基于STEM理念重构科学课的“形状与结构”单元

江美华

[摘 要]基于STEM的相关理念反思科学教材，发现单元结构和学生的学习心理和认知规律存在不匹配之处。通过对教材单元结构进行重建，引导学生从“要我学”转变为“我要学”，从而让科学研究活动更有深度。

[关键词]STEM；重建；单元结构

基于STEM理念反思当前的科学教学，会发现科学教材在单元结构上存在诸多不合理之处。以教科版六年级上册“形状与结构”单元为例，第一至七课主要是与桥梁有关的知识，直到第八课才提出任务“用纸造一座桥”，旨在让学生应用前七课所学知识。初看这种编排，很好地体现了学科学、用科学的思想，即先学习知识，再运用所学知识解决问题。但STEM教育提倡从发现工程问题开始，提供一系列背景经验活动，然后再让学生采用工程过程来解决问题，其中包括问题的重申、定义问题、设计工程过程流程图、提出工程建议书等。这样才能使学生以任务或项目为导向，经历主动发现、探究、学习和应用的过程。基于以上考虑，对“形状与结构”这一单元可进行一些调整（见表1）。实际上教材内容没有改变，只是单元架构发生了变化，实践证明，这样的调整有效。

一、“画”出学生的前概念

调整后的第一课是“环球桥之旅”。教师引导学生欣赏和了解桥的发展史，在此基础上创设情境：金华市的通济桥在上下班的高峰期车辆拥堵，为解决这一困扰多年的社会问题，金华市委、市政府面向全国征集新桥的设计图。如果请同学们也参与设计这座新桥，你们会怎么做呢？教师用这一真实问题情境，引导学生先凭借经验和课外阅读有目的地设计一座桥，并制作自己想要建造的桥的草图，然后在科学教材中找到相关内容进行探究，以便能够支持自己持续解决问题，即从桥的各个部分出发，对设计图中不科学、不完善的地方加以改进。学生研究完这一单元的内容，设计图也就变得更加科学合理了。接着再让学生根据设计图，用指定材料制作一座桥。

学生在了解了桥的发展史后，开始小组合作绘制设计草图。学生基于前概念设计的草图，必然会暴露出很多问题。如多数小组只是根据生活中常见的桥进行设计，缺乏创新；学生对于桥面的厚度、宽度没有概念，很多桥面较窄，缺乏实用性；有些桥的钢拉索集中在桥塔的顶端，而非在桥塔上均匀分布；有些桥塔没有伸到河底等。但学生设计的桥大多都是拱形的，这说明他们用到了生活经验，但要让学生说出为什么这样设计，又说不出理由。设计草图中出现的问题都会成为教学的切入点和后续探究活动的动力。最后，请每个小组上台介绍本组的设计草图和设计理念。课后将学生的设计草图张贴在教室里，在后面的教学中，这些设计图还会被不断改进。

二、“做”出纸梁的承受力

1.桥面尺寸与抗弯曲能力

这一课主要是对桥面的抗弯曲能力进行研究。教师提出要求：我们设计的桥必须保证车辆能够正常通过，且不会断裂。这时学生调动生活经验，提出要增加桥面的宽度和厚度，考虑桥面的建筑材料，甚至提出改进桥的形状等。这时教师再追问桥面的抗弯曲能力与哪些因素有关，学生的回答更准确了，如提出桥面的材料、桥面的长度、桥面的宽度、桥面的厚度……然后在讨论的基础上明确本节课要研究的问题：桥面的宽度和厚度对抗弯曲能力有什么影响。然后师生一起设计实验方案，有目的地开展实验探究，对实验数据进行记录与分析，最后归纳出一个结论：桥面的宽度和厚度都会影响桥的抗弯曲能力，其中厚度的影响更显著。这时再让学生对之前的设计提出改进意见，用便利贴附在草图上。

2.材料结构与抗弯曲能力

在上一节课的探究与实验中，已知增加桥面的厚度和宽度都能提高桥的抗弯曲能力。但所有工程都要考虑材料和成本。当桥面的厚度和宽度增加时，桥面的重量也会增加，若超过桥墩的载荷，桥梁可能断裂或损毁。工程师要怎样实现既增强桥的抗弯曲能力，又尽量减少桥面重量呢？学生在上一节课的基础上，很容易想到抗弯曲能力与形状有关系。这时便可自然引出探究主题：形状与抗弯曲能力。

学生借助实验测试W形、O形、L形、T形、U形、工字形纸桥的抗弯曲能力，通过分析实验数据，发现同种材料的纸梁，当弯折的形状不同时，其抗弯曲能力也不同，其中W形纸梁抗弯曲能力最强。同时还发现，不同形状的稳定性也不同，如圆形最不稳定，容易滚动；方形也不稳定，容易变形；W形非常稳定，坚固不倒。这时教师顺水推舟，让学生讨论生活中的W形结构。于是学生在记忆中搜索，想到了房顶上的瓦片、钢铁大桥的桥面、包装箱的瓦楞纸板等。接下来教师提供瓦楞纸板材料，请学生用手从瓦楞纸板的各个方向掰动，感受瓦楞纸板的抗弯曲能力。学生用很大的力气才掰开瓦楞纸板，于是师生一起研究纸板的内部结构。在“解剖”观察中，学生发现，原来瓦楞纸板的内部就是用上下两层纸粘紧的W形结构。

最后再回到之前的设计草图，考虑还能用什么办法增加桥面的抗弯曲能力。学生便很容易想到在桥面上应用W形结构，既能增强抗弯曲能力，又能节省材料和减轻重量。

3.梁体形状与抗弯曲能力

这节课要带领学生探究拱形的神奇力量。反观第一节课时所设计的桥，多数学生都根据所见过的桥梁的样子而设计了拱形桥，却不能说出为什么要这样设计，拱形到底有什么神奇之处呢？

为解决这一问题，在课堂上采用了对比实验。首先是检测一字形纸梁和拱形纸梁的抗弯曲能力哪个更强。实验发现，拱形纸梁比一字形纸梁抗弯曲能力更强。不过，随着承重（增加垫圈个数）的增加，拱形纸梁发生变形，两个拱足向外滑，直至垮塌。那么如果用重物抵住拱形纸梁的拱足，纸梁的抗弯曲能力能否增加？进一步实验发现，用重物抵住拱足，拱形纸梁的抗弯曲能力果然增加了。继续实验还发现，抵住拱足的重物越多，拱形纸梁的抗弯曲能力越强。在此基础上，学生再次对自己的草图进行修改和完善。

4.做框架，体验稳定性

课始让学生观察艾菲尔铁塔、高压线铁塔、塔吊等图片，说一说它们在结构上有什么共同之处，再找一找框架中的几何图形。学生发现这些结构中有许多三角形，于是，自然地生出了想要探究的问题：哪种形状的框架更稳定？由于学生在数学课上已经学习过有关三角形的知识，倾向于认为三角形框架最稳定。教师顺势引导学生动手试一试到底哪种框架比较稳定？学生用小木棒和橡皮筋分别扎出三角形和四边形，比较发现三角形的稳定性更强。在此基础上，请学生分小组合作搭建正方体框架，搭建完毕后发现稳定性不好，要怎样改进呢？教师提示学生可给立方体框架加固，学生发现使用斜杆恰好能与其他边形成更稳定的三角形结构，使加固后正方体的承重力发生了显著变化，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，实验中还出现了一个意想不到的问题：学生搭建框架时不会扎橡皮筋，或者扎不紧。这个原本不应是问题的问题成了好几个小组的拦路虎，导致他们没能在规定时间里搭成正方体框架。教师请学生反思其原因。最后，学生在实验基础上进一步修改设计草图。

5.建高塔，体验坚固性

在这一课时，先让学生了解什么是塔状结构，再观察塔状结构的特点，学生很容易发现塔状结构通常上小下大、上轻下重、中间镂空。追问这样的结构对高塔有什么作用时，学生很难说清。于是这个问题就成为本课的研究主题，师生将借助有趣的高塔实验测试“上小下大、上轻下重”结构的功能。

其后，学生开始建高塔，并限时15分钟。各小组充分发挥自己的创意和智慧，努力将塔建得又高又稳。建塔活动之后，教师请学生说一说从中学到了什么，以及怎样利用学到的知识修改之前的设计草图。比如，有一个小组设计的是斜拉桥，但桥塔上下一样粗。通过搭建高塔，他们发现塔的结构如果“上小下大、上轻下重”才会更坚固，自己原来设计的桥塔显然不够科学，于是对此作了相应的改进。还有的小组发现自己之前设计的桥塔没有架在桥墩上，桥面由于无法承受桥塔的重量会发生断裂，于是也对设计进行了相应改进。这样的过程，逐渐使学习更加深入了。

三、橋之再设计，转换学生的前概念

将近一个半月的“桥之旅”，学生围绕着桥的草图展开了相关内容的学习，每次课结束后，都会分小组讨论此前所设计的桥有哪些不合理的地方以及怎样改进。然后再动手改进，形成一个新的设计方案，并把要点画在草图上。为了帮助学生解决绘制草图时遇到的困难，即心中有想法却无法用笔表达出来的困难，教师把科学课堂搬进了美术教室，让美术教师帮助学生们实现科学与绘画艺术的结合。

在美术教师的专业指导下，学生们恍然大悟，之前遇到绘图问题迎刃而解，如运用远小近大、远密近疏的原则，将平面草图立体化；运用更专业的笔法，使设计图更加形象美观，更符合自己的设想。之后又在信息技术教师的帮助下，利用技术手段将桥的草图在电脑上展示出来，进一步落实了学科整合的理念。

综上所述，基于STEM理念重构单元内容后的“桥之旅”，每节课的内容和活动都是为解决怎样设计出一座科学之桥展开，学生的学习目的更加明确、思维步步向深度发展，学生学得更轻松，想得更深入，做得更完美了。

（责任编辑 郭向和）