基于STEM理念重構(gòu)科學(xué)課的“形狀與結(jié)構(gòu)”單元

江美華

[摘 要]基于STEM的相關(guān)理念反思科學(xué)教材，發(fā)現(xiàn)單元結(jié)構(gòu)和學(xué)生的學(xué)習(xí)心理和認(rèn)知規(guī)律存在不匹配之處。通過(guò)對(duì)教材單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建，引導(dǎo)學(xué)生從“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”，從而讓科學(xué)研究活動(dòng)更有深度。

[關(guān)鍵詞]STEM；重建；單元結(jié)構(gòu)

基于STEM理念反思當(dāng)前的科學(xué)教學(xué)，會(huì)發(fā)現(xiàn)科學(xué)教材在單元結(jié)構(gòu)上存在諸多不合理之處。以教科版六年級(jí)上冊(cè)“形狀與結(jié)構(gòu)”單元為例，第一至七課主要是與橋梁有關(guān)的知識(shí)，直到第八課才提出任務(wù)“用紙?jiān)煲蛔鶚颉?，旨在讓學(xué)生應(yīng)用前七課所學(xué)知識(shí)。初看這種編排，很好地體現(xiàn)了學(xué)科學(xué)、用科學(xué)的思想，即先學(xué)習(xí)知識(shí)，再運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題。但STEM教育提倡從發(fā)現(xiàn)工程問(wèn)題開(kāi)始，提供一系列背景經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)，然后再讓學(xué)生采用工程過(guò)程來(lái)解決問(wèn)題，其中包括問(wèn)題的重申、定義問(wèn)題、設(shè)計(jì)工程過(guò)程流程圖、提出工程建議書(shū)等。這樣才能使學(xué)生以任務(wù)或項(xiàng)目為導(dǎo)向，經(jīng)歷主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、探究、學(xué)習(xí)和應(yīng)用的過(guò)程?；谝陨峡紤]，對(duì)“形狀與結(jié)構(gòu)”這一單元可進(jìn)行一些調(diào)整（見(jiàn)表1）。實(shí)際上教材內(nèi)容沒(méi)有改變，只是單元架構(gòu)發(fā)生了變化，實(shí)踐證明，這樣的調(diào)整有效。

一、“畫(huà)”出學(xué)生的前概念

調(diào)整后的第一課是“環(huán)球橋之旅”。教師引導(dǎo)學(xué)生欣賞和了解橋的發(fā)展史，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)情境：金華市的通濟(jì)橋在上下班的高峰期車(chē)輛擁堵，為解決這一困擾多年的社會(huì)問(wèn)題，金華市委、市政府面向全國(guó)征集新橋的設(shè)計(jì)圖。如果請(qǐng)同學(xué)們也參與設(shè)計(jì)這座新橋，你們會(huì)怎么做呢？教師用這一真實(shí)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生先憑借經(jīng)驗(yàn)和課外閱讀有目的地設(shè)計(jì)一座橋，并制作自己想要建造的橋的草圖，然后在科學(xué)教材中找到相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行探究，以便能夠支持自己持續(xù)解決問(wèn)題，即從橋的各個(gè)部分出發(fā)，對(duì)設(shè)計(jì)圖中不科學(xué)、不完善的地方加以改進(jìn)。學(xué)生研究完這一單元的內(nèi)容，設(shè)計(jì)圖也就變得更加科學(xué)合理了。接著再讓學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)圖，用指定材料制作一座橋。

學(xué)生在了解了橋的發(fā)展史后，開(kāi)始小組合作繪制設(shè)計(jì)草圖。學(xué)生基于前概念設(shè)計(jì)的草圖，必然會(huì)暴露出很多問(wèn)題。如多數(shù)小組只是根據(jù)生活中常見(jiàn)的橋進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏創(chuàng)新；學(xué)生對(duì)于橋面的厚度、寬度沒(méi)有概念，很多橋面較窄，缺乏實(shí)用性；有些橋的鋼拉索集中在橋塔的頂端，而非在橋塔上均勻分布；有些橋塔沒(méi)有伸到河底等。但學(xué)生設(shè)計(jì)的橋大多都是拱形的，這說(shuō)明他們用到了生活經(jīng)驗(yàn)，但要讓學(xué)生說(shuō)出為什么這樣設(shè)計(jì)，又說(shuō)不出理由。設(shè)計(jì)草圖中出現(xiàn)的問(wèn)題都會(huì)成為教學(xué)的切入點(diǎn)和后續(xù)探究活動(dòng)的動(dòng)力。最后，請(qǐng)每個(gè)小組上臺(tái)介紹本組的設(shè)計(jì)草圖和設(shè)計(jì)理念。課后將學(xué)生的設(shè)計(jì)草圖張貼在教室里，在后面的教學(xué)中，這些設(shè)計(jì)圖還會(huì)被不斷改進(jìn)。

二、“做”出紙梁的承受力

1.橋面尺寸與抗彎曲能力

這一課主要是對(duì)橋面的抗彎曲能力進(jìn)行研究。教師提出要求：我們?cè)O(shè)計(jì)的橋必須保證車(chē)輛能夠正常通過(guò)，且不會(huì)斷裂。這時(shí)學(xué)生調(diào)動(dòng)生活經(jīng)驗(yàn)，提出要增加橋面的寬度和厚度，考慮橋面的建筑材料，甚至提出改進(jìn)橋的形狀等。這時(shí)教師再追問(wèn)橋面的抗彎曲能力與哪些因素有關(guān)，學(xué)生的回答更準(zhǔn)確了，如提出橋面的材料、橋面的長(zhǎng)度、橋面的寬度、橋面的厚度……然后在討論的基礎(chǔ)上明確本節(jié)課要研究的問(wèn)題：橋面的寬度和厚度對(duì)抗彎曲能力有什么影響。然后師生一起設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，有目的地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與分析，最后歸納出一個(gè)結(jié)論：橋面的寬度和厚度都會(huì)影響橋的抗彎曲能力，其中厚度的影響更顯著。這時(shí)再讓學(xué)生對(duì)之前的設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見(jiàn)，用便利貼附在草圖上。

2.材料結(jié)構(gòu)與抗彎曲能力

在上一節(jié)課的探究與實(shí)驗(yàn)中，已知增加橋面的厚度和寬度都能提高橋的抗彎曲能力。但所有工程都要考慮材料和成本。當(dāng)橋面的厚度和寬度增加時(shí)，橋面的重量也會(huì)增加，若超過(guò)橋墩的載荷，橋梁可能斷裂或損毀。工程師要怎樣實(shí)現(xiàn)既增強(qiáng)橋的抗彎曲能力，又盡量減少橋面重量呢？學(xué)生在上一節(jié)課的基礎(chǔ)上，很容易想到抗彎曲能力與形狀有關(guān)系。這時(shí)便可自然引出探究主題：形狀與抗彎曲能力。

學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)測(cè)試W形、O形、L形、T形、U形、工字形紙橋的抗彎曲能力，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)同種材料的紙梁，當(dāng)彎折的形狀不同時(shí)，其抗彎曲能力也不同，其中W形紙梁抗彎曲能力最強(qiáng)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，不同形狀的穩(wěn)定性也不同，如圓形最不穩(wěn)定，容易滾動(dòng)；方形也不穩(wěn)定，容易變形；W形非常穩(wěn)定，堅(jiān)固不倒。這時(shí)教師順?biāo)浦?，讓學(xué)生討論生活中的W形結(jié)構(gòu)。于是學(xué)生在記憶中搜索，想到了房頂上的瓦片、鋼鐵大橋的橋面、包裝箱的瓦楞紙板等。接下來(lái)教師提供瓦楞紙板材料，請(qǐng)學(xué)生用手從瓦楞紙板的各個(gè)方向掰動(dòng)，感受瓦楞紙板的抗彎曲能力。學(xué)生用很大的力氣才掰開(kāi)瓦楞紙板，于是師生一起研究紙板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在“解剖”觀察中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，原來(lái)瓦楞紙板的內(nèi)部就是用上下兩層紙粘緊的W形結(jié)構(gòu)。

最后再回到之前的設(shè)計(jì)草圖，考慮還能用什么辦法增加橋面的抗彎曲能力。學(xué)生便很容易想到在橋面上應(yīng)用W形結(jié)構(gòu)，既能增強(qiáng)抗彎曲能力，又能節(jié)省材料和減輕重量。

3.梁體形狀與抗彎曲能力

這節(jié)課要帶領(lǐng)學(xué)生探究拱形的神奇力量。反觀第一節(jié)課時(shí)所設(shè)計(jì)的橋，多數(shù)學(xué)生都根據(jù)所見(jiàn)過(guò)的橋梁的樣子而設(shè)計(jì)了拱形橋，卻不能說(shuō)出為什么要這樣設(shè)計(jì)，拱形到底有什么神奇之處呢？

為解決這一問(wèn)題，在課堂上采用了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。首先是檢測(cè)一字形紙梁和拱形紙梁的抗彎曲能力哪個(gè)更強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，拱形紙梁比一字形紙梁抗彎曲能力更強(qiáng)。不過(guò)，隨著承重（增加墊圈個(gè)數(shù)）的增加，拱形紙梁發(fā)生變形，兩個(gè)拱足向外滑，直至垮塌。那么如果用重物抵住拱形紙梁的拱足，紙梁的抗彎曲能力能否增加？進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用重物抵住拱足，拱形紙梁的抗彎曲能力果然增加了。繼續(xù)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，抵住拱足的重物越多，拱形紙梁的抗彎曲能力越強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生再次對(duì)自己的草圖進(jìn)行修改和完善。

4.做框架，體驗(yàn)穩(wěn)定性

課始讓學(xué)生觀察艾菲爾鐵塔、高壓線鐵塔、塔吊等圖片，說(shuō)一說(shuō)它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上有什么共同之處，再找一找框架中的幾何圖形。學(xué)生發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)中有許多三角形，于是，自然地生出了想要探究的問(wèn)題：哪種形狀的框架更穩(wěn)定？由于學(xué)生在數(shù)學(xué)課上已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)有關(guān)三角形的知識(shí)，傾向于認(rèn)為三角形框架最穩(wěn)定。教師順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手試一試到底哪種框架比較穩(wěn)定？學(xué)生用小木棒和橡皮筋分別扎出三角形和四邊形，比較發(fā)現(xiàn)三角形的穩(wěn)定性更強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，請(qǐng)學(xué)生分小組合作搭建正方體框架，搭建完畢后發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性不好，要怎樣改進(jìn)呢？教師提示學(xué)生可給立方體框架加固，學(xué)生發(fā)現(xiàn)使用斜桿恰好能與其他邊形成更穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，使加固后正方體的承重力發(fā)生了顯著變化，因此也就感受到了框架在受力方面的神奇力量。值得一提的是，實(shí)驗(yàn)中還出現(xiàn)了一個(gè)意想不到的問(wèn)題：學(xué)生搭建框架時(shí)不會(huì)扎橡皮筋，或者扎不緊。這個(gè)原本不應(yīng)是問(wèn)題的問(wèn)題成了好幾個(gè)小組的攔路虎，導(dǎo)致他們沒(méi)能在規(guī)定時(shí)間里搭成正方體框架。教師請(qǐng)學(xué)生反思其原因。最后，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步修改設(shè)計(jì)草圖。

5.建高塔，體驗(yàn)堅(jiān)固性

在這一課時(shí)，先讓學(xué)生了解什么是塔狀結(jié)構(gòu)，再觀察塔狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)塔狀結(jié)構(gòu)通常上小下大、上輕下重、中間鏤空。追問(wèn)這樣的結(jié)構(gòu)對(duì)高塔有什么作用時(shí)，學(xué)生很難說(shuō)清。于是這個(gè)問(wèn)題就成為本課的研究主題，師生將借助有趣的高塔實(shí)驗(yàn)測(cè)試“上小下大、上輕下重”結(jié)構(gòu)的功能。

其后，學(xué)生開(kāi)始建高塔，并限時(shí)15分鐘。各小組充分發(fā)揮自己的創(chuàng)意和智慧，努力將塔建得又高又穩(wěn)。建塔活動(dòng)之后，教師請(qǐng)學(xué)生說(shuō)一說(shuō)從中學(xué)到了什么，以及怎樣利用學(xué)到的知識(shí)修改之前的設(shè)計(jì)草圖。比如，有一個(gè)小組設(shè)計(jì)的是斜拉橋，但橋塔上下一樣粗。通過(guò)搭建高塔，他們發(fā)現(xiàn)塔的結(jié)構(gòu)如果“上小下大、上輕下重”才會(huì)更堅(jiān)固，自己原來(lái)設(shè)計(jì)的橋塔顯然不夠科學(xué)，于是對(duì)此作了相應(yīng)的改進(jìn)。還有的小組發(fā)現(xiàn)自己之前設(shè)計(jì)的橋塔沒(méi)有架在橋墩上，橋面由于無(wú)法承受橋塔的重量會(huì)發(fā)生斷裂，于是也對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。這樣的過(guò)程，逐漸使學(xué)習(xí)更加深入了。

三、橋之再設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換學(xué)生的前概念

將近一個(gè)半月的“橋之旅”，學(xué)生圍繞著橋的草圖展開(kāi)了相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，每次課結(jié)束后，都會(huì)分小組討論此前所設(shè)計(jì)的橋有哪些不合理的地方以及怎樣改進(jìn)。然后再動(dòng)手改進(jìn)，形成一個(gè)新的設(shè)計(jì)方案，并把要點(diǎn)畫(huà)在草圖上。為了幫助學(xué)生解決繪制草圖時(shí)遇到的困難，即心中有想法卻無(wú)法用筆表達(dá)出來(lái)的困難，教師把科學(xué)課堂搬進(jìn)了美術(shù)教室，讓美術(shù)教師幫助學(xué)生們實(shí)現(xiàn)科學(xué)與繪畫(huà)藝術(shù)的結(jié)合。

在美術(shù)教師的專業(yè)指導(dǎo)下，學(xué)生們恍然大悟，之前遇到繪圖問(wèn)題迎刃而解，如運(yùn)用遠(yuǎn)小近大、遠(yuǎn)密近疏的原則，將平面草圖立體化；運(yùn)用更專業(yè)的筆法，使設(shè)計(jì)圖更加形象美觀，更符合自己的設(shè)想。之后又在信息技術(shù)教師的幫助下，利用技術(shù)手段將橋的草圖在電腦上展示出來(lái)，進(jìn)一步落實(shí)了學(xué)科整合的理念。

綜上所述，基于STEM理念重構(gòu)單元內(nèi)容后的“橋之旅”，每節(jié)課的內(nèi)容和活動(dòng)都是為解決怎樣設(shè)計(jì)出一座科學(xué)之橋展開(kāi)，學(xué)生的學(xué)習(xí)目的更加明確、思維步步向深度發(fā)展，學(xué)生學(xué)得更輕松，想得更深入，做得更完美了。

（責(zé)任編輯 郭向和）