上有工程味的科學(xué)課

談梅芬　曾寶俊

《小丑玩具跳起來》是一節(jié)自編工程實踐課，旨在將科學(xué)、技術(shù)與工程加以整合。一個完整的工程實踐活動一般包括明確問題、設(shè)計方案、制作實體模型、檢驗解決方案、評價并提交結(jié)果等。受限于一節(jié)課有限的教學(xué)時間，本課將側(cè)重于體現(xiàn)工程活動的核心——產(chǎn)品設(shè)計。筆者將整個教學(xué)流程分三個板塊引導(dǎo)學(xué)生展開研究：關(guān)注現(xiàn)象，聚焦問題;科學(xué)探究，選擇合適的彈跳材料;技術(shù)改進，設(shè)計更優(yōu)的彈跳方式。在本課教學(xué)過程中，筆者從學(xué)生喜歡的彈跳游戲入手，用“設(shè)計一個讓小丑玩具跳起來的裝置”給予學(xué)生任務(wù)驅(qū)動，充分調(diào)動學(xué)生主動探求的內(nèi)驅(qū)力，引發(fā)其對產(chǎn)品不斷改進，并將工程思維與技術(shù)能力的訓(xùn)練貫穿在整個工程實踐中，以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

教學(xué)過程

1.關(guān)注現(xiàn)象，聚焦問題

師：老師給大家?guī)砹艘粋€魔盒。看！什么出來了？（教師演示把玩具從紙盒子里彈跳出來）

生：小丑，小丑跳出來了！

師：這是個小丑玩具，你覺得它是怎么跳出來的呢？

生：盒子里有機關(guān)，一摁機關(guān)的按鈕，小丑就跳了出來。

生：盒子里有彈簧，老師一按，小丑玩具就彈了出來。

師：大家主要是從“用什么材料使小丑玩具跳起來”“這個材料怎么幫助小丑玩具跳起來”兩個方面來思考的，如果能解決這兩個問題，我們也就能做出這么好玩的玩具了。今天我們的任務(wù)就是學(xué)習(xí)制作一個能跳起來的小丑玩具。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)教師先用一個小丑玩具從盒子里跳出來的游戲調(diào)動學(xué)生的好奇心，然后組織學(xué)生針對這一玩具進行觀察討論，聚焦彈跳材料與彈跳方式，最后布置本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)?；趩栴}的聚焦與思考，這是開展工程實踐活動慣用的一個啟動方式。

2.科學(xué)探究，選擇合適的彈跳材料

師：能讓小丑玩具跳起來的材料有很多，老師這邊有四種材料，分別是彈簧、橡皮筋、木棍子，竹片，你認為哪一種更適合呢？

（教師發(fā)放材料，學(xué)生觀察。）

生：我認為是橡皮筋，它能拉長。

生：我選擇的是彈簧。

生：我選擇的是有韌勁的竹條。

師：你們選的這些材料有什么特點？

生：它們都有彈性。

師：它們的彈性是怎么表現(xiàn)出來的呢？誰來演示一下。

生：用力把彈簧往下壓，它能變短，手一松，彈簧就跳了起來。

生：把竹條的一端往下壓，竹條就變彎了，手一松，竹條能彈回來。

生：橡皮筋拉了后能變得很長，不拉它就恢復(fù)成原來的樣子。

師：大家觀察得真仔細，我們給這些材料施加外力，它們就會變形，不施加外力了，這些材料會恢復(fù)原來的形狀，科學(xué)上把物體的這種性質(zhì)稱為“彈性”。當(dāng)我們按壓或者拉動它們時，會感覺到這些材料也在給我們施加一種力，我們稱這種力為“彈力”。你們能利用這些彈性材料，用彈力的方法讓小丑玩具跳起來嗎？

（教師發(fā)放小丑玩具，學(xué)生開展活動體驗。）

師：你們是怎么讓小丑玩具跳起來了呢？

生：我把橡皮筋繞在兩根手指上，然后把小丑筆帽插在皮筋里，將橡皮筋一拉，小丑玩具就跳出去了。

生：我們小組把彈簧豎著放在桌面上，然后把小丑筆帽塞在彈簧的洞眼里，一壓彈簧，小丑玩具就飛出去了。

生：我們小組把小丑筆帽套在竹條的一端，然后把竹條往下壓，手一松，小丑玩具就跳出去了。

師：從操作簡單、效果明顯的角度判斷，你們認為這三種材料中，哪一種最合適做小丑玩具的彈跳材料？

生：我選擇竹條，因為竹條一壓一放很方便。

生：我也選擇竹條，它能讓小丑玩具飛得很遠。

師：行，那咱們今天就先選擇用竹條來制作小丑玩具的彈跳材料。

設(shè)計意圖：選擇合適的材料是工程實踐活動中非常重要的環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)旨在引導(dǎo)學(xué)生聚焦物體的特性，通過試錯式的體驗，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會在一組雜亂的材料中選擇出適合制作小丑玩具的彈跳材料。

3.技術(shù)改進，設(shè)計更優(yōu)的彈跳方式

師：剛才大家把小丑玩具套在竹條上進行彈跳，玩具往前飛了，這樣的玩具有問題嗎？從安全性考慮，小丑玩具往哪兒跳更合適？

生：往高處跳。

師：我們來思考一下，要使小丑玩具往上跳，也就是彈力的方向朝上，我們壓竹條的方向需要朝哪兒？用手比畫一下。

生：朝下。我來試試吧！

（學(xué)生上臺展示，實驗失敗。）

生：老師，小丑筆帽是套在竹條上的，如果手用力的方向向下，小丑筆帽就直接從竹條上滑出來了，我覺得不能把筆帽套在竹條上。

師：如果不把筆帽套在竹條上，我們該怎么做呢？

（學(xué)生開始思考。）

師：看來大家有些犯難了，這樣吧，老師拋磚引玉，這是我剛才讓小丑玩具跳起來的裝置，大家看看，能不能從中受到啟發(fā)（展臺彈跳裝置）。如果你使用這套裝置，這根竹條可以放在哪個位置，怎么用竹條的彈力讓小丑玩具跳起來？我這有裝置的圖片，請大家用簡圖的方式把自己的想法先畫下來。

（學(xué)生分組討論設(shè)計方案，并上臺展示。）

生：我們組想把竹條放在兩根竹簽中間的空隙里，用力壓竹條的一端，當(dāng)竹條彈到小丑筆帽時，小丑筆帽就能跳起來了。

師：把竹條往下壓，彈力的方向朝哪兒？

生：彈力的方向朝上。

師：其他組有不同的方法嗎？

生：我們想把竹條靠在竹簽的一側(cè)，先壓彎竹條再松手，小丑筆帽就會被彈出去。

師：手用力的方向朝哪，彈力的方向朝哪？

生：手用力的方向朝下，彈力方向朝上。

生：我補充一下，要把竹條對準小丑筆帽的下端，這樣小丑玩具才能跳起來。

師：你們的這些方法能讓小丑玩具跳起來嗎？參照你們剛才的設(shè)計，加上小伙伴們給的建議，一起試試吧。請制作成功的同學(xué)給大家做個展示。

（學(xué)生展示。）

師：大家都能讓小丑玩具跳起來，你們的方法真不錯！看，講臺上擺了一個支架，它的高度是60厘米，現(xiàn)在我們要以這個高度為標尺，通過優(yōu)化你們的彈跳技術(shù)，讓小丑玩具跳到這個高度甚至超過這個高度，你們能做到嗎？

（教師發(fā)放支架，學(xué)生優(yōu)化設(shè)計方案。）

師：哪些小組挑戰(zhàn)成功了？請給大家做個展示，并介紹一下你們的成功經(jīng)驗。

生：我們把竹條用力往下壓得很彎，這時竹條產(chǎn)生的彈力就會變大，小丑玩具也就彈得更高。

師：你們的意思是說，竹條的形變越大，它產(chǎn)生的彈力就越大，小丑玩具就彈得越高。

生：我們組一開始也是用他們的方法，但用力過猛把竹條給掰斷了，于是就用剩下的半截竹條。我們發(fā)現(xiàn)壓短竹條用的力要比先前壓長竹條的時候用的力要大，小丑玩具竟然跳得更高，我們想肯定是竹子產(chǎn)生的彈力變大了。

師：大家真會思考，能讓小丑玩具跳起來的方法遠不止這些，你們還有其他辦法嗎？課后請進一步改進。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)中教師以任務(wù)驅(qū)動的方式，引導(dǎo)學(xué)生利用彈性物質(zhì)的特性，通過設(shè)計合理的彈跳方法，并不斷優(yōu)化方案，讓學(xué)生體驗動手做的樂趣，由此提高他們的實踐能力、思維能力和解決問題的能力。

教學(xué)感悟

1.科學(xué)知識是工程設(shè)計的基石

工程技術(shù)整合的科學(xué)課，凸顯的是知識在真實問題情境中的具體運用，科學(xué)知識是整個工程實踐活動的基石。如本課中，學(xué)生所有的工程設(shè)計是建立在彈性與彈力的科學(xué)知識上。但工程實踐課又不等同于科學(xué)探究課，它具備情境性特征，注重在復(fù)雜的生活場景中將知識進行情境化應(yīng)用。本課例中，學(xué)生通過多種方法選出讓小丑玩具跳起來的材料，進而總結(jié)出它們的共性——彈性，發(fā)現(xiàn)彈性物質(zhì)變形會產(chǎn)生彈力。筆者通過活動幫助學(xué)生將潛意識中模糊的認識進行加工與提煉，最終形成彈性與彈力的科學(xué)概念。

2.工程設(shè)計是工程活動的核心

工程設(shè)計能夠給學(xué)生提供一個真實環(huán)境下問題分析與方案解決的場域，具備創(chuàng)新性與開放性的特點，更決定了設(shè)計在工程實踐中的核心地位。本課抓住“選擇合適的彈跳材料”和“怎樣讓小丑玩具跳高”兩個問題，引導(dǎo)學(xué)生進行方案的設(shè)計。解決第一個問題相對容易，學(xué)生嘗試讓彈性物質(zhì)變形，利用彈力使小丑玩具跳起來，并從多種彈性物質(zhì)中選擇出合適的彈跳材料。由于需要對彈力方向進行制約，進而過渡到對第二個問題“設(shè)計一個讓小丑跳高的方式”的解決，這也是本課的難點。三年級的學(xué)生處于形象思維為主的階段，缺少獨立設(shè)計一套彈跳裝置的知識技能，筆者給學(xué)生搭建思維的“腳手架”——插有竹簽的彈跳裝置，引導(dǎo)學(xué)生圍繞“竹條放哪兒？怎么彈？”來繪制圖紙，設(shè)計制作，并不斷優(yōu)化方案，研制出能讓小丑玩具跳得更高的彈跳技術(shù)。

3.高階思維是工程素養(yǎng)的關(guān)鍵

在工程實踐課中，學(xué)生會面臨著各種問題，他們需要審視問題并提出解決的方案，運用分析性思維、批判性思維和創(chuàng)造性思維，這些都屬于高階思維，這既是工程設(shè)計的靈魂，也是教師培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)與工程素養(yǎng)的關(guān)鍵。因此，教師在活動組織的過程中，需要有意識地培養(yǎng)他們的高階思維。如本案例中，筆者引導(dǎo)學(xué)生思考“怎樣讓小丑跳得更高”這一問題，他們會對彈跳裝置中形變的大小、竹條的長短、插放的位置等提出諸多解決思路。又如對方案的優(yōu)選與選擇，這是在考量學(xué)生的分析判斷能力，讓學(xué)生進行成果展示與伙伴互評，綜合運用到多種思維。

點??? 評

小學(xué)工程實踐是以工程設(shè)計為核心，引導(dǎo)學(xué)生解決實際情境中具體問題的一種教學(xué)活動?！缎〕笸婢咛饋怼肥且还?jié)典型的工程實踐案例，它從學(xué)生喜聞樂見的玩具入手，通過對彈跳材料與彈跳技術(shù)的反復(fù)設(shè)計、決策分析、展示評價等教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷了從確定問題到提出解決問題方案的一個較為完整的工程過程。

學(xué)生在生活中會遇到各種問題，需要合作完成一些任務(wù)，需要開動腦筋去規(guī)劃、設(shè)計和制作。他們會利用簡單的工具和材料，設(shè)計、制造屬于他們的“產(chǎn)品”，這就是學(xué)生的工程與技術(shù)的實踐活動，從這個意義上來說，每個學(xué)生都是天生的“工程師”。

本案例旨在通過組織學(xué)生對日常生活中的難題和自然事物的探究，讓他們積累經(jīng)驗，增長知識、提升能力。在這個過程中，學(xué)生通過觀察、制作、實驗、推理和建模來獲取知識;依據(jù)工程學(xué)的程序和方法來探討、論證和發(fā)明，因而發(fā)展了實踐能力、思維能力和運用科學(xué)知識解決問題的能力。在教學(xué)中，教師抓住三年級學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，用豐富而具體的操作，通過“動手做”來解決問題，使學(xué)生養(yǎng)成重視證據(jù)和邏輯的思維習(xí)慣，以及注重實際的行為習(xí)慣。

小學(xué)生參與制作、欣賞作品，可以體驗到“做”的成功和樂趣，這有利于他們科學(xué)興趣的激發(fā)、自信心的確立、自尊和獨立意識的發(fā)展。另一方面，工程實踐活動還可以引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成關(guān)注周圍世界和實際生活的態(tài)度，使他們學(xué)會探究和解決生活中的簡單問題，感受、體驗科學(xué)技術(shù)的作用以及科技發(fā)展對人類生活的影響，學(xué)會使用和管理科學(xué)技術(shù)以適應(yīng)現(xiàn)代化的社會生活。學(xué)生在工程思維與技術(shù)能力的習(xí)得中實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，建構(gòu)自己的認知地圖，這是他們參與工程活動的價值所在。