基于STEM理念开发“多功能斜面仪”

随着多元化教学活动的开展，以实践为主的STEM教育理念的科学课更利于提高学生科学素养。如何更好地将小学科学和STEM教育理念融合在一起，实现对学生科学素养的提升，是一个值得研究的主题。基于此，本文将谈谈对《建高塔》一课开发的创新教具——“多功能斜面仪”。

设计初衷

1.提出问题

2018年执教《建高塔》一课时，我们对学生搭建的高塔进行稳定性测试时发现，一般的方法麻烦、不准确，且倾斜角不易连续测量，那应该如何以最简单、最快速、最直观的方式让学生发现塔的问题呢？是否可以开发一种教具专门解决这个测試问题呢？最后，我们决定基于教学设计，结合STEM教育理念开发“多功能斜面仪”。

2.设计理念

小学阶段是培养学生科学素养的关键阶段。学生在STEM教学模式下合作进行方案设计、改进和创新等活动，有助于提升学生的科学素养。STEM的教学环节：提出任务→解决问题（不固定方式）→工程设计→完成作品。

3.设计原则

开发创新教具，在遵守科学实验创新原则的基础上必须重点解决以下问题：

（1）整个教具的长、宽、高至少大于30 cm，以保证能测试学生设计的各类塔;

（2）力求取材容易、设计合理、组合巧妙、易于操作、重复性好且安全可靠;

（3）可观察性强，使观察者能一目了然;

（4）要易测量且可连续测量倾斜角，使测出的抗倾斜角度更可靠;

（5）功能性强，能同时准确测量塔的底面积、高度和抗倾斜角度，使结果更具说服力。

多功能斜面仪

《建高塔》属于工程与技术领域，课程标准对本课的要求是能够对所建的塔进行可行性和实效性评价。而一般的测量底面积的方法既麻烦，又不准确，还费时，同时不易测量倾斜角。根据上述设计理念和原则，创新教具的开发情况如下：

1.材料

3块300×450×5 mm的建筑模型木板，6块50×30×20 cm的樟子松防腐木块，12枚35×200 mm的黑色高强度十字螺丝，8枚304不锈钢自攻螺丝，2个2寸不锈钢小合页，1个不锈钢扁夹子，6支透明中性笔笔芯截段。

2.设计步骤

（1）运用计算机CAD软件制作设计图。

（2）用激光切割机切割。

（3）组装各部件。

3.结构与功能

多功能斜面仪由三大部分组成（如图1），可同时准确测量塔的底面积、高度和塔的抗倾斜角度。1号功能板是带有面积刻度的平面，每个小格代表1 cm2，用于测量塔的底部面积。2号功能板是带有长度刻度的平面，每个小格代表1 cm，用于测量塔的高度。3号功能板为特制量角器，每个小格代表1°，用于测量塔的抗倾斜角度。

应用举例

1.使用方法

基于《建高塔》的教学设计开发的“多功能斜面仪”能准确测试学生利用超轻黏土和小棍搭建的高塔的稳定性，以其中一个塔为例，具体使用方法如下：

（1）将2号功能板直立，塔放于1号功能板，可读出塔的底面积约为270 cm2（如图2），高度为30 cm（如图3）。

（2）将2号功能板平放，塔放于2号功能板上，沿着3号功能板边缘不断移动扁夹子，直到塔倒下，读出此时的倾斜角度，即塔的抗倾斜角度为35°（如图4）。

2.效果评价

结合STEM教育理念，利用“多功能斜面仪”辅助教学，让学生能快速准确地对塔进行测试，并在此过程中培养了诸多能力：

（1）设计能力。技术与工程不仅讲究美观，更重要的是保证塔的稳定，比如从稳定性、承重能力、美学等方面对建造的塔进行设计。

（2）创新能力。对高塔的每一个部分设计有特别的想法，比如使用三角形或以三角形为基本结构对塔进行设计，不仅增强塔的稳定性，也增强视觉冲击。

（3）解决问题的能力。当遇到问题时，主动思考，结合技术与工程知识，寻找解决方法，不断尝试和完善。

（4）合作能力。在搭建塔的过程中，大家集思广益，互帮互助。

拓展延伸

“多功能斜面仪”虽然是基于《建高塔》一课开发的，但它的作用相当大，可应用于所有年级需要测高度、测面积、测角度的科学实验中（如表2），可谓一举多得。

总结反思

通过开发创新教具来开展《建高塔》的优势很明显。在搭建中，学生将运用科学知识建“塔”;在设计和测试稳定性的过程中，学生会努力去理解并掌握技术与工程的基本原理。这不但培养了学生的团结合作能力、动手能力及解决问题的能力，而且培养了科学与工程相融合的思维。此教具改进了测试塔的稳定性的传统方法，解决了测试麻烦、不准确、费时的问题，它还可以应用于其他科学实验中，大大提高了教学效率。虽然本教具无法自动升降斜面，有待进一步改进，但总体上能满足目前小学科学课中常规实验的使用需求。

（作者肖玉婷、王丹、文丰玉、马茂媛单位为西华师范大学化学化工学院，作者胡锦芳单位为成都师范学院）