【摘 要】在制作模型活動(dòng)中，學(xué)生綜合各學(xué)科知識(shí)，利用簡(jiǎn)單的工具和材料，設(shè)計(jì)、制造屬于他們的模型。在教學(xué)中，以制作模型為研究項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)STEM教育，以制作模型為基點(diǎn)不斷改進(jìn)工程設(shè)計(jì)，以制作模型為載體加強(qiáng)各學(xué)科融合，以制作模型為途徑發(fā)展創(chuàng)新思維。

【關(guān)鍵詞】STEM教育 制作模型 工程設(shè)計(jì)

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在課程內(nèi)容上除了原來的三大領(lǐng)域（物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)）外，增加了技術(shù)與工程領(lǐng)域。在學(xué)習(xí)方式上倡導(dǎo)跨學(xué)科學(xué)習(xí)，科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics），即STEM，是一種以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式。它將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)有機(jī)地融為一體，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。如何在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中開展以工程技術(shù)為主導(dǎo)的STEM教育，成為科學(xué)教育工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。小學(xué)科學(xué)課本中有大量的制作模型活動(dòng)，制作模型既包含工程技術(shù)內(nèi)容，也包含科學(xué)探究，又需要數(shù)學(xué)知識(shí)的支持，所以模型制作活動(dòng)可以成為實(shí)施STEM教育的載體。如何在制作模型活動(dòng)中實(shí)施STEM教育呢？

一、以制作模型為研究項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)STEM教育

以制作模型為研究項(xiàng)目，以項(xiàng)目研究驅(qū)動(dòng)STEM教育，它不是讓學(xué)生掌握孤立、抽象的學(xué)科知識(shí)，而是把知識(shí)還原于真實(shí)生活情境，利用合作和多種資源來構(gòu)建學(xué)習(xí)環(huán)境，通過解決富有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目——制作模型，讓學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)的生活，獲得社會(huì)性成長(zhǎng)。

蘇教版小學(xué)科學(xué)四年級(jí)上冊(cè)《吸熱與散熱》，有一項(xiàng)拓展性探究活動(dòng)：設(shè)計(jì)一個(gè)保溫杯，比一比哪個(gè)小組設(shè)計(jì)的保溫杯效果最好。它可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)STEM教育項(xiàng)目，即運(yùn)用已掌握的熱學(xué)知識(shí)及一些材料性能，利用簡(jiǎn)單的工具和材料，設(shè)計(jì)、制作一個(gè)保溫結(jié)構(gòu)。“怎樣讓結(jié)構(gòu)更加隔熱保溫”是驅(qū)動(dòng)整個(gè)學(xué)習(xí)進(jìn)程的動(dòng)力，也是項(xiàng)目研究的核心和最終目標(biāo)。如這一項(xiàng)目在學(xué)習(xí)任務(wù)的引入時(shí)，以一個(gè)虛擬場(chǎng)景引入主題：某邊遠(yuǎn)山區(qū)小學(xué)四年級(jí)學(xué)生給我們班同學(xué)寫了一封信，信中談到她每天早晨去上學(xué)時(shí)帶一杯水去學(xué)校，但到學(xué)校時(shí)，水已結(jié)冰，不能喝，附近又沒有商場(chǎng)，沒辦法買到保溫杯。她有泡沫板、鋁箔、泡沫塑料、棉花、毛氈等材料，想自制一個(gè)保溫杯，但又不知道怎么制作，你們能幫助她制作保溫杯嗎？以這種方式引入，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了解決問題的真實(shí)課堂情境，研究的項(xiàng)目是真實(shí)的，有現(xiàn)實(shí)意義的。學(xué)生也在項(xiàng)目研究中應(yīng)用了本單元“熱能、熱的傳遞、物體吸熱及散熱性能”等結(jié)構(gòu)化知識(shí)。

STEM教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行情境化的應(yīng)用，研究的項(xiàng)目應(yīng)該是真實(shí)的，是學(xué)生可以識(shí)別和理解的，并能產(chǎn)生社會(huì)效果的。學(xué)生從研究項(xiàng)目出發(fā)，對(duì)多種學(xué)科知識(shí)進(jìn)行獲取、加工、處理、轉(zhuǎn)化、融合，通過綜合應(yīng)用已有知識(shí)完成模型制作。

二、以制作模型為基點(diǎn)不斷改進(jìn)工程設(shè)計(jì)

學(xué)生利用簡(jiǎn)單的工具和材料，設(shè)計(jì)、制作模型。在活動(dòng)中，學(xué)生以制作模型為基點(diǎn)，通過確定模型制作任務(wù)，明確設(shè)計(jì)選項(xiàng)及其約束條件，制訂計(jì)劃，建造模型，進(jìn)行測(cè)試，在不斷地改進(jìn)與完善工程設(shè)計(jì)中，制作出自己滿意的模型。

蘇教版五年級(jí)上冊(cè)《建立模型》一課，筆者在網(wǎng)絡(luò)上看到一個(gè)魔術(shù)水桶裝置，據(jù)此自制一個(gè)魔術(shù)水桶模型，按工程設(shè)計(jì)的基本流程組織本課教學(xué)。

1.確定研究項(xiàng)目。教師往一個(gè)特制的水桶中倒入紅色、黃色、藍(lán)色等各色液體，流出來的卻是清水。水桶里有什么奧秘？制作一個(gè)功能類似的水桶模型，以揭示該水桶的奧秘。

2.優(yōu)選圖示模型。學(xué)生用盡可能多的方式進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，尋求解決問題的方法。本課中學(xué)生有十幾種不同的想法，可歸為三類：一類是過濾，即魔術(shù)水桶里安裝了過濾裝置，有色液體被過濾成清水；另一類是漂白，即魔術(shù)水桶里有漂白粉，有色液體被漂白為清水；第三類為擠壓，即魔術(shù)水桶里已裝有清水，倒入的有色液體被裝入另一裝置，這一裝置把清水?dāng)D壓出來。有效的頭腦風(fēng)暴需要迅速地產(chǎn)生想法，但不去進(jìn)行判斷，所以筆者并不要求學(xué)生進(jìn)行對(duì)錯(cuò)的判斷，而是讓學(xué)生設(shè)計(jì)圖示模型來解釋自己的想法，然后分享交流，優(yōu)選圖示模型。

3.制作實(shí)物模型。過濾材料有沙石、木炭、海綿、過濾紙、棉襪等；漂白材料有肥皂、洗衣粉、洗衣液等；擠壓裝置有塑料袋、氣球、水杯等。學(xué)生選擇自己所需材料，并進(jìn)行成本核算，然后依據(jù)設(shè)計(jì)圖制作出魔術(shù)水桶模型。

4.測(cè)試與改進(jìn)模型。對(duì)制作的水桶模型進(jìn)行測(cè)試，大多數(shù)小組倒進(jìn)去的是有色液體，流出來的還是有色液體，但學(xué)生并不放棄，而是嘗試用其他設(shè)計(jì)方案，不斷嘗試，最終制作出自己滿意的模型。

制作模型是一個(gè)有點(diǎn)散亂而非線性的過程，也不是“一錘子買賣”，失敗時(shí)有發(fā)生，對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試不是工程設(shè)計(jì)的終點(diǎn)，相反，在課程安排允許的情況下，學(xué)生通過測(cè)試那些造成失敗的設(shè)計(jì)方案，可以獲得更多的機(jī)會(huì)去改進(jìn)與完善自己的工程設(shè)計(jì)。

三、以制作模型為載體融合各學(xué)科知識(shí)

在制作模型活動(dòng)中，需要應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)設(shè)計(jì)和制作模型，它不是簡(jiǎn)單地將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)組合起來，而是讓科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)通過制作模型這一活動(dòng)形成連貫的、有組織的課程結(jié)構(gòu)。就像一枝玫瑰花，科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)是玫瑰的花瓣，它們是交叉融合的，制作模型是支撐花瓣的花托與枝干（見下圖）。

圖1 制作模型中學(xué)科交叉融合模型

例如蘇教版六上的《太陽系》一課，學(xué)生根據(jù)八大行星距太陽的平均距離畫出軌道，再根據(jù)各行星體積數(shù)據(jù)，利用橡皮泥（或軟陶）按比例制作各行星實(shí)物模型；最后把各行星模型用竹簽固定在畫好軌道的泡沫板上，這樣太陽系模型便制作完成。通過制作太陽系模型，加強(qiáng)了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)的融合。

S（科學(xué)）：了解太陽系的基本概況，認(rèn)識(shí)太陽系中的八大行星的位置、大小關(guān)系及主要特點(diǎn)。

T（技術(shù)）：將太陽系模型設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化成模型，這是技術(shù)問題。如何讓制作方法既簡(jiǎn)單，又符合比例要求，學(xué)生想到用模具定量取料，以地球?yàn)?個(gè)單位，制作單位“1”的模具，再制作“100”“1000”的模具各一個(gè)，利用模具來定量取料。具體的制作方法如下表所示。

表1 制作太陽系模型各星體定量取料數(shù)據(jù)

[星體 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 體積倍數(shù)關(guān)系（以地球?yàn)?） 0.1 1 1 0.2 1400 800 65 60 制作

方法 1取0.1 1 1 1取0.2 1000+（1000取400） 1000取800 100取60+1×5 100取60 ]

如地球、金星分別用“1”模具各取1次；水星用“1”模具取一次后，再搓成圓柱形長(zhǎng)條，取十分之一；最大的木星是地球的1400倍，用“1000”模具取兩次，其中一次搓成圓柱形長(zhǎng)條取十分之四（或“100”的模具取4次），再與另一次合在一起便成。其他行星也以此類推取料。

E（工程）：在這個(gè)項(xiàng)目中，學(xué)生的終極任務(wù)是制作太陽系模型。這是一個(gè)完整的工程設(shè)計(jì)和制作的過程。學(xué)生經(jīng)歷這一過程，理解工程學(xué)中，從提出需求、約束條件到明確問題、設(shè)計(jì)方案、優(yōu)選方案、制作產(chǎn)品、產(chǎn)品測(cè)試和優(yōu)化改進(jìn)等系統(tǒng)性步驟。

M（數(shù)學(xué)）：在這個(gè)項(xiàng)目中，學(xué)生畫軌道和制作模型都要按比例縮小，這里包含了比例尺、計(jì)算等數(shù)學(xué)知識(shí)的應(yīng)用，整個(gè)過程需要成本核算，這里面也都需要數(shù)學(xué)知識(shí)與技能的支持。在此項(xiàng)目中，數(shù)學(xué)是作為工程實(shí)踐數(shù)據(jù)處理和分析的工具，使得工程設(shè)計(jì)更加嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確；工程實(shí)踐也為數(shù)學(xué)的應(yīng)用提供了實(shí)例，使得數(shù)學(xué)更加生動(dòng)。

在STEM活動(dòng)中科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)的融合，絕不是知識(shí)點(diǎn)的堆疊，而是綜合各學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，使科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)互為補(bǔ)充和促進(jìn)，這樣的制作模型活動(dòng)能有效地培養(yǎng)學(xué)生綜合解決問題的能力，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

四、以制作模型為途徑發(fā)展創(chuàng)新思維

STEM活動(dòng)無論是學(xué)習(xí)方式還是學(xué)習(xí)進(jìn)程，都強(qiáng)調(diào)以創(chuàng)新思維為核心，學(xué)習(xí)路徑是開放的。學(xué)生能夠大膽地質(zhì)疑，在真實(shí)情境中，從不同的角度提出問題。學(xué)生能采用多種方法，利用多種材料設(shè)計(jì)工程流程及模型的制作。在制作模型活動(dòng)中，學(xué)生進(jìn)行迭代式學(xué)習(xí)和擺弄式學(xué)習(xí)，它不同于有條理的規(guī)劃，允許學(xué)生以玩耍、擺弄、探究、迭代的方式投入到模型制作活動(dòng)中。如上面提到的《建立模型》一課，學(xué)生從過濾、漂白、擠壓等不成熟想法出發(fā)，經(jīng)歷小組討論、畫草圖等過程，提出了十多種個(gè)性化的設(shè)計(jì)方案，然后按方案進(jìn)行選取材料、制作、調(diào)試。不成功繼續(xù)擺弄、改進(jìn)，即使制作成功了，學(xué)生還會(huì)嘗試用其他方案進(jìn)行擺弄，學(xué)生在這種不斷重復(fù)、遞進(jìn)的探索、擺弄中，最終完成模型制作。這種圍繞制作模型項(xiàng)目作出大膽的想象與推測(cè)，嘗試多角度、多方式認(rèn)識(shí)事物，嘗試運(yùn)用多種材料、多種思路、多樣方法完成模型制作的學(xué)習(xí)方式，它能充分發(fā)揮學(xué)生的天分與潛能，學(xué)生能夠進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考，學(xué)生批判性思維和創(chuàng)新思維能得到更好的發(fā)展。

在制作模型活動(dòng)中，學(xué)生利用跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方式，綜合所學(xué)各方面的知識(shí)，利用簡(jiǎn)單的工具和材料，設(shè)計(jì)、制造屬于他們的模型，這既滿足了學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需求，又讓學(xué)生體會(huì)到制作產(chǎn)品的成功和樂趣，養(yǎng)成通過工程實(shí)踐解決實(shí)際問題的習(xí)慣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 布倫賽爾.在課堂中整合工程和科學(xué)[M].周雅明，王慧慧，譯.上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2015.

[2]葉兆寧，楊元魁.集成式STEM教育：破解綜合能力培養(yǎng)難題[J].人民教育，2015（17）：62-66.

[3]朱麗娜，葉兆寧.STEM教育如何從理念走向?qū)嵺`[J].科學(xué)課，2016（1）：94-96.

[4]吳永發(fā).以工程項(xiàng)目為載體優(yōu)化制作模型活動(dòng)[J].福建教育，2017（3）：60-61.

（福建省廈門市海滄延奎小學(xué) 361026）