STEM視域下工程類(lèi)探究活動(dòng)中結(jié)構(gòu)性材料開(kāi)發(fā)的策略

汪雅鳳

摘要：

結(jié)構(gòu)性材料在科學(xué)探究活動(dòng)中占據(jù)了主導(dǎo)性的地位，特別在技術(shù)工程領(lǐng)域的項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，材料決定了項(xiàng)目產(chǎn)品的效能。而目前的材料呈現(xiàn)現(xiàn)狀，不管是材料的種類(lèi)還是使用都存在一定的問(wèn)題，影響探究的有效性。工程類(lèi)探究活動(dòng)中結(jié)構(gòu)性材料的開(kāi)發(fā)，應(yīng)根據(jù)教材的特點(diǎn)和教學(xué)的需要，以融合、動(dòng)態(tài)、實(shí)踐、創(chuàng)新的思維進(jìn)行開(kāi)發(fā)和使用。本文結(jié)合蘇教版五年級(jí)下冊(cè)第2單元《形狀與結(jié)構(gòu)》教材特點(diǎn)，以STEM理念為指導(dǎo)，開(kāi)發(fā)“限定性材料”和“可選擇材料”。

關(guān)鍵詞：STEM理念? 結(jié)構(gòu)性材料? 開(kāi)發(fā)策略

所謂結(jié)構(gòu)性材料，是指科學(xué)實(shí)驗(yàn)中采用的材料的類(lèi)別、組合、使用的時(shí)間和方式都經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)邏輯性地呈現(xiàn)的科學(xué)探究材料的組合。蘭本達(dá)認(rèn)為：“材料對(duì)幫助孩子們觀(guān)察世界，對(duì)發(fā)展孩子們關(guān)于方法的概念，對(duì)發(fā)展孩子們所發(fā)現(xiàn)的事實(shí)間互相關(guān)聯(lián)的概念，都很重要。”科學(xué)課是一門(mén)實(shí)踐性課程，探究活動(dòng)是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的重要方式。探究材料是探究活動(dòng)的重要載體，引導(dǎo)整個(gè)探究活動(dòng)的順利開(kāi)展。學(xué)生在與材料的互動(dòng)中發(fā)展動(dòng)手能力和思維能力，最終獲得科學(xué)知識(shí)，形成科學(xué)概念，提升科學(xué)素養(yǎng)。因此，結(jié)構(gòu)性材料在探究活動(dòng)中占據(jù)主導(dǎo)性的地位。新課程標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)跨學(xué)科學(xué)習(xí)，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)有機(jī)地融為一體，即STEM，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。STEM以工程設(shè)計(jì)為主導(dǎo)，用技術(shù)和工程學(xué)的方法開(kāi)展項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)，這與《形狀與結(jié)構(gòu)》的教學(xué)內(nèi)涵不謀而合。技術(shù)的核心是發(fā)明，工程的核心是建造，而發(fā)明和建造的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)。材料的提供和選擇，很大程度上影響學(xué)生的創(chuàng)造性思維，影響整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)導(dǎo)向，最終決定產(chǎn)品的效能。由此可見(jiàn)，在大力推進(jìn)將科學(xué)課程與STEM融合的趨勢(shì)下，結(jié)構(gòu)性材料的選擇與開(kāi)發(fā)尤為重要。

一、結(jié)構(gòu)性材料的現(xiàn)狀分析

盡管結(jié)構(gòu)性材料的地位如此重要，在教學(xué)中也得到一定程度的重視，但目前的材料仍存在一些問(wèn)題。首先是材料的準(zhǔn)備：有結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)該是精心挑選、符合學(xué)生年齡特點(diǎn)和認(rèn)知規(guī)律的材料，能夠促進(jìn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，獲得對(duì)事物的正確認(rèn)識(shí)并形成科學(xué)概念。大部分科學(xué)課教師在教學(xué)過(guò)程中還是習(xí)慣于采用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室配備的教學(xué)儀器設(shè)備或第三方購(gòu)買(mǎi)的固定套材，而這些材料可能存在不夠科學(xué)、不夠典型、不夠齊全、不夠貼近生活等問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足學(xué)生的探究需求。其次是材料的使用：豐富的材料呈現(xiàn)的時(shí)間與發(fā)放的次序應(yīng)該符合教學(xué)的秩序和探究的層次，使學(xué)生在有限的時(shí)間和空間里能夠有條理地開(kāi)展探究活動(dòng)，提高探究的有效性。這就需要師生在動(dòng)手前要先對(duì)材料有充分的認(rèn)識(shí)，對(duì)探究過(guò)程有清晰的設(shè)計(jì)。但傳統(tǒng)的探究課往往由教師直接拋給學(xué)生所有材料，學(xué)生在不了解材料的情況下被動(dòng)地接受探究任務(wù)，探究的自主性和主動(dòng)性大打折扣。

二、結(jié)構(gòu)性材料的開(kāi)發(fā)策略

“形狀與結(jié)構(gòu)”是“技術(shù)與工程領(lǐng)域”的教學(xué)內(nèi)容，主要圍繞“圓柱體承重大”“三角形最穩(wěn)固”“拱形承重大”等科學(xué)概念進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)，包含折形狀、搭支架、建橋梁、造房子等內(nèi)容。在教學(xué)過(guò)程中，需要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)，圍繞相關(guān)問(wèn)題或者項(xiàng)目任務(wù)，借助數(shù)學(xué)知識(shí)和技術(shù)能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)已有的物質(zhì)材料加以系統(tǒng)性的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、加工、建造等，從而完成工程制作。這里的“已有的物質(zhì)材料”在學(xué)校儀器室材料清單里是沒(méi)有的，對(duì)師生來(lái)說(shuō)具有挑戰(zhàn)性，需要自己尋找合適的材料;同時(shí)也具有開(kāi)放性和創(chuàng)造性，材料充滿(mǎn)了各種未知的可能，探究活動(dòng)也會(huì)更加有趣味性。結(jié)合本單元的教材特點(diǎn)，以STEM理念為指導(dǎo)，可以從以下幾方面進(jìn)行本單元結(jié)構(gòu)性材料的開(kāi)發(fā)。

（一）限定性的材料激發(fā)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力

工程設(shè)計(jì)需要考慮可以利用的有限條件和制約因素，并不斷改進(jìn)和完善。對(duì)于問(wèn)題任務(wù)式的教學(xué)模式，可以由教師提供限定性的一種或幾種材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，激發(fā)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。教師必須經(jīng)過(guò)周密設(shè)計(jì)和精心準(zhǔn)備，選擇典型材料并適時(shí)拋出。學(xué)生在這種結(jié)構(gòu)性材料的啟發(fā)下進(jìn)行思考，討論交流，進(jìn)而設(shè)計(jì)活動(dòng)方案，尋找解決問(wèn)題的方法。以“建橋梁”為例，在“哪一種形狀的橋承重力更大”這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生之后，教師拋出結(jié)構(gòu)性材料：長(zhǎng)短卡紙各一張，四根木塊，四條棉線(xiàn)，一個(gè)底座。同時(shí)拋出任務(wù)：利用這些材料，搭建并比較三種形狀的橋的承重力。學(xué)生分小組根據(jù)教師限定的材料，討論探究步驟并畫(huà)設(shè)計(jì)圖。最終學(xué)生制作出三種橋梁，并得出：拱橋承重力最大，吊橋第二，平板橋承重力最小。

搭建橋梁的材料可以有很多種，為了使對(duì)比實(shí)驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)、探究過(guò)程更有效、探究結(jié)果更聚焦，在保證“橋墩材料、大小、距離一樣，橋面的材料、大小一樣”的前提下，教師選擇“限定性材料”進(jìn)行探究方案的設(shè)計(jì)。教師出示材料，引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察材料，然后拋出任務(wù)：利用這些材料，搭建并比較三種形狀的橋的承重力。在小組討論交流中學(xué)生的思維并沒(méi)有被限制，能夠在限定的材料中尋找解決問(wèn)題的有效方法，相互補(bǔ)充，完善設(shè)計(jì)方案。

（二）可選擇的材料激發(fā)學(xué)生整體思維能力

STEM的學(xué)科融合要求學(xué)生在項(xiàng)目任務(wù)中能夠以綜合思維去考慮問(wèn)題。在某一個(gè)項(xiàng)目任務(wù)中，教師提供各種可能使用的材料給學(xué)生選擇，激發(fā)學(xué)生綜合考慮的思維能力。學(xué)生在面對(duì)大量的材料時(shí)，需要根據(jù)每種材料的特點(diǎn)進(jìn)行分析和判斷，也可能需要運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)材料的數(shù)量進(jìn)行測(cè)算、對(duì)材料的成本進(jìn)行評(píng)估;同時(shí)要考慮設(shè)計(jì)的美觀(guān)、產(chǎn)品的實(shí)用，最終進(jìn)行有結(jié)構(gòu)性的采用。以“搭支架”為例：

教師出示材料：A4紙、報(bào)紙、吸管、大頭針、透明膠布、雙面膠、小刀、剪刀。

師：我們需要搭建一個(gè)成本最低、承重力大且美觀(guān)的花盆架，你想怎么搭？

生1：我想搭一個(gè)圓形的架子，剛好跟花盆的形狀符合。

生2：我要搭三角形的，三角形最穩(wěn)固。

師：這些材料給你選擇，你打算怎么用？

生1：我打算把A4紙或者報(bào)紙卷成圓柱形，因?yàn)閳A柱形承重力大。

生2：用大頭針把吸管連接起來(lái)，變成三角形，因?yàn)槿切巫罘€(wěn)固。

生3：需要考慮材料的數(shù)量嗎？

師：當(dāng)然。你問(wèn)了一個(gè)核心問(wèn)題。你們還需要核算成本，請(qǐng)小組討論，畫(huà)出設(shè)計(jì)圖，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖完成材料預(yù)算表。

在整個(gè)制作過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)歷了三次不同的設(shè)計(jì)：一是根據(jù)自己的前概念進(jìn)行花盆架形狀的設(shè)計(jì);二是調(diào)查了各種材料的單價(jià)，測(cè)算了材料的總價(jià)，考慮降低成本后修改了設(shè)計(jì);三是在成品的測(cè)試交流中，發(fā)現(xiàn)增加三角形的結(jié)構(gòu)能增加花盆架的穩(wěn)固性，因而又一次修改了設(shè)計(jì)，最終做出一個(gè)既穩(wěn)固又節(jié)約成本的花盆架。每一次設(shè)計(jì)都進(jìn)行了材料的選擇，而每一次材料選擇都是學(xué)生綜合思維發(fā)展的體現(xiàn)。

可見(jiàn)，工程類(lèi)探究活動(dòng)中結(jié)構(gòu)性材料的開(kāi)發(fā)，應(yīng)該根據(jù)教材的特點(diǎn)和教學(xué)的需要，以融合、動(dòng)態(tài)、實(shí)踐、創(chuàng)新的思維進(jìn)行開(kāi)發(fā)和使用。在STEM理念指導(dǎo)下，可以“限定性材料”“可選擇材料”引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究，從而提升學(xué)生的綜合思維能力。

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