徐敬標(biāo)

在課堂整合的時代背景下，STEM教育在國內(nèi)外科學(xué)教育界掀起了熱潮。STEM教育理念包含體驗、協(xié)作、創(chuàng)造、分享等，而科學(xué)建模作為一項重要的科學(xué)探究過程技能，它能夠有效突出STEM教育理念。通過研究小學(xué)教材中經(jīng)典的模型制作探究性課例——《降落傘》，尋找STEM教育理念與科學(xué)建模相融合的有效途徑，為一線教師提供參考。

STEM教育理念下的科學(xué)建模過程

科學(xué)模型是一種再現(xiàn)原型某種特征（如結(jié)構(gòu)、功能、關(guān)系、過程等）的物質(zhì)或思維等形式的類似物，建模即建構(gòu)模型，主要是利用模型進(jìn)行研究與學(xué)習(xí)。STEM教育理念下的科學(xué)建模流程如圖1，五個階段貫徹了STEM教育的四種理念，突出了STEM教育的特征。

研究設(shè)計及實施過程

《降落傘》是蘇教版《科學(xué)》教材四年級下冊第三單元《無處不在的力》的最后一課，它是小學(xué)教材中經(jīng)典的模型制作探究性課例，一共開展三次系列活動，每次活動時長為一個半小時?！督德鋫恪匪w現(xiàn)的STEM教育素養(yǎng)見表1。

1.設(shè)計與實施

教學(xué)目標(biāo)：了解降落傘是利用空氣對傘的阻力減緩下降速度與降落傘結(jié)構(gòu);能設(shè)計并畫出降落傘的示意圖，能選擇合適的材料并使用工具制作出降落傘模型;能探究影響降落傘下降快慢的因素。

教學(xué)重點：設(shè)計、制作與分析降落傘模型。

教學(xué)難點：探究影響降落傘下降快慢的因素。

教學(xué)準(zhǔn)備：塑料袋、防水布、棉線、膠帶、剪刀、夾子、秒表、熟雞蛋等。

（1）確定建模對象

師：（播放一段運(yùn)動員跳傘的視頻）是什么原因讓運(yùn)動員從高空落下卻安全著陸呢？

生：降落傘幫助運(yùn)動員減慢了下落的速度。

師：在無風(fēng)的條件下，降落傘在下降的過程中受到哪些力的作用？

生：向下的重力和向上的空氣阻力。

師：運(yùn)動員跳傘時降落傘起到什么樣的作用呢？

師：根據(jù)不同的用途降落傘也有許多不同的類型（出示圖片），看過不同類型的降落傘后你覺得降落傘可以分為哪幾個結(jié)構(gòu)？

（小結(jié)：降落傘由傘面、傘繩和重物構(gòu)成。）

師：這次同學(xué)們來做一回小小工程師，制作一個降落傘。你們覺得一個性能良好的降落傘需要具備哪些特點？

生：能減慢下落的速度;能平穩(wěn)（豎直向下）下落;不能破損或破洞、美觀……

師：沒錯！我們要制作的降落傘也是有要求的，我們來看一下本次制作降落傘的任務(wù)單。最終我們制作的降落傘能從3樓落下并最大限度保護(hù)運(yùn)送的熟雞蛋的蛋殼不破碎。

（2）建立合適模型

根據(jù)任務(wù)單的要求設(shè)計并繪制出降落傘的設(shè)計圖，任務(wù)單見表2。

（每個小組匯報自己的設(shè)計。）

討論：你準(zhǔn)備做成什么形狀的傘面？圓形的傘面要怎么剪？傘繩準(zhǔn)備粘貼在哪里，怎么粘貼？

交流：有沒有什么其他的問題？

每個小組按照設(shè)計圖選擇材料開始制作降落傘。小組制作完成后對其進(jìn)行加固和系上同樣重的重物，最后上交給教師。

（3）測試交流模型

對制作好的降落傘進(jìn)行調(diào)試，給每個小組3次機(jī)會試放降落傘并觀察現(xiàn)象，記錄每次降落傘下降的時間。

師：剛剛同學(xué)們都測試了自己的降落傘，在觀察每個小組放飛的降落傘之后。你有什么發(fā)現(xiàn)？

生：降落傘下降的速度不同。

交流：為什么降落傘下降快慢會不同，你覺得這與什么因素有關(guān)呢？為了達(dá)到要求，我們需要什么樣的降落傘？

討論：選擇一個你認(rèn)為會影響降落傘下降快慢的因素，設(shè)計實驗來證明你的觀點。

交流：每個小組匯報實驗設(shè)計，其他小組質(zhì)疑或提出意見，確定實驗設(shè)計。選用教師準(zhǔn)備好的不同尺寸的降落傘進(jìn)行實驗探究。

將實驗結(jié)果記錄在實驗記錄單上，討論實驗結(jié)果，得出實驗結(jié)論。

總結(jié)：傘面面積越大、重物越輕、透氣性越差的降落傘下降速度越慢。

（4）修改優(yōu)化模型

為了最大限度地使降落傘下降得慢一些，每個小組根據(jù)實驗結(jié)果、制作中遇到的問題和之前的制作反思討論降落傘的改進(jìn)方法，寫在實驗記錄單的背面。有些小組準(zhǔn)備重新制作降落傘，寫出或畫出重新設(shè)計的降落傘，部分學(xué)生的想法如下：

小組1：我們打算把傘繩剪短一些，再把傘繩對齊。膠帶總是掙開，后期需要加緊。傘面的面積太小，我們打算把傘面改為邊長50厘米的正方形。

小組2：我們打算更換材料重新制作降落傘，傘面要大一點，換牢固一些的膠帶捆綁。

按照要求改進(jìn)降落傘，下課之前所有小組的作品上交給教師。

（5）反思評價模型

明確最終對降落傘的評價標(biāo)準(zhǔn)。給每個小組充分的時間繼續(xù)改進(jìn)和完善降落傘，對每個小組制作降落傘的美觀度進(jìn)行打分。給予每個小組2次機(jī)會再次試放降落傘，活動中觀察并思考自己作品的不足之處，做測試前最后一次調(diào)試。

給準(zhǔn)備好測試的小組安裝重物（熟雞蛋），小組依次試放降落傘并記錄雞蛋下落之后蛋殼的破碎程度，教師進(jìn)行打分。最終根據(jù)是否豎直下落、雞蛋的完好程度和降落傘的美觀程度評選出一組制作最精良的降落傘。

2.測試與評價

為檢測研究者的教學(xué)是否有效地達(dá)到了設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)，研究者對學(xué)生及其作品做了測試和評價。評價分為兩個部分，一是在整個課例實施過程中學(xué)生測試、反思自己的作品并調(diào)試和改進(jìn)的形成性評價，二是最終課例結(jié)束之后對學(xué)生的降落傘測試和對學(xué)生發(fā)放調(diào)查問卷的終結(jié)性評價。這兩次評價都在之前的課例實施過程中有所體現(xiàn)，下面研究者主要針對終結(jié)性評價對此課的教學(xué)效果進(jìn)行分析。

首先分析對學(xué)生作品的測試與評價。研究者依據(jù)教學(xué)目標(biāo)和本課所體現(xiàn)的STEM教育理念設(shè)計評價單對學(xué)生的作品進(jìn)行測試（見表3、表4）。

對作品的評價包含了對學(xué)生STEM素養(yǎng)的評價，特別是技術(shù)和工程素養(yǎng)。研究者為檢測學(xué)生科學(xué)知識的掌握情況，進(jìn)行了問卷調(diào)查（見表5）。調(diào)查問卷由單選和問答題組成，問卷對于科學(xué)知識的考查分為降落傘原理、結(jié)構(gòu)、影響降落傘下降快慢的因素和降落傘的作用，最后一題考查科學(xué)態(tài)度。

教學(xué)反思

本課一共三個課時，第一課時以制作為主，第二課時以探究實驗為主，第三課時是拓展延伸。在實施之前對教學(xué)設(shè)計進(jìn)行了多次修改。根據(jù)學(xué)生所做出的降落傘模型和對學(xué)生科學(xué)知識的調(diào)查結(jié)果顯示：大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)達(dá)到了原定的教學(xué)目標(biāo)，在制作模型的過程中培養(yǎng)了學(xué)生動手操作和解決問題的能力;人數(shù)較少、課堂時間充足、工具材料齊全等因素使得課例進(jìn)行得十分順利;學(xué)生在課堂上發(fā)言活躍、設(shè)計制作環(huán)節(jié)認(rèn)真投入，課堂參與度較高。但還是存在一些問題，比如討論降落傘下降快慢的影響因素時，學(xué)生不會控制變量，教師的引導(dǎo)和解釋也沒有讓他們完全理解，導(dǎo)致他們雖然通過觀察得出了正確的結(jié)論，但是不明白其中的原理。

由此，我認(rèn)為STEM教育理念與科學(xué)建模的融合需要遵循以下平衡原則。

1.與STEM教育理念間的平衡

在每個環(huán)節(jié)中有效滲透STEM教育理念，這需要設(shè)計出的課例能夠體現(xiàn)出STEM教育的體驗性、綜合性、趣味性、開放性等特征，需要強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計的思想，讓學(xué)生考慮所做模型的實用性。

2.案例的難易與學(xué)生接受間的平衡

STEM建模課例的設(shè)計要抓住學(xué)生的心理特點和STEM教育的特點。首先在特定的教學(xué)情境下讓學(xué)生對于自己要做的東西充滿興趣，勾起他們的求知欲;提出問題確定建模對象后，給予學(xué)生充足的時間討論設(shè)計出各種不同的解決方案（畫出建模設(shè)計圖），發(fā)掘他們的創(chuàng)造性。建立模型是學(xué)生最喜歡做的環(huán)節(jié)，應(yīng)提供豐富的材料和工具幫助他們最大限度地完成作品，培養(yǎng)他們的動手操作和使用工具的能力。

3.校內(nèi)外資源整合間的平衡

實施STEM建模課例，將STEM教育理念融入小學(xué)科學(xué)建模并在課堂上開展并非易事，一個完整的STEM建模課例需要花費(fèi)很多課時去做，這樣才能真正做出好的東西。根據(jù)每個學(xué)校的具體情況開展，畢竟小學(xué)科學(xué)是一門綜合實踐課程，不局限于科學(xué)課堂。教師可以采用校內(nèi)外結(jié)合的方式開展STEM課例，整合多方面的資源，尋求各界的幫助，讓所有的孩子都有機(jī)會參與。

4.小組成員間分工的平衡

一般的科學(xué)課堂小組人數(shù)為4～6人，劃分小組成員的標(biāo)準(zhǔn)似乎就是按照座位順序、性別比例等。但是學(xué)生做科學(xué)實驗尤其是參與STEM建模這樣的活動時，教師需要合理安排小組成員以便達(dá)到最好的教學(xué)效果。例如不同的學(xué)生擅長的東西不一樣，有的記筆記又快又清楚，有的想法非常多，有的數(shù)學(xué)特別好等，給每個小組都安排具有不同長處的學(xué)生，這樣他們在實驗的過程中分別發(fā)揮自己的長處，而且具有明確的分工可以使每個學(xué)生都參與其中，可以更加順利地完成實驗任務(wù)。