基于STEM理念重構科學課的“形狀與結構”單元

江美華

[摘 要]基于STEM的相關理念反思科學教材，發現單元結構和學生的學習心理和認知規律存在不匹配之處。通過對教材單元結構進行重建，引導學生從“要我學”轉變為“我要學”，從而讓科學研究活動更有深度。

[關鍵詞]STEM；重建；單元結構

基于STEM理念反思當前的科學教學，會發現科學教材在單元結構上存在諸多不合理之處。以教科版六年級上冊“形狀與結構”單元為例，第一至七課主要是與橋梁有關的知識，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教育提倡從發現工程問題開始，提供一系列背景經驗活動，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，經歷主動發現、探究、學習和應用的過程。基于以上考慮，對“形狀與結構”這一單元可進行一些調整（見表1）。實際上教材內容沒有改變，只是單元架構發生了變化，實踐證明，這樣的調整有效。

一、“畫”出學生的前概念

調整后的第一課是“環球橋之旅”。教師引導學生欣賞和了解橋的發展史，在此基礎上創設情境：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內容進行探究，以便能夠支持自己持續解決問題，即從橋的各個部分出發，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容，設計圖也就變得更加科學合理了。接著再讓學生根據設計圖，用指定材料制作一座橋。

學生在了解了橋的發展史后，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。如多數小組只是根據生活中常見的橋進行設計，缺乏創新；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。設計草圖中出現的問題都會成為教學的切入點和后續探究活動的動力。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。這時學生調動生活經驗，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，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，對實驗數據進行記錄與分析，最后歸納出一個結論：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.材料結構與抗彎曲能力

在上一節課的探究與實驗中，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？學生在上一節課的基礎上，很容易想到抗彎曲能力與形狀有關系。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，通過分析實驗數據，發現同種材料的紙梁，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。同時還發現，不同形狀的穩定性也不同，如圓形最不穩定，容易滾動；方形也不穩定，容易變形；W形非常穩定，堅固不倒。這時教師順水推舟，讓學生討論生活中的W形結構。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部結構。在“解剖”觀察中，學生發現，原來瓦楞紙板的內部就是用上下兩層紙粘緊的W形結構。

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形結構，既能增強抗彎曲能力，又能節省材料和減輕重量。

3.梁體形狀與抗彎曲能力

這節課要帶領學生探究拱形的神奇力量。反觀第一節課時所設計的橋，多數學生都根據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。實驗發現，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）的增加，拱形紙梁發生變形，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？進一步實驗發現，用重物抵住拱足，拱形紙梁的抗彎曲能力果然增加了。繼續實驗還發現，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，說一說它們在結構上有什么共同之處，再找一找框架中的幾何圖形。學生發現這些結構中有許多三角形，于是，自然地生出了想要探究的問題：哪種形狀的框架更穩定？由于學生在數學課上已經學習過有關三角形的知識，傾向于認為三角形框架最穩定。教師順勢引導學生動手試一試到底哪種框架比較穩定？學生用小木棒和橡皮筋分別扎出三角形和四邊形，比較發現三角形的穩定性更強。在此基礎上，請學生分小組合作搭建正方體框架，搭建完畢后發現穩定性不好，要怎樣改進呢？教師提示學生可給立方體框架加固，學生發現使用斜桿恰好能與其他邊形成更穩定的三角形結構，使加固后正方體的承重力發生了顯著變化，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構，再觀察塔狀結構的特點，學生很容易發現塔狀結構通常上小下大、上輕下重、中間鏤空。追問這樣的結構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”結構的功能。

其后，學生開始建高塔，并限時15分鐘。各小組充分發揮自己的創意和智慧，努力將塔建得又高又穩。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，他們發現塔的結構如果“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。還有的小組發現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內容的學習，每次課結束后，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教室，讓美術教師幫助學生們實現科學與繪畫藝術的結合。

在美術教師的專業指導下，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。之后又在信息技術教師的幫助下，利用技術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理念重構單元內容后的“橋之旅”，每節課的內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）