STEM課程“橋”的設計與分析

王海明 任麗平

摘要在科學課堂中融入STEM教育，應當立足于工程領域的科學概念，密切聯系學生的實際生活，精心選擇具有可操作性的內容。教師結合本地情況創設建造橋梁的情境，通過聚焦生活中的真實問題，引出橋梁建造的任務，引導學生梳理完成任務須解決的科學和工程問題，訓練學生的高階思維，促進該班級橋梁模型建造技術的整體提升。

關鍵詞 STEM課程 橋梁建造 教育實踐

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.18.023

Design and Analysis of STEM Course“Bridge”

WANG Haiming[1]REN Liping[2]

（[1] Shandong Zibo Linzi District Jixia Primary School， Zibo， Shandong 255400；

[2] School of Information Engineering， Shaanxi Xueqian Normal University， Xi’an， Shaanxi 710100）

Abstract： Integrating STEM education into science classroom should be based on the scientific concept of engineering field， closely related to the actual life of students， and carefully select the operable content. By fo？ cusing on the real problems in life， teachers create the situation of bridge construction in combination with the local situation， lead the task of bridge construction， guide the students to sort out the scientific and engineering problems that need to be solved to complete the task， train the students’ high-level thinking， and promote the overall improvement of the class’s bridge model construction technology.

Keywords： STEM course； bridge construction； education practice

《義務教育小學科學課程標準》指出，工程的關鍵是設計，工程是運用科學和技術進行設計、解決實際問題和制造產品的活動。在小學科學課堂中融入STEM教育，應當立足于工程領域的科學概念，密切聯系學生的實際生活，精心選擇具有可操作性的內容，在此基礎上形成工程問題，基于此來開展STEM活動。

創設問題情境，引出任務

首先，情境應具有真實性，即學生在日常生活中所熟知或經歷過的情境。其次，情境要能夠激發學生濃厚的學習興趣。最后，情境中提出的任務既要以學生已有的生活經驗及前概念為基礎，又要有一定的挑戰性。學生明確具體任務之后，要以“設計師”的角色參與其中，這樣他們才會主動動手動腦，通過合作交流來尋求解決問題的辦法。

教師結合本地情況創設建造橋梁的情境：為解決交通擁堵問題，政府決定建造跨越河流的橋梁，減緩交通壓力。現在需要制訂這座橋的設計方案，搭建橋的模型。假如學生是一位橋梁工程師，該如何完成這個工程呢？教師通過聚焦生活中的真實問題，引出橋梁建造的任務，引導學生梳理完成任務須解決的科學和工程問題。通過討論交流，學生在教師的幫助下梳理了兩方面的問題：（1）科學問題：橋梁的類型有哪些？不同結構的橋承重能力有何不同？在其他條件相同的情況下，哪一種結構的橋承重能力更強一些？（2）工程問題：如何讓橋適應河流的寬度？橋的高度為多少才能適應交通工具通行？受條件限制，我們能選擇哪些材料來建造橋梁？如何檢驗橋的承重力？怎么進行材料預算等。

整合學科資源，設計方案

STEM課程在實施過程中要以任務為目標，以需求為導向，提前學習背景知識，并通過整合學科資源，尋找各學科知識之間的契合點，考慮各方面的因素，尋找最優化的方案。

首先，學習橋梁相關的背景知識。讓學生了解橋的類型，按照什么標準來進行分類，分為哪幾類，了解橋的結構。學生通過課前搜集資料，知道了若按照橋的材質可以分為木質橋、石橋、磚橋、混凝土橋、鋼筋混凝土橋；按用途可分為鐵路橋、公路橋、管道橋等；按結構可分為梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋、高架橋等。

其次，整合各學科資源。比如學生必須了解橋梁所受壓力和張力的有關科學規律，學會分析橋梁各個組件的受力情況，認識不同材料、不同結構的橋所能承受的張力和壓力不同；學生需要掌握橋梁建造的相關技術，而根據教師提供的部分材料以小組為單位進行模擬演示；學生要能繪制橋梁建造的工程圖，能制訂橋梁工程的實施計劃。教師可出示并講解關于工程圖紙繪制的圖示符號，指導學生繪制橋梁建造設計圖，引導他們制定橋梁調試與改進的標準和具體實施方案；學生還要熟悉橋梁建造中的數學應用，根據橋梁的寬度、高度、跨度計算須用材料的數量及費用等。

最后，選擇最佳方案。教師引導學生聯系實際任務和現實條件制訂工程設計方案。各個關鍵環節，都要在方案中體現。如選用何種橋梁模型？如何繪制圖紙？如何進行承重檢測？如何調試、改進模型？如何評價反饋？參與建造人員的分工情況如何？

基于項目驅動，形成作品

在設計方案正式形成之后，學生需要在方案的指導下建立模型，并進一步測試優化，形成最終的作品。

對于“橋”的設計，教師提出了以下具體要求：實際橋的長度為200米，橋面寬40米，橋面水平。要求模型與實物比例為1∶200。模型要具有穩定性、牢固性，在模型的任何位置放10千克重物，橋梁不破損。

具體的操作過程包括：第一，頭腦風暴。學生自主選擇實驗材料和橋的模型。第二，繪制設計圖。先以小組為單位進行設計，繪制橋的設計圖，然后各小組展示與講解，教師提供指導，確定樣圖。第三，制作模型。學生按照設計圖制作各種橋的模型，包括用紙牌、雪糕棒等各種材料制作的橋模型。第四，稱重測試。通過不斷增加承重力，測試橋梁的承重效果，并記錄數據，分析原因。最后，分析性價比。從承重和耗材的角度來比較不同橋梁的性價比，選出最合適的作品。學生在一次次的產品調試中逐步完善作品，直至形成最優方案。

展示交流評價，完善作品

評價是STEM教育過程中必不可少的一個環節，應貫穿于整個教學過程。評價的目的在于提升學生的科學素養，評價的方式是多種多樣的，既要有定量評價，又要有定性評價；既要對最終的作品進行評價，又要重視對學生在課堂中所表現出來的態度、參與程度等情況的過程性評價。

各組學生展示各自完成的橋梁模型（如右上圖），接下來需要完成以下任務：（1）模型自測，即學生對初次設計制作的橋梁模型進行自測，檢驗模型。（2）改進提升，即根據各項標準對模型進行檢測，并改進。如：發現有些小組制作的橋梁模型的木棍粘貼不牢固，橋體結構松散，必須找到原因，改進粘貼技術。（3）測試評價，即最終作品的展示與測評。測評主要從橋梁結構的科學性、穩定性、經濟性、美觀性、創新性等方面，從各項具體參數和要求對橋梁模型進行評價。如：根據每個項目得分，最后匯總成績，進行工程等級評價。（4）交流評選。對每個小組進行訪談，和其他組交流感想和收獲，征集大家的建議；根據作品的質量和之前學生提交的可行性方案，由全體學生評選本次活動的最佳設計方案。以上活動，通過評價他人作品，評選最佳設計方案，訓練學生的高階思維，促進該班級橋梁模型建造技術的整體提升。

總結

通過這樣的STEM活動，學生動手動腦完成了橋梁模型的設計與制作任務，達成了以下教育目標：科學知識方面，認識各種不同類型的橋梁，了解它們的結構特點，知道材料不同、結構不同的物體承重力不同；科學探究方面，用不同的方法搭建橋，探究物體的承重能力；科學態度方面，在橋梁模型設計與制作的過程中，學生分工合作，形成團隊合作意識，養成用所學科學知識解決現實問題的習慣；科學技術社會與環境方面，知道橋梁在生活中有著十分廣泛的應用，對方便交通出行起著巨大作用，知道橋梁工程建設是祖國現代化建設的重要組成部分。可見，在實施STEM教育過程中，既可以促進學生對科學、技術、工程、數學等學科知識的學習，又能提高學生的動手操作能力和跨學科解決問題的能力，同時也培養了學生的創新能力。

（本文系山東省淄博市教育科學“十三五”規劃2020年度課題“小學生科學認知能力提升與教學策略實施研究”及陜西省教育科學“十三五”規劃2018年度課題“小學STEM主題課程的開發與實施研究”階段性研究成果，課題編號分別為：2020ZJZ034、SGH18H252。）