STEM视域下工程类探究活动中结构性材料开发的策略

汪雅凤

摘要：

结构性材料在科学探究活动中占据了主导性的地位，特别在技术工程领域的项目学习中，材料决定了项目产品的效能。而目前的材料呈现现状，不管是材料的种类还是使用都存在一定的问题，影响探究的有效性。工程类探究活动中结构性材料的开发，应根据教材的特点和教学的需要，以融合、动态、实践、创新的思维进行开发和使用。本文结合苏教版五年级下册第2单元《形状与结构》教材特点，以STEM理念为指导，开发“限定性材料”和“可选择材料”。

关键词：STEM理念  结构性材料  开发策略

所谓结构性材料，是指科学实验中采用的材料的类别、组合、使用的时间和方式都经过精心设计逻辑性地呈现的科学探究材料的组合。兰本达认为：“材料对帮助孩子们观察世界，对发展孩子们关于方法的概念，对发展孩子们所发现的事实间互相关联的概念，都很重要。”科学课是一门实践性课程，探究活动是学生学习科学的重要方式。探究材料是探究活动的重要载体，引导整个探究活动的顺利开展。学生在与材料的互动中发展动手能力和思维能力，最终获得科学知识，形成科学概念，提升科学素养。因此，结构性材料在探究活动中占据主导性的地位。新课程标准倡导跨学科学习，将科学、技术、工程、数学有机地融为一体，即STEM，有利于学生创新能力的培养。STEM以工程设计为主导，用技术和工程学的方法开展项目学习活动，这与《形状与结构》的教学内涵不谋而合。技术的核心是发明，工程的核心是建造，而发明和建造的关键是设计。材料的提供和选择，很大程度上影响学生的创造性思维，影响整个项目的设计导向，最终决定产品的效能。由此可见，在大力推进将科学课程与STEM融合的趋势下，结构性材料的选择与开发尤为重要。

一、结构性材料的现状分析

尽管结构性材料的地位如此重要，在教学中也得到一定程度的重视，但目前的材料仍存在一些问题。首先是材料的准备：有结构的材料应该是精心挑选、符合学生年龄特点和认知规律的材料，能够促进学生发现问题和解决问题，获得对事物的正确认识并形成科学概念。大部分科学课教师在教学过程中还是习惯于采用学校实验室配备的教学仪器设备或第三方购买的固定套材，而这些材料可能存在不够科学、不够典型、不够齐全、不够贴近生活等问题，无法满足学生的探究需求。其次是材料的使用：丰富的材料呈现的时间与发放的次序应该符合教学的秩序和探究的层次，使学生在有限的时间和空间里能够有条理地开展探究活动，提高探究的有效性。这就需要师生在动手前要先对材料有充分的认识，对探究过程有清晰的设计。但传统的探究课往往由教师直接抛给学生所有材料，学生在不了解材料的情况下被动地接受探究任务，探究的自主性和主动性大打折扣。

二、结构性材料的开发策略

“形状与结构”是“技术与工程领域”的教学内容，主要围绕“圆柱体承重大”“三角形最稳固”“拱形承重大”等科学概念进行项目实践活动，包含折形状、搭支架、建桥梁、造房子等内容。在教学过程中，需要引导学生运用科学知识，围绕相关问题或者项目任务，借助数学知识和技术能力进行设计，对已有的物质材料加以系统性的开发、生产、加工、建造等，从而完成工程制作。这里的“已有的物质材料”在学校仪器室材料清单里是没有的，对师生来说具有挑战性，需要自己寻找合适的材料;同时也具有开放性和创造性，材料充满了各种未知的可能，探究活动也会更加有趣味性。结合本单元的教材特点，以STEM理念为指导，可以从以下几方面进行本单元结构性材料的开发。

（一）限定性的材料激发学生的工程设计能力

工程设计需要考虑可以利用的有限条件和制约因素，并不断改进和完善。对于问题任务式的教学模式，可以由教师提供限定性的一种或几种材料进行实验的设计和实施，激发学生的工程设计能力。教师必须经过周密设计和精心准备，选择典型材料并适时抛出。学生在这种结构性材料的启发下进行思考，讨论交流，进而设计活动方案，寻找解决问题的方法。以“建桥梁”为例，在“哪一种形状的桥承重力更大”这个问题产生之后，教师抛出结构性材料：长短卡纸各一张，四根木块，四条棉线，一个底座。同时抛出任务：利用这些材料，搭建并比较三种形状的桥的承重力。学生分小组根据教师限定的材料，讨论探究步骤并画设计图。最终学生制作出三种桥梁，并得出：拱橋承重力最大，吊桥第二，平板桥承重力最小。

搭建桥梁的材料可以有很多种，为了使对比实验更加严谨、探究过程更有效、探究结果更聚焦，在保证“桥墩材料、大小、距离一样，桥面的材料、大小一样”的前提下，教师选择“限定性材料”进行探究方案的设计。教师出示材料，引导学生观察材料，然后抛出任务：利用这些材料，搭建并比较三种形状的桥的承重力。在小组讨论交流中学生的思维并没有被限制，能够在限定的材料中寻找解决问题的有效方法，相互补充，完善设计方案。

（二）可选择的材料激发学生整体思维能力

STEM的学科融合要求学生在项目任务中能够以综合思维去考虑问题。在某一个项目任务中，教师提供各种可能使用的材料给学生选择，激发学生综合考虑的思维能力。学生在面对大量的材料时，需要根据每种材料的特点进行分析和判断，也可能需要运用数学知识对材料的数量进行测算、对材料的成本进行评估;同时要考虑设计的美观、产品的实用，最终进行有结构性的采用。以“搭支架”为例：

教师出示材料：A4纸、报纸、吸管、大头针、透明胶布、双面胶、小刀、剪刀。

师：我们需要搭建一个成本最低、承重力大且美观的花盆架，你想怎么搭？

生1：我想搭一个圆形的架子，刚好跟花盆的形状符合。

生2：我要搭三角形的，三角形最稳固。

师：这些材料给你选择，你打算怎么用？

生1：我打算把A4纸或者报纸卷成圆柱形，因为圆柱形承重力大。

生2：用大头针把吸管连接起来，变成三角形，因为三角形最稳固。

生3：需要考虑材料的数量吗？

师：当然。你问了一个核心问题。你们还需要核算成本，请小组讨论，画出设计图，并根据设计图完成材料预算表。

在整个制作过程中，学生经历了三次不同的设计：一是根据自己的前概念进行花盆架形状的设计;二是调查了各种材料的单价，测算了材料的总价，考虑降低成本后修改了设计;三是在成品的测试交流中，发现增加三角形的结构能增加花盆架的稳固性，因而又一次修改了设计，最终做出一个既稳固又节约成本的花盆架。每一次设计都进行了材料的选择，而每一次材料选择都是学生综合思维发展的体现。

可见，工程类探究活动中结构性材料的开发，应该根据教材的特点和教学的需要，以融合、动态、实践、创新的思维进行开发和使用。在STEM理念指导下，可以“限定性材料”“可选择材料”引导学生进行探究，从而提升学生的综合思维能力。

参考文献：

[1]林兆星.小学科学实验材料准备的现状与对策研究[J].教学仪器与实验，2012，28（9）：4447.

[2]何绍风.小学科学课实验材料的选用策略分析[J].课程教育研究，2018（5）：169.

[3]王小梅.整合+拓展：基于STEM理念的小学科学教学实践探索[J].基础教育参考，2018（15）：3740.

[4]庄志杰.基于STEM教育理念下小学科学教学的几点启示[J].科学大众·科学教育，2018（9）：56.

[5]沈香.浅议如何实现STEM教育与小学科学的融合[J].课堂经纬，2016（848）：69.

[6]郝万露、和继军.科学课中的结构性材料探析[J].教育与装备研究，2016.