上有工程味的科学课

谈梅芬　曾宝俊

《小丑玩具跳起来》是一节自编工程实践课，旨在将科学、技术与工程加以整合。一个完整的工程实践活动一般包括明确问题、设计方案、制作实体模型、检验解决方案、评价并提交结果等。受限于一节课有限的教学时间，本课将侧重于体现工程活动的核心——产品设计。笔者将整个教学流程分三个板块引导学生展开研究：关注现象，聚焦问题;科学探究，选择合适的弹跳材料;技术改进，设计更优的弹跳方式。在本课教学过程中，笔者从学生喜欢的弹跳游戏入手，用“设计一个让小丑玩具跳起来的装置”给予学生任务驱动，充分调动学生主动探求的内驱力，引发其对产品不断改进，并将工程思维与技术能力的训练贯穿在整个工程实践中，以培养学生的学科素养。

教学过程

1.关注现象，聚焦问题

师：老师给大家带来了一个魔盒。看！什么出来了？（教师演示把玩具从纸盒子里弹跳出来）

生：小丑，小丑跳出来了！

师：这是个小丑玩具，你觉得它是怎么跳出来的呢？

生：盒子里有机关，一摁机关的按钮，小丑就跳了出来。

生：盒子里有弹簧，老师一按，小丑玩具就弹了出来。

师：大家主要是从“用什么材料使小丑玩具跳起来”“这个材料怎么帮助小丑玩具跳起来”两个方面来思考的，如果能解决这两个问题，我们也就能做出这么好玩的玩具了。今天我们的任务就是学习制作一个能跳起来的小丑玩具。

设计意图：本环节教师先用一个小丑玩具从盒子里跳出来的游戏调动学生的好奇心，然后组织学生针对这一玩具进行观察讨论，聚焦弹跳材料与弹跳方式，最后布置本节课的学习任务。基于问题的聚焦与思考，这是开展工程实践活动惯用的一个启动方式。

2.科学探究，选择合适的弹跳材料

师：能让小丑玩具跳起来的材料有很多，老师这边有四种材料，分别是弹簧、橡皮筋、木棍子，竹片，你认为哪一种更适合呢？

（教师发放材料，学生观察。）

生：我认为是橡皮筋，它能拉长。

生：我选择的是弹簧。

生：我选择的是有韧劲的竹条。

师：你们选的这些材料有什么特点？

生：它们都有弹性。

师：它们的弹性是怎么表现出来的呢？谁来演示一下。

生：用力把弹簧往下压，它能变短，手一松，弹簧就跳了起来。

生：把竹条的一端往下压，竹条就变弯了，手一松，竹条能弹回来。

生：橡皮筋拉了后能变得很长，不拉它就恢复成原来的样子。

师：大家观察得真仔细，我们给这些材料施加外力，它们就会变形，不施加外力了，这些材料会恢复原来的形状，科学上把物体的这种性质称为“弹性”。当我们按压或者拉动它们时，会感觉到这些材料也在给我们施加一种力，我们称这种力为“弹力”。你们能利用这些弹性材料，用弹力的方法让小丑玩具跳起来吗？

（教师发放小丑玩具，学生开展活动体验。）

师：你们是怎么让小丑玩具跳起来了呢？

生：我把橡皮筋绕在两根手指上，然后把小丑笔帽插在皮筋里，将橡皮筋一拉，小丑玩具就跳出去了。

生：我们小组把弹簧竖着放在桌面上，然后把小丑笔帽塞在弹簧的洞眼里，一压弹簧，小丑玩具就飞出去了。

生：我们小组把小丑笔帽套在竹条的一端，然后把竹条往下压，手一松，小丑玩具就跳出去了。

师：从操作简单、效果明显的角度判断，你们认为这三种材料中，哪一种最合适做小丑玩具的弹跳材料？

生：我选择竹条，因为竹条一压一放很方便。

生：我也选择竹条，它能让小丑玩具飞得很远。

师：行，那咱们今天就先选择用竹条来制作小丑玩具的弹跳材料。

设计意图：选择合适的材料是工程实践活动中非常重要的环节。本环节旨在引导学生聚焦物体的特性，通过试错式的体验，引导学生学会在一组杂乱的材料中选择出适合制作小丑玩具的弹跳材料。

3.技术改进，设计更优的弹跳方式

师：刚才大家把小丑玩具套在竹条上进行弹跳，玩具往前飞了，这样的玩具有问题吗？从安全性考虑，小丑玩具往哪儿跳更合适？

生：往高处跳。

师：我们来思考一下，要使小丑玩具往上跳，也就是弹力的方向朝上，我们压竹条的方向需要朝哪儿？用手比画一下。

生：朝下。我来试试吧！

（学生上台展示，实验失败。）

生：老师，小丑笔帽是套在竹条上的，如果手用力的方向向下，小丑笔帽就直接从竹条上滑出来了，我觉得不能把笔帽套在竹条上。

师：如果不把笔帽套在竹条上，我们该怎么做呢？

（学生开始思考。）

师：看来大家有些犯难了，这样吧，老师抛砖引玉，这是我刚才让小丑玩具跳起来的装置，大家看看，能不能从中受到启发（展台弹跳装置）。如果你使用这套装置，这根竹条可以放在哪个位置，怎么用竹条的弹力让小丑玩具跳起来？我这有装置的图片，请大家用简图的方式把自己的想法先画下来。

（学生分组讨论设计方案，并上台展示。）

生：我们组想把竹条放在两根竹签中间的空隙里，用力压竹条的一端，当竹条弹到小丑笔帽时，小丑笔帽就能跳起来了。

师：把竹条往下压，弹力的方向朝哪儿？

生：弹力的方向朝上。

师：其他组有不同的方法吗？

生：我们想把竹条靠在竹签的一侧，先压弯竹条再松手，小丑笔帽就会被弹出去。

师：手用力的方向朝哪，弹力的方向朝哪？

生：手用力的方向朝下，弹力方向朝上。

生：我补充一下，要把竹条对准小丑笔帽的下端，这样小丑玩具才能跳起来。

师：你们的这些方法能让小丑玩具跳起來吗？参照你们刚才的设计，加上小伙伴们给的建议，一起试试吧。请制作成功的同学给大家做个展示。

（学生展示。）

师：大家都能让小丑玩具跳起来，你们的方法真不错！看，讲台上摆了一个支架，它的高度是60厘米，现在我们要以这个高度为标尺，通过优化你们的弹跳技术，让小丑玩具跳到这个高度甚至超过这个高度，你们能做到吗？

（教师发放支架，学生优化设计方案。）

师：哪些小组挑战成功了？请给大家做个展示，并介绍一下你们的成功经验。

生：我们把竹条用力往下压得很弯，这时竹条产生的弹力就会变大，小丑玩具也就弹得更高。

师：你们的意思是说，竹条的形变越大，它产生的弹力就越大，小丑玩具就弹得越高。

生：我们组一开始也是用他们的方法，但用力过猛把竹条给掰断了，于是就用剩下的半截竹条。我们发现压短竹条用的力要比先前压长竹条的时候用的力要大，小丑玩具竟然跳得更高，我们想肯定是竹子产生的弹力变大了。

师：大家真会思考，能让小丑玩具跳起来的方法远不止这些，你们还有其他办法吗？课后请进一步改进。

设计意图：本环节中教师以任务驱动的方式，引导学生利用弹性物质的特性，通过设计合理的弹跳方法，并不断优化方案，让学生体验动手做的乐趣，由此提高他们的实践能力、思维能力和解决问题的能力。

教学感悟

1.科学知识是工程设计的基石

工程技术整合的科学课，凸显的是知识在真实问题情境中的具体运用，科学知识是整个工程实践活动的基石。如本课中，学生所有的工程设计是建立在弹性与弹力的科学知识上。但工程实践课又不等同于科学探究课，它具备情境性特征，注重在复杂的生活场景中将知识进行情境化应用。本课例中，学生通过多种方法选出让小丑玩具跳起来的材料，进而总结出它们的共性——弹性，发现弹性物质变形会产生弹力。笔者通过活动帮助学生将潜意识中模糊的认识进行加工与提炼，最终形成弹性与弹力的科学概念。

2.工程设计是工程活动的核心

工程设计能够给学生提供一个真实环境下问题分析与方案解决的场域，具备创新性与开放性的特点，更决定了设计在工程实践中的核心地位。本课抓住“选择合适的弹跳材料”和“怎样让小丑玩具跳高”两个问题，引导学生进行方案的设计。解决第一个问题相对容易，学生尝试让弹性物质变形，利用弹力使小丑玩具跳起来，并从多种弹性物质中选择出合适的弹跳材料。由于需要对弹力方向进行制约，进而过渡到对第二个问题“设计一个让小丑跳高的方式”的解决，这也是本课的难点。三年级的学生处于形象思维为主的阶段，缺少独立设计一套弹跳装置的知识技能，笔者给学生搭建思维的“脚手架”——插有竹签的弹跳装置，引导学生围绕“竹条放哪儿？怎么弹？”来绘制图纸，设计制作，并不断优化方案，研制出能让小丑玩具跳得更高的弹跳技术。

3.高阶思维是工程素养的关键

在工程实践课中，学生会面临着各种问题，他们需要审视问题并提出解决的方案，运用分析性思维、批判性思维和创造性思维，这些都属于高阶思维，这既是工程设计的灵魂，也是教师培养学生技术与工程素养的关键。因此，教师在活动组织的过程中，需要有意识地培养他们的高阶思维。如本案例中，笔者引导学生思考“怎样让小丑跳得更高”这一问题，他们会对弹跳装置中形变的大小、竹条的长短、插放的位置等提出诸多解决思路。又如对方案的优选与选择，这是在考量学生的分析判断能力，让学生进行成果展示与伙伴互评，综合运用到多种思维。

点    评

小学工程实践是以工程设计为核心，引导学生解决实际情境中具体问题的一種教学活动。《小丑玩具跳起来》是一节典型的工程实践案例，它从学生喜闻乐见的玩具入手，通过对弹跳材料与弹跳技术的反复设计、决策分析、展示评价等教学环节，引导学生经历了从确定问题到提出解决问题方案的一个较为完整的工程过程。

学生在生活中会遇到各种问题，需要合作完成一些任务，需要开动脑筋去规划、设计和制作。他们会利用简单的工具和材料，设计、制造属于他们的“产品”，这就是学生的工程与技术的实践活动，从这个意义上来说，每个学生都是天生的“工程师”。

本案例旨在通过组织学生对日常生活中的难题和自然事物的探究，让他们积累经验，增长知识、提升能力。在这个过程中，学生通过观察、制作、实验、推理和建模来获取知识;依据工程学的程序和方法来探讨、论证和发明，因而发展了实践能力、思维能力和运用科学知识解决问题的能力。在教学中，教师抓住三年级学生的学习特点，用丰富而具体的操作，通过“动手做”来解决问题，使学生养成重视证据和逻辑的思维习惯，以及注重实际的行为习惯。

小学生参与制作、欣赏作品，可以体验到“做”的成功和乐趣，这有利于他们科学兴趣的激发、自信心的确立、自尊和独立意识的发展。另一方面，工程实践活动还可以引导学生养成关注周围世界和实际生活的态度，使他们学会探究和解决生活中的简单问题，感受、体验科学技术的作用以及科技发展对人类生活的影响，学会使用和管理科学技术以适应现代化的社会生活。学生在工程思维与技术能力的习得中实现深度学习，建构自己的认知地图，这是他们参与工程活动的价值所在。