利用5E途徑設計STEM活動

STEM教育目前是個非常熱門的話題。按照著名的科學教育學者、5E學習環發明者Rodger W. Bybee 的描述，STEM可以有四種形式，分別為STEM1.0、STEM2.0、STEM3.0和STEM4.0。STEM1.0是指科學、技術、工程和數學四個學科中的任一學科，STEM2.0指四個學科中任意兩個的結合，STEM3.0是任意三個學科的結合，而STEM4.0是指四個學科的整合。Bybee以及其他學者還建議，由于STEM教育的定義和意義尚不明確，實施STEM教育首先要加強和完善STEM1.0，然后在此基礎上嘗試STEM2.0。

本文利用5E途徑設計了一個把科學和工程相結合的STEM2.0 活動——高層建筑。由于高層建筑的設計和搭建涉及科學和工程的多個概念及實踐，我們的教學設計只關注某個特定的科學和工程概念及實踐。該教學設計的目的是：學生通過工程設計來搭建高層建筑，學習和利用科學概念——力的平衡，即框架結構是相對穩定的結構。5E途徑可以簡單描述為，激發（Engage）、探索（Explore）、解釋（Explain）、拓展（Elaborate）和評估（Evaluate）。

學習目標

科學概念：當作用于物體上的所有力相平衡時，物體處于穩定狀態。

工程實踐：設計并搭建框架結構模型。

活動材料

活動過程

1. 激發（半個小時左右）

（1）向學生展示迪拜塔、上海中心大廈、廣州塔和埃菲爾鐵塔的圖片并簡單介紹。

（2）分析介紹中的信息及數據，思考：一座這么高又這么重的建筑如何能保持穩定？學生小組內討論，將自己的想法寫在表1中。

（3）小組匯報想法，全班交流、討論，將其他小組的想法也寫在表1中。

2.探索（兩個小時左右）

（1）每組發放100個蘿卜塊和一把軟米尺，用這些材料來建造一個盡可能高的建筑，要求可以支撐四本課本的重量而不倒塌，用米尺測量高度，記錄在表2中，并拍照記錄。

（2）每組發放100個蘿卜塊和300根牙簽。用這些材料再次搭建一個可以支撐四本課本重量的最高建筑，將它的高度寫在表2中。（提醒學生使用牙簽時不要傷到手指。）

（3）給學生10分鐘時間瀏覽其他小組的作品，并對比兩次搭建的結果?？偨Y活動經驗，思考并討論：怎樣做才能使建筑更結實？與其他同學交流并將想法寫在表2中。

3.解釋（一個小時左右）

（1）發放鳥籠模型，閱讀《摩天大樓之父和鳥籠》，并回答問題。

摩天大樓之父詹尼和鳥籠的故事大意（原文略）：1879年之前，磚木結構是流行的建筑模式，但這種結構只能建筑3—5層高的樓房。

1879年，工程師詹尼大膽地采用磚墻框架和鐵制梁柱相結合的辦法，建筑了一座7層高的貨?！谝焕Ｌ卮髲B，這是當時全球最高的建筑。但是，這種結構仍然不夠穩定，7層已經是它的極限了。之后，詹尼受鳥籠的啟發，發現框架結構有很好的承重能力。

1885年，詹尼設計了芝加哥家庭保險公司大廈，它是世界上第一座鋼框架結構的建筑，也是世界上第一座摩天大樓，雖然它只有10層高。此后，一座接一座摩天大樓拔地而起，無一例外都是框架結構的。

詹尼是當之無愧的摩天大樓之父。

閱讀并回答

①為什么磚木結構不能建高層建筑？

②你認為建設高層建筑要考慮哪些因素？

③建筑第一拉埃特大廈采用的是________的辦法。

④詹尼從鳥籠上得到了怎樣的啟發？

⑤讀了這篇文章，你得到什么啟發？

（2）展示廣州塔在不同階段的照片（如圖1、圖2），讓學生找一找里面的框架結構，說一說這些框架結構的材料（鋼鐵）。

（3）請學生嘗試對廣州塔能夠建得很高而且很堅固的現象進行解釋。

（4）出示事先準備好的蘿卜堆塔（磚墻結構）和最簡單的正方體蘿卜（框架結構）。教師對比兩種結構，向學生說明廣州塔之所以建得很高而且很堅固是因為塔（包括里面的所有東西）的重量是由框架結構支撐的，而框架結構非常堅固，能夠提供足夠大的支持力，使之與塔本身的重力相平衡。因此，廣州塔雖然很高，但是很穩定。（本環節只關注最基本的簡單框架——正方形框架，可根據情況組織一個斜插牙簽的拓展活動，并比較三角形框架和正方形框架。）

4.拓展應用（三個小時左右）

（1）小組內討論，設計一個簡單的框架結構模型，并畫在表3中。設計完成之后，發放50個蘿卜塊和150根牙簽，小組根據草圖制作一個框架結構模型。

（2）收回第一次材料。將蘿卜塊增加到100個，牙簽增加到300根。嘗試使用框架結構，設計能夠支撐四本課本重量的最高的建筑。將設計草圖畫在表4中。

（3）選擇兩個小組展示設計圖并解釋設計意圖。

（4）根據設計建造高塔，記錄高度，分析建造過程中遇到的問題，將經驗總結在表4中，并拍照記錄。

（5）結合照片，將探索階段和拓展階段的最高紀錄作比較，并解釋為什么用框架結構能夠建起更高的建筑。

①為什么用框架結構能夠建起高層建筑？

②你學到了哪些知識？掌握了哪些技能？有哪些意外收獲？將它們記錄下來。

（6）總結本次活動的收獲，將其記錄在“反思”中。

（7）觀看視頻《超大建筑狂想曲：廣州塔》，查閱廣州塔和馬克·海默爾的故事。

評估

評估內容貫穿整個活動過程，可以從以下幾個方面來對學生進行評估：

“激發”階段，通過交流和匯報評估學生的前概念；

“探索”階段，通過制作高塔評估學生的動手能力及合作精神；

“解釋”階段，通過閱讀以及學生的解釋評估學生對相關概念、原理的理解情況；

“拓展應用”階段，通過小組制作的作品及學生的反思進行評估。

（作者王平系桂馨慈善基金會專家。）