基于STEM理念的设计思维教学

教学背景

本课内容是陕西师范大学胡卫平教授编写的教材《创意科学》中的一篇课例。课件内容是建立在学生了解地球具有重力和重心，知道物体的重心越低越具有稳定性的基础上，让学生设计并制作一个不倒翁，来鞏固和加深所学的科学知识，并把这些科学知识与技术、工程融合，理解和解决实际生活的一些重心现象。

授课对象是三年级学生，他们对科学课具有强烈的兴趣，但缺乏科学思维，在探究活动中没有清晰的流程，更没有预先规划和设计的意识。因此，教师要重视引导，在充分了解学生前概念的基础上，让学生体验和感悟科学知识，在讨论和设计中掌握探究规律和工程技术的能力。

教学目标

1.了解重力的性质，知道重心的含义。2.学会寻找不同物体大致重心的方法。3.同学之间能够合作探究与交流。4.能利用提供的材料设计并制作一个不倒翁或一个平衡纸人偶。

教学重点与难点

教学重点 知道重力和重心的概念。

教学难点 寻找不同物体的重心。

教学准备

各种重心不同的物体、平衡物体、PPT。

教学过程

一、揭趣导入，了解重力的性质

师：老师这里有一个小球，我轻轻向上抛，它会怎么样？如果用力抛呢？为什么？

学生回答后，教师揭示地球引力（重力）的概念。

师：重力有方向吗？图1中地球仪上小人的重力方向是怎么样的？

学生回答后，教师揭示重力方向是指向地心的。

（意图解析：这一环节首先通过观察向上抛的小球向下掉的现象，向学生揭示地球的引力，也就是重力的概念，其次是通过地球是球形的，从而得出重力的方向是指向地心的。）

二、科学探究，明确重心的含义

师：（出示一支铅笔）这支铅笔受到重力吗？如果想用一根手指托住它，怎么操作？

学生小组讨论后，教师请一名学生回答并演示操作。（如图2）

师：为什么要托在中间？如果是一支已经削过的铅笔呢？（学生回答后演示操作如图3）为什么要移动？向哪边移？（学生回答）

师：（出示一个圆盘）我们用手指尖托住它，怎么操作？（学生回答后演示操作如图4）

师：（出示不规则的硬纸板小鸭子）用手指尖怎么托住小鸭子才能保持平衡呢？（学生回答后演示操作如图5）

师：我们通过寻找铅笔、硬纸板的支撑点，让它们在受重力的作用下保持平衡不掉落，大家知道这个支撑点叫什么吗？能给它起个名字吗？（提前预习的学生能快速回答出重心的概念）

师：老师要继续考考大家对重心这个概念的掌握程度，现在在铅笔的两端各挂上一个物体，再绑定一根提绳，怎样才能用绳平衡地提起铅笔，绳子应该绑在铅笔的哪个部位？为什么？（学生小组讨论后，推选小组代表回答）

教师出示一只平衡鸟（老鹰），使它停在手指尖上，再出示一个不倒翁进行推倒演示，让学生回答平衡鸟和不倒翁平衡的原理。

（意图解析：教师通过让学生找规则和不规则物体的平衡点，从而揭示这个平衡点就是克服重力的中心点，也就是重心的概念，然后出示平衡鸟和不倒翁，引出实际生活中利用重心的物体，探究重心越低物体越稳的原理。）

三、实践应用，制作探究

教师出示器材（两个可以合起来的半球），并提供橡皮泥作为增加重心的材料，让学生思考如何制作一个不倒翁。小组讨论后，推选小组代表汇报设计思路，最后小组一起参照课本中的实验步骤（如图6）合作完成不倒翁的制作。学生完成后，教师让学生课后思考是否能用其他材料制作一个不倒翁，装饰后送给学校一年级的小朋友。

教师出示器材：一个玩偶、一根小铁丝、两个铁圈、一些胶带，让学生挑战更有难度的设计和制作——让玩偶能始终站立在手指或铅笔上。小组再次讨论、汇报。最后合作完成制作，并进行成果展示。（如图7）

（意图解析：本环节布置了两项涉及工程学的内容，一项是用两个半球和橡皮泥等器材设计与制作一个不倒翁，这是对前面科学内容的巩固和内化，并通过学生的设计和制作达到科学与工程技术的初步融合；另一项则是理解并完成第一项任务后的再深入，是对学生把科学知识与工程技术融会贯通的考验，更是检验学生能否把科学知识应用到实际生活中。）

四、拓展延伸，课后作业

生活中，利用物体重心服务我们的例子其实有很多，教师用PPT展示一些日常接触到的例子（如图8），拓展学生的知识面。

最后，教师要求学生课后继续完成不倒翁的设计和制作，并且利用所学知识设计一款利用重心的玩具或工具。

（意图解析：科学知识从生活中来，再回到生活中去才是科学学习的本质。本环节通过解释生活中利用重心来实现目的的例子，从而让学生更加牢固地建立科学知识概念，再布置设计与制作一个利用重心的玩具或工具，学生会头脑风暴出更多利用重心的设计，并且通过他们的巧手实现。）

教学反思

这是一节以科学知识为出发点的小学科学与工程技术整合的课程。第一个环节，由自由落体引出学生的前概念——地球有引力，在此基础上，引导学生认识地球是球形的，引力的方向是指向地心的。第二个环节，学生在全面认识引力的基础上，克服引力作用保持规则和不规则物体的稳定，教师引出第二个科学知识点——重心，然后通过平衡鸟和不倒翁这两个物体，引导学生在找重心的时候明白重心越低物体越稳定的科学规律。第三个环节，学生设计和制作一个不倒翁和站立的玩偶，两个设计与制作有梯度，为学生的工程设计搭建台阶，同时又能将今天所学科学知识进行内化巩固和实践应用。整堂课环环相扣，把所学的科学知识和规律通过两个项目进行整合，使学生学以致用，实现科学从生活中来再回到生活中去。

专家点评

这堂课以科学知识为切入点，整合技术、工程等学科知识，展现了一堂典型的STEM课例。在教师的谆谆引导下，学生积极思维、认真制作、合理调整，在不知不觉中把科学知识和规律与工程技术融会贯通。课堂整体气氛活跃，教师教得轻松，学生学得兴致盎然。

如何把科学与工程技术整合？《义务教育课程方案和课程标准（2022年版）》中倡导跨学科学习方式，也就是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，它将科学、技术、工程、数学有机地融为一体，有利于学生创新能力的培养。如果能把项目和科学知识的传授结合起来，可能会起到更好的效果。

（点评专家：马利荣，博士，电子工业出版社少儿分社首席策划编辑，STEAM教育评价专家委员会秘书长）

勇辉 江苏省宜兴市湖滨实验学校副校长，正高级教师。长期从事小学科学教学工作，课堂立足学生的思维发展，尊重学生的探究能力，发展学生的核心素养。先后主持、重点参与多项省、市规划课题研究，有二十多篇论文发表于省级期刊。无锡市、宜兴市两级名师工作室主持人，东南大学、盐城师范学院“国培计划”校外专家。