STEM課程“橋”的設(shè)計(jì)與分析

王海明 任麗平

摘要在科學(xué)課堂中融入STEM教育，應(yīng)當(dāng)立足于工程領(lǐng)域的科學(xué)概念，密切聯(lián)系學(xué)生的實(shí)際生活，精心選擇具有可操作性的內(nèi)容。教師結(jié)合本地情況創(chuàng)設(shè)建造橋梁的情境，通過(guò)聚焦生活中的真實(shí)問(wèn)題，引出橋梁建造的任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生梳理完成任務(wù)須解決的科學(xué)和工程問(wèn)題，訓(xùn)練學(xué)生的高階思維，促進(jìn)該班級(jí)橋梁模型建造技術(shù)的整體提升。

關(guān)鍵詞 STEM課程 橋梁建造 教育實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.18.023

Design and Analysis of STEM Course“Bridge”

WANG Haiming[1]REN Liping[2]

（[1] Shandong Zibo Linzi District Jixia Primary School， Zibo， Shandong 255400；

[2] School of Information Engineering， Shaanxi Xueqian Normal University， Xi’an， Shaanxi 710100）

Abstract： Integrating STEM education into science classroom should be based on the scientific concept of engineering field， closely related to the actual life of students， and carefully select the operable content. By fo？ cusing on the real problems in life， teachers create the situation of bridge construction in combination with the local situation， lead the task of bridge construction， guide the students to sort out the scientific and engineering problems that need to be solved to complete the task， train the students’ high-level thinking， and promote the overall improvement of the class’s bridge model construction technology.

Keywords： STEM course； bridge construction； education practice

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，工程是運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問(wèn)題和制造產(chǎn)品的活動(dòng)。在小學(xué)科學(xué)課堂中融入STEM教育，應(yīng)當(dāng)立足于工程領(lǐng)域的科學(xué)概念，密切聯(lián)系學(xué)生的實(shí)際生活，精心選擇具有可操作性的內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上形成工程問(wèn)題，基于此來(lái)開(kāi)展STEM活動(dòng)。

創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引出任務(wù)

首先，情境應(yīng)具有真實(shí)性，即學(xué)生在日常生活中所熟知或經(jīng)歷過(guò)的情境。其次，情境要能夠激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。最后，情境中提出的任務(wù)既要以學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)及前概念為基礎(chǔ)，又要有一定的挑戰(zhàn)性。學(xué)生明確具體任務(wù)之后，要以“設(shè)計(jì)師”的角色參與其中，這樣他們才會(huì)主動(dòng)動(dòng)手動(dòng)腦，通過(guò)合作交流來(lái)尋求解決問(wèn)題的辦法。

教師結(jié)合本地情況創(chuàng)設(shè)建造橋梁的情境：為解決交通擁堵問(wèn)題，政府決定建造跨越河流的橋梁，減緩交通壓力?，F(xiàn)在需要制訂這座橋的設(shè)計(jì)方案，搭建橋的模型。假如學(xué)生是一位橋梁工程師，該如何完成這個(gè)工程呢？教師通過(guò)聚焦生活中的真實(shí)問(wèn)題，引出橋梁建造的任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生梳理完成任務(wù)須解決的科學(xué)和工程問(wèn)題。通過(guò)討論交流，學(xué)生在教師的幫助下梳理了兩方面的問(wèn)題：（1）科學(xué)問(wèn)題：橋梁的類(lèi)型有哪些？不同結(jié)構(gòu)的橋承重能力有何不同？在其他條件相同的情況下，哪一種結(jié)構(gòu)的橋承重能力更強(qiáng)一些？（2）工程問(wèn)題：如何讓橋適應(yīng)河流的寬度？橋的高度為多少才能適應(yīng)交通工具通行？受條件限制，我們能選擇哪些材料來(lái)建造橋梁？如何檢驗(yàn)橋的承重力？怎么進(jìn)行材料預(yù)算等。

整合學(xué)科資源，設(shè)計(jì)方案

STEM課程在實(shí)施過(guò)程中要以任務(wù)為目標(biāo)，以需求為導(dǎo)向，提前學(xué)習(xí)背景知識(shí)，并通過(guò)整合學(xué)科資源，尋找各學(xué)科知識(shí)之間的契合點(diǎn)，考慮各方面的因素，尋找最優(yōu)化的方案。

首先，學(xué)習(xí)橋梁相關(guān)的背景知識(shí)。讓學(xué)生了解橋的類(lèi)型，按照什么標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，分為哪幾類(lèi)，了解橋的結(jié)構(gòu)。學(xué)生通過(guò)課前搜集資料，知道了若按照橋的材質(zhì)可以分為木質(zhì)橋、石橋、磚橋、混凝土橋、鋼筋混凝土橋；按用途可分為鐵路橋、公路橋、管道橋等；按結(jié)構(gòu)可分為梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋、高架橋等。

其次，整合各學(xué)科資源。比如學(xué)生必須了解橋梁所受壓力和張力的有關(guān)科學(xué)規(guī)律，學(xué)會(huì)分析橋梁各個(gè)組件的受力情況，認(rèn)識(shí)不同材料、不同結(jié)構(gòu)的橋所能承受的張力和壓力不同；學(xué)生需要掌握橋梁建造的相關(guān)技術(shù)，而根據(jù)教師提供的部分材料以小組為單位進(jìn)行模擬演示；學(xué)生要能繪制橋梁建造的工程圖，能制訂橋梁工程的實(shí)施計(jì)劃。教師可出示并講解關(guān)于工程圖紙繪制的圖示符號(hào)，指導(dǎo)學(xué)生繪制橋梁建造設(shè)計(jì)圖，引導(dǎo)他們制定橋梁調(diào)試與改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)和具體實(shí)施方案；學(xué)生還要熟悉橋梁建造中的數(shù)學(xué)應(yīng)用，根據(jù)橋梁的寬度、高度、跨度計(jì)算須用材料的數(shù)量及費(fèi)用等。

最后，選擇最佳方案。教師引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系實(shí)際任務(wù)和現(xiàn)實(shí)條件制訂工程設(shè)計(jì)方案。各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，都要在方案中體現(xiàn)。如選用何種橋梁模型？如何繪制圖紙？如何進(jìn)行承重檢測(cè)？如何調(diào)試、改進(jìn)模型？如何評(píng)價(jià)反饋？參與建造人員的分工情況如何？

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，形成作品

在設(shè)計(jì)方案正式形成之后，學(xué)生需要在方案的指導(dǎo)下建立模型，并進(jìn)一步測(cè)試優(yōu)化，形成最終的作品。

對(duì)于“橋”的設(shè)計(jì)，教師提出了以下具體要求：實(shí)際橋的長(zhǎng)度為200米，橋面寬40米，橋面水平。要求模型與實(shí)物比例為1∶200。模型要具有穩(wěn)定性、牢固性，在模型的任何位置放10千克重物，橋梁不破損。

具體的操作過(guò)程包括：第一，頭腦風(fēng)暴。學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)材料和橋的模型。第二，繪制設(shè)計(jì)圖。先以小組為單位進(jìn)行設(shè)計(jì)，繪制橋的設(shè)計(jì)圖，然后各小組展示與講解，教師提供指導(dǎo)，確定樣圖。第三，制作模型。學(xué)生按照設(shè)計(jì)圖制作各種橋的模型，包括用紙牌、雪糕棒等各種材料制作的橋模型。第四，稱(chēng)重測(cè)試。通過(guò)不斷增加承重力，測(cè)試橋梁的承重效果，并記錄數(shù)據(jù)，分析原因。最后，分析性?xún)r(jià)比。從承重和耗材的角度來(lái)比較不同橋梁的性?xún)r(jià)比，選出最合適的作品。學(xué)生在一次次的產(chǎn)品調(diào)試中逐步完善作品，直至形成最優(yōu)方案。

展示交流評(píng)價(jià)，完善作品

評(píng)價(jià)是STEM教育過(guò)程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程。評(píng)價(jià)的目的在于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，評(píng)價(jià)的方式是多種多樣的，既要有定量評(píng)價(jià)，又要有定性評(píng)價(jià)；既要對(duì)最終的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，又要重視對(duì)學(xué)生在課堂中所表現(xiàn)出來(lái)的態(tài)度、參與程度等情況的過(guò)程性評(píng)價(jià)。

各組學(xué)生展示各自完成的橋梁模型（如右上圖），接下來(lái)需要完成以下任務(wù)：（1）模型自測(cè)，即學(xué)生對(duì)初次設(shè)計(jì)制作的橋梁模型進(jìn)行自測(cè)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?）改進(jìn)提升，即根據(jù)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模型進(jìn)行檢測(cè)，并改進(jìn)。如：發(fā)現(xiàn)有些小組制作的橋梁模型的木棍粘貼不牢固，橋體結(jié)構(gòu)松散，必須找到原因，改進(jìn)粘貼技術(shù)。（3）測(cè)試評(píng)價(jià)，即最終作品的展示與測(cè)評(píng)。測(cè)評(píng)主要從橋梁結(jié)構(gòu)的科學(xué)性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、美觀(guān)性、創(chuàng)新性等方面，從各項(xiàng)具體參數(shù)和要求對(duì)橋梁模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。如：根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目得分，最后匯總成績(jī)，進(jìn)行工程等級(jí)評(píng)價(jià)。（4）交流評(píng)選。對(duì)每個(gè)小組進(jìn)行訪(fǎng)談，和其他組交流感想和收獲，征集大家的建議；根據(jù)作品的質(zhì)量和之前學(xué)生提交的可行性方案，由全體學(xué)生評(píng)選本次活動(dòng)的最佳設(shè)計(jì)方案。以上活動(dòng)，通過(guò)評(píng)價(jià)他人作品，評(píng)選最佳設(shè)計(jì)方案，訓(xùn)練學(xué)生的高階思維，促進(jìn)該班級(jí)橋梁模型建造技術(shù)的整體提升。

總結(jié)

通過(guò)這樣的STEM活動(dòng)，學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦完成了橋梁模型的設(shè)計(jì)與制作任務(wù)，達(dá)成了以下教育目標(biāo)：科學(xué)知識(shí)方面，認(rèn)識(shí)各種不同類(lèi)型的橋梁，了解它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，知道材料不同、結(jié)構(gòu)不同的物體承重力不同；科學(xué)探究方面，用不同的方法搭建橋，探究物體的承重能力；科學(xué)態(tài)度方面，在橋梁模型設(shè)計(jì)與制作的過(guò)程中，學(xué)生分工合作，形成團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，養(yǎng)成用所學(xué)科學(xué)知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的習(xí)慣；科學(xué)技術(shù)社會(huì)與環(huán)境方面，知道橋梁在生活中有著十分廣泛的應(yīng)用，對(duì)方便交通出行起著巨大作用，知道橋梁工程建設(shè)是祖國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的重要組成部分?？梢?jiàn)，在實(shí)施STEM教育過(guò)程中，既可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)，又能提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力和跨學(xué)科解決問(wèn)題的能力，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（本文系山東省淄博市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度課題“小學(xué)生科學(xué)認(rèn)知能力提升與教學(xué)策略實(shí)施研究”及陜西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度課題“小學(xué)STEM主題課程的開(kāi)發(fā)與實(shí)施研究”階段性研究成果，課題編號(hào)分別為：2020ZJZ034、SGH18H252。）