究木橋的結(jié)構(gòu)原理，提出解決方案。①空腹拱橋：為什么拱圈上設(shè)小拱，用橫梁和支柱支撐橋面？（減輕橋梁載荷，增大橋梁泄水面積）②實(shí)腹拱橋：為什么在拱圈腹部兩側(cè)填實(shí)后鋪裝路面？③多孔拱橋：連拱有什么作用？④肋拱橋：拱圈上的拱肋有什么作用？⑤兩絞拱橋：兩個拱腳為什么設(shè)絞支座？經(jīng)過一番探究，明白了原理之后，教師再引導(dǎo)學(xué)生圍繞自己的問題，提出一些解決方案。

第三步：圍繞四個要素，進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)思。首先要明確設(shè)計(jì)要求，然后選擇材料，預(yù)算需要量，畫出草圖。

第四步：制作、測試、改進(jìn)。

第五步：展示與交流。

基于情境的STEM教育實(shí)施

結(jié)合技術(shù)與工程活動，創(chuàng)設(shè)科學(xué)教學(xué)情境 活動的設(shè)置是為教學(xué)服務(wù)的，目的是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識。為此，教師在設(shè)置活動時，應(yīng)從學(xué)生實(shí)際出發(fā)，圍繞學(xué)生興趣展開，傳遞科學(xué)精神。我們下面以“小小橋梁建筑師”為案例進(jìn)行闡述，此案例是初中一年級“做中學(xué)”的典型的教學(xué)模塊，突現(xiàn)了當(dāng)前科學(xué)教育改革的精神。該模塊的核心設(shè)計(jì)是增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，圍繞其開展相應(yīng)的設(shè)計(jì)與技術(shù)教學(xué)活動。（見表二）活動中，設(shè)計(jì)與操作同等重要，即工程的設(shè)計(jì)和學(xué)生的操作技術(shù)都影響決定著結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，這是一個科學(xué)與技術(shù)交織在一起的案例。為此，學(xué)生首先要做的是分析三角形與正方形的特點(diǎn)，找到其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與穩(wěn)定性的關(guān)系，明確三角形是穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；然后尋找能夠增加穩(wěn)固行的材料，找尋最合理的連接方式；最后設(shè)計(jì)制作出橋梁模型。

基于實(shí)際制造情境，融合科學(xué)問題與工程技術(shù) 在教學(xué)活動中，如何將科學(xué)問題與工程技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來呢？我們下面以“各種粘合劑的粘性”為案例進(jìn)行闡述?！罢澈蟿表?xiàng)目首先通過橋梁模型制作粘合遇到的問題情境設(shè)置，需要解決的問題是：如何讓膠水更容易凝固？而學(xué)生需要進(jìn)行探究的注意事項(xiàng)是：盡量多的數(shù)據(jù)，從而保證結(jié)果更加可信；注意記錄不同粘合劑的凝固時間以及效果，從中總結(jié)感受科學(xué)工作的方式與意義。基于橋梁模型制作粘合遇到的問題情境的設(shè)計(jì)，要有足夠的新穎性，進(jìn)而給學(xué)生足夠的啟發(fā)，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)、操作的同時，提高自己的思維水平和知識的綜合運(yùn)用能力。

現(xiàn)設(shè)置案例情境—：當(dāng)502強(qiáng)力膠重復(fù)粘合失效時。我們制作木橋梁模型，需要將幾十根、上百根木條粘合起來，粘合的牢固度直接影響到模型的承重能力。我們發(fā)現(xiàn)：雖然目前所使用的502膠水是很強(qiáng)的粘合劑，但是當(dāng)?shù)诙握澈贤粋€地方時就失去粘合能力了，導(dǎo)致我們需要消耗大量的時間來處理這個問題，這不僅浪費(fèi)了許多木條、膠水和人工，而且膠水粘在手上難以洗掉，還有一定毒性，氣味也難聞。怎樣解決這個問題呢？我們希望能有專家提供盡量多的科學(xué)方法和建議，包括測量不同種類粘合劑粘性的數(shù)據(jù)。（見表三）

活動1：生活中的粘合劑。（讓學(xué)生了解和調(diào)查以下信息）

①水溶型粘合劑：用水作溶劑，常見材料有淀粉、糊精等。

②熱熔型粘合劑：通過加熱使粘合劑熔化后使用，是一種固體粘合劑。一般熱塑性樹脂均可使用，如聚氨酯、聚苯乙烯等。

③溶劑型粘合劑：不溶于水而溶于某種溶劑的粘合劑，如蟲膠、丁基橡膠等。

④乳液型粘合劑：多在水中呈懸浮狀，如醋酸乙烯樹脂、氯化橡膠等。

⑤無溶劑液體粘合劑：在常溫下呈粘稠液體狀，如環(huán)氧樹脂等。

活動2：測量粘性。（見表四）

活動3：改變淀粉粘合劑粘性。

任務(wù)：單一粘度的粘合劑，膠化點(diǎn)為61℃開始，63℃完成。

方法：①淀粉在常溫水中攪動，觀察：質(zhì)點(diǎn)分散成乳狀，不會溶解和吸收水分；

②加熱，觀察：分散于水中的淀粉，開始吸收水分而膨脹；生淀粉，大約在70℃開始膨脹；溫度升高到90℃，膨脹作用完成。

結(jié)果：粘結(jié)時膠化迅速；膠化的淀粉很粘稠，其程度視水中的淀粉量而定；粘度通常在27～32秒之間。

活動4：不同粘性膠水配制挑戰(zhàn)。

制作方法①：阿拉伯樹膠4.5份，水100份。先浸漬24小時，再放在水浴上加熱到完全溶解；然后加液體石炭酸1份，攪拌均勻，用布過濾后，冷卻，裝瓶。試驗(yàn)：紙張粘合效果。（阿拉伯樹膠為豆科植物膠樹或他屬植物樹干中滲出的一種樹膠凝固而成，無色或淡黃色半透明的粒狀或碎塊，無臭、味淡而粘滑，質(zhì)地極脆，表面微有光澤，研成粉末為純白色，粘性極強(qiáng)。主要成分阿拉伯樹膠素，實(shí)際就是樹膠素的鈣鉀等鹽類，還含有氧化酵素、過氧化酵素和鞣酸等，多利用其粘性制造各種膠合劑。如需紙與金屬粘合，須加強(qiáng)力興水）

制作方法②：樹膠3份，汽油30份，乳香假漆1份。先將樹膠剪成小塊，加入汽油，不斷搖晃，溶解；再加入乳香假漆，調(diào)勻。如果太稀，可放鍋中隔水稍加熱，使汽油略微揮發(fā)（切勿近火）；如果太濃，可添加適量汽油。

制作方法③：阿拉伯樹膠180份，水550份，甘油60份，石炭酸1份。先把水加入甘油里沖稀，把阿拉伯樹膠浸入其余水中24小時；然后倒入鋁鍋中在放在另一個鍋中加熱，溫度保持在60度至71度之間（過熱則破壞粘性），不斷攪拌直到膠粒全部熔化，厚薄均勻，拿起鋁鍋，停止加熱；加入沖稀了的甘油和石炭酸，再用力攪拌，各種原料均勻混合。

制作方法④：骨膠56份，膠性鈉8份，松香水8份，水48份。先把松香搗碎，導(dǎo)入苛性鈉溶液里，在攪拌下加熱約45分鐘，直到全部熔化；再把事先浸泡的骨膠水加入溶液里，放在鋁鍋里加熱，溫度保持在60度至71度之間，煮成均勻的膠水。試驗(yàn)：金屬物表面貼紙，膠水遇水不脫落。

活動5：502膠水使用建議。

①先清潔被粘物表面，除去表面的灰塵、油污等，對PE、PP等塑膠粘接時，應(yīng)先使其表面活化；

②開膠水瓶前蓋，用手指輕扣尖端部位，使它不留有殘余液體，再用剪刀剪出孔穴；

③在被粘物表面滴一小滴膠水，立刻進(jìn)行粘接，并保持至硬化為止，粘接面積不宜太大；

④使用后，擦拭干凈膠水瓶，蓋嚴(yán)蓋子，存放于陰涼、干燥處或冷藏。

基于生活情境，巧妙結(jié)合科學(xué)、技術(shù)和工程問題 我們下面以船艙的密封為案例進(jìn)行闡述。模型船船艙是安置電機(jī)、接收機(jī)等電子部件的地方，一旦進(jìn)水，直接損壞船的工作核心。密封方式的不同，艙蓋與艙口部分結(jié)合的牢固度也會不同，因此，我們可以讓學(xué)生通過動手探究，找到最好的密封方式。其中，學(xué)生門需要了解各種材料的特征和特性、不同連接方式的特點(diǎn)、各種連接方式所適用的材料特點(diǎn)、受力的控制等諸多相關(guān)知識，并在科學(xué)原理的指導(dǎo)下，利用合理的工程技術(shù)來動手制作。在具體實(shí)踐中，學(xué)生們可以通過觀察，了解到較為常見的模型船艙蓋，進(jìn)一步知道它能夠運(yùn)用的密封方式；同時，還可以通過增加特定裝置，運(yùn)用其他的密封方式，知道怎樣才能實(shí)現(xiàn)自由開合。學(xué)生們經(jīng)過詳細(xì)記錄和認(rèn)真分析，逐漸整理出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)、相關(guān)的條件限制、材質(zhì)選擇的注意事項(xiàng)等。下面是“探索自動鎖緊艙蓋”的活動方案：

【引入】

①這幾艘船的船艙與艙蓋之間，在什么情況下會松開，會進(jìn)水？你用什么方法處理的？

②看一看老師的處理方式，試著打開和蓋上。再仔細(xì)觀察這些船艙蓋與艙口的構(gòu)造。注意它們有些什么共同點(diǎn)和不同之處。

③畫出至少兩種不同艙蓋與艙口的構(gòu)造。寫一寫這些艙蓋是如何工作的。和同伴、老師分享你的發(fā)現(xiàn)和思考。

【探索】

①設(shè)計(jì)一個能艙口封住的密封裝置，繪制計(jì)劃草圖。

②在老師同意你的計(jì)劃之后，使用你能得到的材料建構(gòu)一個工作模型。

③進(jìn)行模型測試后再進(jìn)行修改，最終得到你的最佳艙蓋模型。

（安全提示：在實(shí)驗(yàn)過程中注意安全操作規(guī)程）

【解釋】

①解釋你的結(jié)構(gòu)是如何將艙口封住的。包括描述其中的受力，通過畫圖的形式用箭頭表示出受力的情況。

②將你的設(shè)計(jì)和你之前觀察的艙蓋相比較。寫出它們的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)。你做的是哪種結(jié)構(gòu)？

③在班級分享你的模型和解釋，討論用于封住艙口的不同方法。

主要體會

通過初步嘗試實(shí)踐，我們體會到：一線教師在活動設(shè)計(jì)和實(shí)施時，要充分考慮初中學(xué)生的認(rèn)知和生理發(fā)展的特點(diǎn)，以及他們初次接觸工程技術(shù)教育時的實(shí)際情況。

在初中階段，大多數(shù)學(xué)生對外部世界的認(rèn)識較為感性，因而我們需要提前告知學(xué)生相關(guān)的任務(wù)，使他們對任務(wù)對象有全面的了解；同時，還需要引導(dǎo)學(xué)生搜索相關(guān)科學(xué)知識，明確設(shè)計(jì)的意義，保證制作與設(shè)計(jì)的統(tǒng)一性等。在具體活動中，教師要尊重學(xué)生的創(chuàng)造性和多樣性，給予學(xué)生更多的自由，包括從材料的選取、結(jié)構(gòu)的創(chuàng)作、制作工藝的確定到展示方式的運(yùn)用等方面，都要給學(xué)生們最大的自由發(fā)揮空間。其中，我們可以允許學(xué)生有看起來并不切實(shí)際的想法，并鼓勵學(xué)生自己在動手操作中替換更實(shí)際的設(shè)計(jì)。同時，還要給學(xué)生充足的時間，讓他們能夠完整地體會工程設(shè)計(jì)與制作的整個流程，真正在動腦、動手的過程中學(xué)習(xí)知識和運(yùn)用知識，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生各個方面的技能和認(rèn)識。

通過這次的探索之旅，我們深切地感受到：對于勞技課、科技課教師而言，既要有更開闊的教育視野，又要有更廣博知識基礎(chǔ)和更精專的技術(shù)指導(dǎo)能力。在當(dāng)前新一輪課改中，我們臨平三中教師還任重而道遠(yuǎn)。