江美華

[摘 要]基于STEM的相關(guān)理念反思科學教材，發(fā)現(xiàn)單元結(jié)構(gòu)和學生的學習心理和認知規(guī)律存在不匹配之處。通過對教材單元結(jié)構(gòu)進行重建，引導學生從“要我學”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W”，從而讓科學研究活動更有深度。

[關(guān)鍵詞]STEM；重建；單元結(jié)構(gòu)

基于STEM理念反思當前的科學教學，會發(fā)現(xiàn)科學教材在單元結(jié)構(gòu)上存在諸多不合理之處。以教科版六年級上冊“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，直到第八課才提出任務“用紙造一座橋”，旨在讓學生應用前七課所學知識。初看這種編排，很好地體現(xiàn)了學科學、用科學的思想，即先學習知識，再運用所學知識解決問題。但STEM教育提倡從發(fā)現(xiàn)工程問題開始，提供一系列背景經(jīng)驗活動，然后再讓學生采用工程過程來解決問題，其中包括問題的重申、定義問題、設計工程過程流程圖、提出工程建議書等。這樣才能使學生以任務或項目為導向，經(jīng)歷主動發(fā)現(xiàn)、探究、學習和應用的過程?；谝陨峡紤]，對“形狀與結(jié)構(gòu)”這一單元可進行一些調(diào)整（見表1）。實際上教材內(nèi)容沒有改變，只是單元架構(gòu)發(fā)生了變化，實踐證明，這樣的調(diào)整有效。

一、“畫”出學生的前概念

調(diào)整后的第一課是“環(huán)球橋之旅”。教師引導學生欣賞和了解橋的發(fā)展史，在此基礎上創(chuàng)設情境：金華市的通濟橋在上下班的高峰期車輛擁堵，為解決這一困擾多年的社會問題，金華市委、市政府面向全國征集新橋的設計圖。如果請同學們也參與設計這座新橋，你們會怎么做呢？教師用這一真實問題情境，引導學生先憑借經(jīng)驗和課外閱讀有目的地設計一座橋，并制作自己想要建造的橋的草圖，然后在科學教材中找到相關(guān)內(nèi)容進行探究，以便能夠支持自己持續(xù)解決問題，即從橋的各個部分出發(fā)，對設計圖中不科學、不完善的地方加以改進。學生研究完這一單元的內(nèi)容，設計圖也就變得更加科學合理了。接著再讓學生根據(jù)設計圖，用指定材料制作一座橋。

學生在了解了橋的發(fā)展史后，開始小組合作繪制設計草圖。學生基于前概念設計的草圖，必然會暴露出很多問題。如多數(shù)小組只是根據(jù)生活中常見的橋進行設計，缺乏創(chuàng)新；學生對于橋面的厚度、寬度沒有概念，很多橋面較窄，缺乏實用性；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；有些橋塔沒有伸到河底等。但學生設計的橋大多都是拱形的，這說明他們用到了生活經(jīng)驗，但要讓學生說出為什么這樣設計，又說不出理由。設計草圖中出現(xiàn)的問題都會成為教學的切入點和后續(xù)探究活動的動力。最后，請每個小組上臺介紹本組的設計草圖和設計理念。課后將學生的設計草圖張貼在教室里，在后面的教學中，這些設計圖還會被不斷改進。

二、“做”出紙梁的承受力

1.橋面尺寸與抗彎曲能力

這一課主要是對橋面的抗彎曲能力進行研究。教師提出要求：我們設計的橋必須保證車輛能夠正常通過，且不會斷裂。這時學生調(diào)動生活經(jīng)驗，提出要增加橋面的寬度和厚度，考慮橋面的建筑材料，甚至提出改進橋的形狀等。這時教師再追問橋面的抗彎曲能力與哪些因素有關(guān)，學生的回答更準確了，如提出橋面的材料、橋面的長度、橋面的寬度、橋面的厚度……然后在討論的基礎上明確本節(jié)課要研究的問題：橋面的寬度和厚度對抗彎曲能力有什么影響。然后師生一起設計實驗方案，有目的地開展實驗探究，對實驗數(shù)據(jù)進行記錄與分析，最后歸納出一個結(jié)論：橋面的寬度和厚度都會影響橋的抗彎曲能力，其中厚度的影響更顯著。這時再讓學生對之前的設計提出改進意見，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)課的探究與實驗中，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。當橋面的厚度和寬度增加時，橋面的重量也會增加，若超過橋墩的載荷，橋梁可能斷裂或損毀。工程師要怎樣實現(xiàn)既增強橋的抗彎曲能力，又盡量減少橋面重量呢？學生在上一節(jié)課的基礎上，很容易想到抗彎曲能力與形狀有關(guān)系。這時便可自然引出探究主題：形狀與抗彎曲能力。

學生借助實驗測試W形、O形、L形、T形、U形、工字形紙橋的抗彎曲能力，通過分析實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)同種材料的紙梁，當彎折的形狀不同時，其抗彎曲能力也不同，其中W形紙梁抗彎曲能力最強。同時還發(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；方形也不穩(wěn)定，容易變形；W形非常穩(wěn)定，堅固不倒。這時教師順水推舟，讓學生討論生活中的W形結(jié)構(gòu)。于是學生在記憶中搜索，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。接下來教師提供瓦楞紙板材料，請學生用手從瓦楞紙板的各個方向掰動，感受瓦楞紙板的抗彎曲能力。學生用很大的力氣才掰開瓦楞紙板，于是師生一起研究紙板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在“解剖”觀察中，學生發(fā)現(xiàn)，原來瓦楞紙板的內(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計草圖，考慮還能用什么辦法增加橋面的抗彎曲能力。學生便很容易想到在橋面上應用W形結(jié)構(gòu)，既能增強抗彎曲能力，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)課要帶領學生探究拱形的神奇力量。反觀第一節(jié)課時所設計的橋，多數(shù)學生都根據(jù)所見過的橋梁的樣子而設計了拱形橋，卻不能說出為什么要這樣設計，拱形到底有什么神奇之處呢？

為解決這一問題，在課堂上采用了對比實驗。首先是檢測一字形紙梁和拱形紙梁的抗彎曲能力哪個更強。實驗發(fā)現(xiàn)，拱形紙梁比一字形紙梁抗彎曲能力更強。不過，隨著承重（增加墊圈個數(shù)）的增加，拱形紙梁發(fā)生變形，兩個拱足向外滑，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？進一步實驗發(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)實驗還發(fā)現(xiàn)，抵住拱足的重物越多，拱形紙梁的抗彎曲能力越強。在此基礎上，學生再次對自己的草圖進行修改和完善。

4.做框架，體驗穩(wěn)定性

課始讓學生觀察艾菲爾鐵塔、高壓線鐵塔、塔吊等圖片，說一說它們在結(jié)構(gòu)上有什么共同之處，再找一找框架中的幾何圖形。學生發(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題：哪種形狀的框架更穩(wěn)定？由于學生在數(shù)學課上已經(jīng)學習過有關(guān)三角形的知識，傾向于認為三角形框架最穩(wěn)定。教師順勢引導學生動手試一試到底哪種框架比較穩(wěn)定？學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。在此基礎上，請學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，要怎樣改進呢？教師提示學生可給立方體框架加固，學生發(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，實驗中還出現(xiàn)了一個意想不到的問題：學生搭建框架時不會扎橡皮筋，或者扎不緊。這個原本不應是問題的問題成了好幾個小組的攔路虎，導致他們沒能在規(guī)定時間里搭成正方體框架。教師請學生反思其原因。最后，學生在實驗基礎上進一步修改設計草圖。

5.建高塔，體驗堅固性

在這一課時，先讓學生了解什么是塔狀結(jié)構(gòu)，再觀察塔狀結(jié)構(gòu)的特點，學生很容易發(fā)現(xiàn)塔狀結(jié)構(gòu)通常上小下大、上輕下重、中間鏤空。追問這樣的結(jié)構(gòu)對高塔有什么作用時，學生很難說清。于是這個問題就成為本課的研究主題，師生將借助有趣的高塔實驗測試“上小下大、上輕下重”結(jié)構(gòu)的功能。

其后，學生開始建高塔，并限時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)。建塔活動之后，教師請學生說一說從中學到了什么，以及怎樣利用學到的知識修改之前的設計草圖。比如，有一個小組設計的是斜拉橋，但橋塔上下一樣粗。通過搭建高塔，他們發(fā)現(xiàn)塔的結(jié)構(gòu)如果“上小下大、上輕下重”才會更堅固，自己原來設計的橋塔顯然不夠科學，于是對此作了相應的改進。還有的小組發(fā)現(xiàn)自己之前設計的橋塔沒有架在橋墩上，橋面由于無法承受橋塔的重量會發(fā)生斷裂，于是也對設計進行了相應改進。這樣的過程，逐漸使學習更加深入了。

三、橋之再設計，轉(zhuǎn)換學生的前概念

將近一個半月的“橋之旅”，學生圍繞著橋的草圖展開了相關(guān)內(nèi)容的學習，每次課結(jié)束后，都會分小組討論此前所設計的橋有哪些不合理的地方以及怎樣改進。然后再動手改進，形成一個新的設計方案，并把要點畫在草圖上。為了幫助學生解決繪制草圖時遇到的困難，即心中有想法卻無法用筆表達出來的困難，教師把科學課堂搬進了美術(shù)教室，讓美術(shù)教師幫助學生們實現(xiàn)科學與繪畫藝術(shù)的結(jié)合。

在美術(shù)教師的專業(yè)指導下，學生們恍然大悟，之前遇到繪圖問題迎刃而解，如運用遠小近大、遠密近疏的原則，將平面草圖立體化；運用更專業(yè)的筆法，使設計圖更加形象美觀，更符合自己的設想。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，進一步落實了學科整合的理念。

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)容和活動都是為解決怎樣設計出一座科學之橋展開，學生的學習目的更加明確、思維步步向深度發(fā)展，學生學得更輕松，想得更深入，做得更完美了。

（責任編輯 郭向和）