在制作模型活動中實施STEM教育

【摘 要】在制作模型活動中，學生綜合各學科知識，利用簡單的工具和材料，設計、制造屬于他們的模型。在教學中，以制作模型為研究項目驅動STEM教育，以制作模型為基點不斷改進工程設計，以制作模型為載體加強各學科融合，以制作模型為途徑發展創新思維。

【關鍵詞】STEM教育 制作模型 工程設計

《義務教育小學科學課程標準（2017年版）》在課程內容上除了原來的三大領域（物質科學、生命科學、地球與宇宙科學）外，增加了技術與工程領域。在學習方式上倡導跨學科學習，科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics），即STEM，是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式。它將科學、技術、工程、數學有機地融為一體，有利于學生創新能力的培養。如何在小學科學教學中開展以工程技術為主導的STEM教育，成為科學教育工作者關注的熱點。小學科學課本中有大量的制作模型活動，制作模型既包含工程技術內容，也包含科學探究，又需要數學知識的支持，所以模型制作活動可以成為實施STEM教育的載體。如何在制作模型活動中實施STEM教育呢？

一、以制作模型為研究項目驅動STEM教育

以制作模型為研究項目，以項目研究驅動STEM教育，它不是讓學生掌握孤立、抽象的學科知識，而是把知識還原于真實生活情境，利用合作和多種資源來構建學習環境，通過解決富有挑戰性的項目——制作模型，讓學生體驗真實的生活，獲得社會性成長。

蘇教版小學科學四年級上冊《吸熱與散熱》，有一項拓展性探究活動：設計一個保溫杯，比一比哪個小組設計的保溫杯效果最好。它可以轉化為一個STEM教育項目，即運用已掌握的熱學知識及一些材料性能，利用簡單的工具和材料，設計、制作一個保溫結構?！霸鯓幼尳Y構更加隔熱保溫”是驅動整個學習進程的動力，也是項目研究的核心和最終目標。如這一項目在學習任務的引入時，以一個虛擬場景引入主題：某邊遠山區小學四年級學生給我們班同學寫了一封信，信中談到她每天早晨去上學時帶一杯水去學校，但到學校時，水已結冰，不能喝，附近又沒有商場，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，為學生創設了解決問題的真實課堂情境，研究的項目是真實的，有現實意義的。學生也在項目研究中應用了本單元“熱能、熱的傳遞、物體吸熱及散熱性能”等結構化知識。

STEM教育強調學生對知識進行情境化的應用，研究的項目應該是真實的，是學生可以識別和理解的，并能產生社會效果的。學生從研究項目出發，對多種學科知識進行獲取、加工、處理、轉化、融合，通過綜合應用已有知識完成模型制作。

二、以制作模型為基點不斷改進工程設計

學生利用簡單的工具和材料，設計、制作模型。在活動中，學生以制作模型為基點，通過確定模型制作任務，明確設計選項及其約束條件，制訂計劃，建造模型，進行測試，在不斷地改進與完善工程設計中，制作出自己滿意的模型。

蘇教版五年級上冊《建立模型》一課，筆者在網絡上看到一個魔術水桶裝置，據此自制一個魔術水桶模型，按工程設計的基本流程組織本課教學。

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

2.優選圖示模型。學生用盡可能多的方式進行頭腦風暴，尋求解決問題的方法。本課中學生有十幾種不同的想法，可歸為三類：一類是過濾，即魔術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，這一裝置把清水擠壓出來。有效的頭腦風暴需要迅速地產生想法，但不去進行判斷，所以筆者并不要求學生進行對錯的判斷，而是讓學生設計圖示模型來解釋自己的想法，然后分享交流，優選圖示模型。

3.制作實物模型。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。學生選擇自己所需材料，并進行成本核算，然后依據設計圖制作出魔術水桶模型。

4.測試與改進模型。對制作的水桶模型進行測試，大多數小組倒進去的是有色液體，流出來的還是有色液體，但學生并不放棄，而是嘗試用其他設計方案，不斷嘗試，最終制作出自己滿意的模型。

制作模型是一個有點散亂而非線性的過程，也不是“一錘子買賣”，失敗時有發生，對模型進行測試不是工程設計的終點，相反，在課程安排允許的情況下，學生通過測試那些造成失敗的設計方案，可以獲得更多的機會去改進與完善自己的工程設計。

三、以制作模型為載體融合各學科知識

在制作模型活動中，需要應用科學、技術、工程、數學等學科知識設計和制作模型，它不是簡單地將科學、技術、工程、數學等學科知識組合起來，而是讓科學、技術、工程、數學等學科知識通過制作模型這一活動形成連貫的、有組織的課程結構。就像一枝玫瑰花，科學、技術、工程、數學是玫瑰的花瓣，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 制作模型中學科交叉融合模型

例如蘇教版六上的《太陽系》一課，學生根據八大行星距太陽的平均距離畫出軌道，再根據各行星體積數據，利用橡皮泥（或軟陶）按比例制作各行星實物模型；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，加強了科學、技術、工程和數學等學科知識的融合。

S（科學）：了解太陽系的基本概況，認識太陽系中的八大行星的位置、大小關系及主要特點。

T（技術）：將太陽系模型設計方案轉化成模型，這是技術問題。如何讓制作方法既簡單，又符合比例要求，學生想到用模具定量取料，以地球為1個單位，制作單位“1”的模具，再制作“100”“1000”的模具各一個，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據

[星體 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 體積倍數關系（以地球為1） 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）：在這個項目中，學生的終極任務是制作太陽系模型。這是一個完整的工程設計和制作的過程。學生經歷這一過程，理解工程學中，從提出需求、約束條件到明確問題、設計方案、優選方案、制作產品、產品測試和優化改進等系統性步驟。

M（數學）：在這個項目中，學生畫軌道和制作模型都要按比例縮小，這里包含了比例尺、計算等數學知識的應用，整個過程需要成本核算，這里面也都需要數學知識與技能的支持。在此項目中，數學是作為工程實踐數據處理和分析的工具，使得工程設計更加嚴謹、準確；工程實踐也為數學的應用提供了實例，使得數學更加生動。

在STEM活動中科學、技術、工程、數學等學科知識的融合，絕不是知識點的堆疊，而是綜合各學科的優勢，使科學、技術、工程和數學互為補充和促進，這樣的制作模型活動能有效地培養學生綜合解決問題的能力，提升學生的科學素養。

四、以制作模型為途徑發展創新思維

STEM活動無論是學習方式還是學習進程，都強調以創新思維為核心，學習路徑是開放的。學生能夠大膽地質疑，在真實情境中，從不同的角度提出問題。學生能采用多種方法，利用多種材料設計工程流程及模型的制作。在制作模型活動中，學生進行迭代式學習和擺弄式學習，它不同于有條理的規劃，允許學生以玩耍、擺弄、探究、迭代的方式投入到模型制作活動中。如上面提到的《建立模型》一課，學生從過濾、漂白、擠壓等不成熟想法出發，經歷小組討論、畫草圖等過程，提出了十多種個性化的設計方案，然后按方案進行選取材料、制作、調試。不成功繼續擺弄、改進，即使制作成功了，學生還會嘗試用其他方案進行擺弄，學生在這種不斷重復、遞進的探索、擺弄中，最終完成模型制作。這種圍繞制作模型項目作出大膽的想象與推測，嘗試多角度、多方式認識事物，嘗試運用多種材料、多種思路、多樣方法完成模型制作的學習方式，它能充分發揮學生的天分與潛能，學生能夠進行自主學習和獨立思考，學生批判性思維和創新思維能得到更好的發展。

在制作模型活動中，學生利用跨學科的學習方式，綜合所學各方面的知識，利用簡單的工具和材料，設計、制造屬于他們的模型，這既滿足了學生多樣化的學習需求，又讓學生體會到制作產品的成功和樂趣，養成通過工程實踐解決實際問題的習慣。

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（福建省廈門市海滄延奎小學 361026）