《伞面的坡角》同课异构探索

丁素平

《义务教育小学科学课程标准》（以下简称《课程标准》）指出，小学科学课程学习的方式是多种多样的，探究式学习是学生学习科学的重要方式。自2001年课改以来，探究式的教学在日常科学教学中得到了很好的重视和普及，并且《课程标准》对做科学探究的基本要素和基本流程都解释得相当到位，因此，科学教师已经能比较好地把握探究的要素及过程。

《课程标准》增加了技术与工程领域，由于该领域的学习可以使学生有机会综合所学的各方面知识，可以使他们体会“做”的成功和乐趣，并养成通过动手做解决问题的习惯，因此该领域的教学备受关注。但因为《课程标准》并没有阐述“做技术”与“做工程”的基本要素和基本流程，使其成为一线科学教师教学的难点甚至痛点。近些年来，与上述教学改革并行的还有STEM课程开发及教学。STEM课程的研究虽然方兴未艾，但还是缺乏统一而全面的阐释，因而也成为一线科学教师的难点甚至是盲点。

本文试图以自行开发的《伞面的坡角》一课为研究载体，基于科学探究课、技术探究课、STEM研究课设计不同教学案例，阐释三种课型的理论原理。

科学探究课

科学探究是获取科学知识的主要途径。科学探究特别强调要基于问题和聚焦问题，然后设计研究方案，通过观察、实验、调查、统计等手段获取证据，经过比较、分类、类比、归纳、演绎等逻辑思维方法，进行推理判断，最后得出结论。《课程标准》中提出的要求是：学生能运用科学探究方法解决比较简单的日常生活问题。

依据上述理论，如果将《伞面的坡角》设计成科学探究课，那么教学主体流程为：提出并聚焦问题—分析并制订探究方案—实验探究—综合分析、得出结论。

1.提出并聚焦问题

导入：观察各种成品雨伞，有什么发现？学生发现其伞面坡角一般都是15度左右，于是引出问题：为什么伞面坡角一般选择15度？这样的选择有什么科学道理？

2.分析并制订探究方案

观察分析雨伞，发现主要是从遮雨面积和伞面排水速度两方面决定伞面坡角。遮雨面积越大越好，要求坡角越小越好;伞面排水速度越快越好，要求坡角越大越好，如何取舍？为什么大家不约而同地选择了坡角为15度左右？

怎样测算不同坡角伞面的遮雨面积和排水速度？教师引导学生制订实验方案：用相同规格的伞，测量不同坡角时伞面遮雨半径，计算遮雨面积;排水速度则将同一把伞撑到对应坡角，测量一滴管水从伞顶流出伞边所用时间。

3.实验探究

全班分组用相同的伞，分别研究小坡角、中坡角、大坡角伞面的遮雨面积和排水速度（伞面研究记录见右表）。

4.综合分析、得出结论

综合比较各组数据，得出结论，选用中坡角遮雨面积可以比较充分利用伞面（遮雨面积减小不明显），并且排水速度合适。（小坡角虽然遮雨面积够大，但排水慢;大坡角则排水快而遮雨面积太小，且这么快的排水速度也不必要。）

技术探究课

相传，鲁班的妻子云氏从她丈夫所建亭子的樣式得到启示，经不断尝试和改进，制成了一个重量轻的“竹亭子”——这就是古老的兽皮伞、油纸伞，它满足了人们随身携带和方便使用的需求。从伞的发明过程来看，它是属于在需求刺激下发明的经验型技术产品。

我们知道，技术总是从一定的具体目的出发，针对具体的问题，形成解决的方法，从而满足人们某方面的具体需求。为了解决需求的技术，一般可以分为两种途径：经验型技术和原理应用型技术。

例如，中国古代发明的赤道式日晷就是一种典型的经验型技术（参见湘版四年级上册“日晷的故事”）——古人是没有地球是一个球体的认识的，更没有赤道这样的概念——古人并不知道日晷背后的真正原理。又如，学生在学完了磁铁的磁极以及磁极指南北的性质后，参考古人的“磁针四法”，再自制指南针，就是一种典型的原理应用型技术;在学完了电路的基本知识后，再设计安装“房屋”电路，也是原理应用型技术。

经验型技术，是通过实践中的尝试、摸索，实现某种功能，满足某种需求，它以经验为特征。经验是促进技术发展的重要因素，在技术发展历史的早期，它甚至是导致技术发展的唯一因素。

我们看到，不论科学还是技术，都存在知其然不知其所以然的、以经验为特征的技术。在小学科学课程中也存在很多这样的技术，尤其是一些复杂原理技术和高科技技术，这对人类来说是科学指导下的技术，属于应用的技术，只要求儿童体验、认识和理解。经验型技术既不以科学认识为目的，也没有清晰的科学原理的指导（没有不包含科学原理的技术），主要依据经验进行或获得经验体验。

在这些经验型技术中，往往存在许多的科学问题有待提出和探索，而更加可贵的是善于发现问题、提出问题，并加以思考。例如，伞面的坡角需要综合考虑遮雨面积和排水速度两个问题，这在以前的科学探究课和技术探究课上都是少见的。学生差不多是第一次遇上多因素的综合考虑取舍问题——在他们以后的学习和人生中，这样需要优化、综合分析的问题绝不会少！

《油纸伞》是一个我们结合当地特色开发的校本课程，其中含有很多技术工程方面的教育内容。我们认为技术课的大致流程应该是：确定需求—做出设计—调试安装—评估改进。《伞面的坡角》是这个大的课程中的一个子课题，重点在于用经验型技术的方法，不断地尝试、评估、改进，最终获得一个比较合适的伞面坡角。

依据上述理论，如果将《伞面的坡角》设计成技术探究课，那么教学的主体流程为：需要确定一个合适的伞面坡角—分析具体的影响因素并制订实验探究方案—小组展开实验探究—数据信息分析评估—完成设计、满足需求。

1.从需求出发，提出要探究的问题

导入：我们在制作油纸伞的过程中，需要一个合适的伞面坡角，要选择一个什么样的伞面坡角最为合适呢？

2.观察分析油纸伞，发现伞面坡角的选择，主要考虑其功能需求

伞面的遮雨面积和伞面排水速度。遮雨面积越大越好，要求坡角越小越好;伞面排水速度越快越好，要求坡角越大越好。如何取舍？

3.通过经验型的技术尝试，选择合适的坡角

组织学生做各种坡角的油纸伞，通过实验比较其遮雨面积和伞面排水速度。伞面坡角研究记录与科学探究课相同。

4.分析数据，完成评估，确定合适的傘面坡角，满足人们的需求

学生尝试制作出不同的伞面坡角，通过测算发现：当遮雨面积最大时，伞面的排水慢，生活经验告诉学生这可不行;当伞面坡角达到30度以上时，排水非常迅速可是损失了很多的遮雨面积，已不能满足人们的需求;选择一个折中的坡角，大约15度时既可保障遮雨面积，亦可以保持伞面排水的顺畅。

这种技术型探究课可以延续到油纸伞的跳子的位置确定、不同伞骨长度的确定、长伞骨开槽的位置等，人们无一不是在不断尝试的过程中去调试，直至合适为止，保证伞骨能支撑伞面出现合适的坡角，保证伞能轻松地开合等。

STEM研究课

STEM教育结合了科学、技术、工程和数学，它将知识融合到一起，去解决一些真实的问题，形成能满足人们某种需求的产品，因此它更注重的是学生创新能力、问题解决能力和相互合作的能力，而并非将不同学科简单叠加。STEM理念的重要意义在于强调了把科学知识物化为具体的应用，对扭转以前长期应试教育中产生的“高分低能”“眼高手低”有较好的作用。

依据上述理论，如果将《伞面的坡角》设计成STEM探究课，那么教学主体流程为：确定需求（设计合适的伞面坡角）—发现问题、设计解决方法—利用科学、技术、工程和数学等知识解决问题（15度最为合适）—运用理性方法创新产品（设计一把适合小、中、大雨环境下的雨伞）。

1.聚焦问题

在制作伞之前我们要先完成伞的设计。在设计伞面坡角时，我们需要考虑哪些因素？（伞面的遮雨面积、排水的速度、 防止被风吹翻等）聚焦问题：多大的坡角是最合适的呢？

2.展开探究，弄清原理

以科学探究课的思维，解决伞面坡角选择15度左右为最佳的问题。

3.运用原理，创新产品设计

能否设计一把伞，以分别应对晴天无风遮阳或遮挡毛毛雨、小雨到中雨、中雨到大雨的不同天气情况。

激发学生完成创新设计，如在伞杆上设定三个定梢，分别控制伞面坡角可以在5度、15度、25度等。还有学生提出在伞杆上设置滑槽，跳子设置对应卡位点，可以实现很多的坡角等。

湖南省湘潭市九华和平小学（411100）