STEM课程“桥”的设计与分析

王海明 任丽平

摘要在科学课堂中融入STEM教育，应当立足于工程领域的科学概念，密切联系学生的实际生活，精心选择具有可操作性的内容。教师结合本地情况创设建造桥梁的情境，通过聚焦生活中的真实问题，引出桥梁建造的任务，引导学生梳理完成任务须解决的科学和工程问题，训练学生的高阶思维，促进该班级桥梁模型建造技术的整体提升。

关键词 STEM课程 桥梁建造 教育实践

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.18.023

Design and Analysis of STEM Course“Bridge”

WANG Haiming[1]REN Liping[2]

（[1] Shandong Zibo Linzi District Jixia Primary School， Zibo， Shandong 255400；

[2] School of Information Engineering， Shaanxi Xueqian Normal University， Xi’an， Shaanxi 710100）

Abstract： Integrating STEM education into science classroom should be based on the scientific concept of engineering field， closely related to the actual life of students， and carefully select the operable content. By fo？ cusing on the real problems in life， teachers create the situation of bridge construction in combination with the local situation， lead the task of bridge construction， guide the students to sort out the scientific and engineering problems that need to be solved to complete the task， train the students’ high-level thinking， and promote the overall improvement of the class’s bridge model construction technology.

Keywords： STEM course； bridge construction； education practice

《义务教育小学科学课程标准》指出，工程的关键是设计，工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动。在小学科学课堂中融入STEM教育，应当立足于工程领域的科学概念，密切联系学生的实际生活，精心选择具有可操作性的内容，在此基础上形成工程问题，基于此来开展STEM活动。

创设问题情境，引出任务

首先，情境应具有真实性，即学生在日常生活中所熟知或经历过的情境。其次，情境要能够激发学生浓厚的学习兴趣。最后，情境中提出的任务既要以学生已有的生活经验及前概念为基础，又要有一定的挑战性。学生明确具体任务之后，要以“设计师”的角色参与其中，这样他们才会主动动手动脑，通过合作交流来寻求解决问题的办法。

教师结合本地情况创设建造桥梁的情境：为解决交通拥堵问题，政府决定建造跨越河流的桥梁，减缓交通压力。现在需要制订这座桥的设计方案，搭建桥的模型。假如学生是一位桥梁工程师，该如何完成这个工程呢？教师通过聚焦生活中的真实问题，引出桥梁建造的任务，引导学生梳理完成任务须解决的科学和工程问题。通过讨论交流，学生在教师的帮助下梳理了两方面的问题：（1）科学问题：桥梁的类型有哪些？不同结构的桥承重能力有何不同？在其他条件相同的情况下，哪一种结构的桥承重能力更强一些？（2）工程问题：如何让桥适应河流的宽度？桥的高度为多少才能适应交通工具通行？受条件限制，我们能选择哪些材料来建造桥梁？如何检验桥的承重力？怎么进行材料预算等。

整合学科资源，设计方案

STEM课程在实施过程中要以任务为目标，以需求为导向，提前学习背景知识，并通过整合学科资源，寻找各学科知识之间的契合点，考虑各方面的因素，寻找最优化的方案。

首先，学习桥梁相关的背景知识。让学生了解桥的类型，按照什么标准来进行分类，分为哪几类，了解桥的结构。学生通过课前搜集资料，知道了若按照桥的材质可以分为木质桥、石桥、砖桥、混凝土桥、钢筋混凝土桥；按用途可分为铁路桥、公路桥、管道桥等；按结构可分为梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥、高架桥等。

其次，整合各学科资源。比如学生必须了解桥梁所受压力和张力的有关科学规律，学会分析桥梁各个组件的受力情况，认識不同材料、不同结构的桥所能承受的张力和压力不同；学生需要掌握桥梁建造的相关技术，而根据教师提供的部分材料以小组为单位进行模拟演示；学生要能绘制桥梁建造的工程图，能制订桥梁工程的实施计划。教师可出示并讲解关于工程图纸绘制的图示符号，指导学生绘制桥梁建造设计图，引导他们制定桥梁调试与改进的标准和具体实施方案；学生还要熟悉桥梁建造中的数学应用，根据桥梁的宽度、高度、跨度计算须用材料的数量及费用等。

最后，选择最佳方案。教师引导学生联系实际任务和现实条件制订工程设计方案。各个关键环节，都要在方案中体现。如选用何种桥梁模型？如何绘制图纸？如何进行承重检测？如何调试、改进模型？如何评价反馈？参与建造人员的分工情况如何？

基于项目驱动，形成作品

在设计方案正式形成之后，学生需要在方案的指导下建立模型，并进一步测试优化，形成最终的作品。

对于“桥”的设计，教师提出了以下具体要求：实际桥的长度为200米，桥面宽40米，桥面水平。要求模型与实物比例为1∶200。模型要具有稳定性、牢固性，在模型的任何位置放10千克重物，桥梁不破损。

具体的操作过程包括：第一，头脑风暴。学生自主选择实验材料和桥的模型。第二，绘制设计图。先以小组为单位进行设计，绘制桥的设计图，然后各小组展示与讲解，教师提供指导，确定样图。第三，制作模型。学生按照设计图制作各种橋的模型，包括用纸牌、雪糕棒等各种材料制作的桥模型。第四，称重测试。通过不断增加承重力，测试桥梁的承重效果，并记录数据，分析原因。最后，分析性价比。从承重和耗材的角度来比较不同桥梁的性价比，选出最合适的作品。学生在一次次的产品调试中逐步完善作品，直至形成最优方案。

展示交流评价，完善作品

评价是STEM教育过程中必不可少的一个环节，应贯穿于整个教学过程。评价的目的在于提升学生的科学素养，评价的方式是多种多样的，既要有定量评价，又要有定性评价；既要对最终的作品进行评价，又要重视对学生在课堂中所表现出来的态度、参与程度等情况的过程性评价。

各组学生展示各自完成的桥梁模型（如右上图），接下来需要完成以下任务：（1）模型自测，即学生对初次设计制作的桥梁模型进行自测，检验模型。（2）改进提升，即根据各项标准对模型进行检测，并改进。如：发现有些小组制作的桥梁模型的木棍粘贴不牢固，桥体结构松散，必须找到原因，改进粘贴技术。（3）测试评价，即最终作品的展示与测评。测评主要从桥梁结构的科学性、稳定性、经济性、美观性、创新性等方面，从各项具体参数和要求对桥梁模型进行评价。如：根据每个项目得分，最后汇总成绩，进行工程等级评价。（4）交流评选。对每个小组进行访谈，和其他组交流感想和收获，征集大家的建议；根据作品的质量和之前学生提交的可行性方案，由全体学生评选本次活动的最佳设计方案。以上活动，通过评价他人作品，评选最佳设计方案，训练学生的高阶思维，促进该班级桥梁模型建造技术的整体提升。

总结

通过这样的STEM活动，学生动手动脑完成了桥梁模型的设计与制作任务，达成了以下教育目标：科学知识方面，认识各种不同类型的桥梁，了解它们的结构特点，知道材料不同、结构不同的物体承重力不同；科学探究方面，用不同的方法搭建桥，探究物体的承重能力；科学态度方面，在桥梁模型设计与制作的过程中，学生分工合作，形成团队合作意识，养成用所学科学知识解决现实问题的习惯；科学技术社会与环境方面，知道桥梁在生活中有着十分广泛的应用，对方便交通出行起着巨大作用，知道桥梁工程建设是祖国现代化建设的重要组成部分。可见，在实施STEM教育过程中，既可以促进学生对科学、技术、工程、数学等学科知识的学习，又能提高学生的动手操作能力和跨学科解决问题的能力，同时也培养了学生的创新能力。

（本文系山东省淄博市教育科学“十三五”规划2020年度课题“小学生科学认知能力提升与教学策略实施研究”及陕西省教育科学“十三五”规划2018年度课题“小学STEM主题课程的开发与实施研究”阶段性研究成果，课题编号分别为：2020ZJZ034、SGH18H252。）