“憤怒的小鳥”STEM課程案例

如果近期你去過附近的兒科醫(yī)生候診室，你可能會(huì)注意到一些變化。以前有許多小塊和無數(shù)的公共玩具的低技術(shù)游戲區(qū)，已經(jīng)轉(zhuǎn)變成一個(gè)數(shù)字游樂場——平板屏幕、高清電視運(yùn)行的卡通，以及最新的游戲系統(tǒng)都在等待著孩子們?nèi)L試。如果這些高科技設(shè)備無法吸引孩子們的注意，那么家長就會(huì)拿出他們的便攜式平板電腦。我們在這里不是描述這個(gè)環(huán)境，而是說明技術(shù)是如何豐富學(xué)生在課堂之外的體驗(yàn)。在教室內(nèi)也可以提供一個(gè)具有高度吸引力和有意義的環(huán)境，在這種環(huán)境下來教授科學(xué)。

“憤怒的小鳥”是一個(gè)非常流行的游戲，這款游戲可以安裝在大多數(shù)電子設(shè)備上。游戲中，玩家使用彈弓通過憤怒的鳥類擊打復(fù)雜的、可破壞的結(jié)構(gòu)上的豬。通過半天的課程，四年級學(xué)生在現(xiàn)實(shí)世界中設(shè)計(jì)、構(gòu)建游戲的真實(shí)場所，玩真實(shí)世界中的游戲，這可以為教育者提供融合工程設(shè)計(jì)和科學(xué)概念的一個(gè)途徑。

在這節(jié)課之前，學(xué)生應(yīng)該能夠區(qū)分動(dòng)能和勢能，以及先前課程中學(xué)過的摩擦力和重力。這一課，進(jìn)一步加深對這些主題的理解，并增加了能量轉(zhuǎn)移的內(nèi)容。兩個(gè)物體間的能量轉(zhuǎn)換與NGSS中4-PS3-2對應(yīng)：觀察并提供證據(jù)，說明能量可以通過聲音、光、熱、電流從一地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方。另外也和NGSS中4-PS3-3對應(yīng)：提出問題并預(yù)測物體碰撞時(shí)，發(fā)生的能量變化的結(jié)果。這節(jié)課也同樣涉及到學(xué)科核心概念中對能量和能量轉(zhuǎn)移的定義。學(xué)生通常難以區(qū)分能量形式和力量以及它們之間的相互作用。在游戲中，為了使學(xué)生建構(gòu)科學(xué)概念，教師應(yīng)當(dāng)將學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)與正式的科學(xué)課程學(xué)習(xí)結(jié)合在一起（課程內(nèi)容見表1）。

在虛擬和現(xiàn)實(shí)世界中的課程之旅，一定會(huì)被同學(xué)們在晚餐、公共汽車站或夏季關(guān)于學(xué)年最喜歡的時(shí)刻的對話中談起。將科學(xué)與學(xué)生的興趣相結(jié)合，這種課程可以激發(fā)學(xué)生課外對科學(xué)學(xué)習(xí)的熱情。

一、教學(xué)引入

一天，我打開手機(jī)上的“憤怒的小鳥”軟件準(zhǔn)備玩，這個(gè)游戲看似沒有任何的教育價(jià)值，但是卻使課堂上的每個(gè)孩子都十分興奮。這個(gè)游戲我玩得很差，小鳥總是無法擊中目標(biāo)，直到身邊的同學(xué)們都看不下去了，給我一些有用的建議，這些建議都是基于他們以前的一些物理和虛擬世界的知識。這是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，可以教給學(xué)生們一些科學(xué)詞匯，讓他們理解蘊(yùn)含在豬和鳥背后的科學(xué)知識。當(dāng)一個(gè)孩子告訴我在射擊前要瞄準(zhǔn)鳥，我使用軌跡、角度、力和彈射這些詞來理解他們的命令。孩子們對于我使用的這些詞，感到十分困惑，這便是向?qū)W生講授新知識的絕佳機(jī)會(huì)。

接著，我問孩子們一些問題：“玩這個(gè)游戲的樂趣是什么？”“為什么你喜歡這個(gè)游戲？”“在這個(gè)游戲中，你注意到有哪些科學(xué)知識？”在圖表“憤怒的小鳥的科學(xué)”里，我寫上了學(xué)生們對最后一個(gè)問題的回答。隨著課程的進(jìn)行，學(xué)生們會(huì)把學(xué)到的內(nèi)容添加到表格中（見圖1）。在簡單討論了這個(gè)表格后，我提出設(shè)計(jì)一個(gè)真實(shí)世界里的“憤怒的小鳥”游戲，孩子們需要發(fā)現(xiàn)游戲里面的科學(xué)知識。準(zhǔn)備好材料之后，我問：“大家想不想建一個(gè)真實(shí)的‘憤怒的小鳥’游戲？”聽到這個(gè)問題后，孩子們都十分激動(dòng)。

二、材料性質(zhì)和相互作用

學(xué)生將會(huì)有機(jī)會(huì)探討與物質(zhì)的性質(zhì)和勢能相關(guān)的物品，為了鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新，我用一種競爭方式呈現(xiàn)問題，給每個(gè)小組一定的時(shí)間來闡述他們的最初想法，并鼓勵(lì)他們大膽提出新的想法。我給每個(gè)學(xué)生一張數(shù)據(jù)表，讓他們記錄下發(fā)現(xiàn)。學(xué)生在探索材料的性質(zhì)時(shí)，讓他們在教室里自由活動(dòng)，并記錄下小組成員相互交流的一些問題。例如，一位成員促使他們小組更有創(chuàng)造力：“拉伸橡皮筋，有沒有什么方法把這個(gè)勢能很好地轉(zhuǎn)移到其他物體？記住，我們需要有創(chuàng)造力的方法。”一個(gè)好問題讓一組學(xué)生進(jìn)入了一個(gè)新的探究領(lǐng)域：“我在想我們是否可以用氣球、工藝木棍得到能量？”這些方法都可以當(dāng)作下一節(jié)能量轉(zhuǎn)換課程的過渡。隨著學(xué)生們向全班展示他們的發(fā)現(xiàn)，最具創(chuàng)造力的學(xué)生將會(huì)贏得挑戰(zhàn)。學(xué)生們從安全距離驚訝地注視著工藝木棍在空中旋轉(zhuǎn)跳躍，另一小組的同學(xué)還提出了由自己的掃尾玩具制成的橡皮筋扭緊連接兩個(gè)工藝棒。

三、以學(xué)生為主導(dǎo)的討論

各個(gè)小組給出了一些物體獲得能量的方法，許多想法還需要進(jìn)一步討論。重要的是，這時(shí)候的討論一定要以學(xué)生主導(dǎo)，老師只是在必要時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)。這樣，就給了學(xué)生一個(gè)機(jī)會(huì)去質(zhì)疑、爭論及提供證據(jù)，讓他們經(jīng)歷類似科學(xué)家們的討論過程。他們這個(gè)年紀(jì)是能夠描述物體性質(zhì)的，但經(jīng)常使用一些不科學(xué)的詞匯。當(dāng)描述物體性質(zhì)以挑戰(zhàn)方式呈現(xiàn)時(shí)，學(xué)生便會(huì)嘗試使用準(zhǔn)確的科學(xué)詞匯，如圓柱形、展開、收縮、引力和彈性，來贏得挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)記錄下所觀察的橡皮筋的性質(zhì)時(shí)，一個(gè)小組成員擦去“彈性”，寫成“膨脹和收縮（彈性）”。這種討論形式給學(xué)生提供了一個(gè)合作學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，教師的干預(yù)僅僅只是在需要的時(shí)候出現(xiàn)。特別需要教師關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域是能量從勢能到動(dòng)能，因?yàn)閷@些科學(xué)概念之間關(guān)系的理解對學(xué)生來說是十分困難的。在展示結(jié)束時(shí)，讓學(xué)生們將他們項(xiàng)目中涉及的能量追溯到其最初來源，這個(gè)做法是很明智的，會(huì)給學(xué)生帶來一些驚奇，追蹤能量的轉(zhuǎn)化從橡皮筋轉(zhuǎn)移到昨晚他們吃的漢堡，再通過其他幾個(gè)項(xiàng)目，最終追溯到太陽。一旦學(xué)生理解了能量可以轉(zhuǎn)移，那么他們將開始注意到其他形式能量轉(zhuǎn)移的問題。

討論和交流為以后的游戲設(shè)計(jì)提供了很多思路，可以幫助學(xué)生設(shè)計(jì)真實(shí)的“憤怒的小鳥”游戲。老師可以向?qū)W生展示不同型號的彈射器，以及如何將物體發(fā)射到空中。在這個(gè)活動(dòng)中，彈射器需要學(xué)生制造，彈射器里面的彈弓和其他裝置有它們的工作原理，這些原理也需要學(xué)生明白。在討論中，學(xué)生們要使用他們學(xué)到的詞匯來描述彈射器，教師鼓勵(lì)每個(gè)小組對不同的彈射器設(shè)計(jì)進(jìn)行繪畫及做記錄，學(xué)生自己觀察到的東西有利于幫助他們設(shè)計(jì)自己的彈射器結(jié)構(gòu)和裝置。學(xué)生們看著網(wǎng)絡(luò)里的彈射器都十分激動(dòng)，并想象他們自己設(shè)計(jì)的樣子。

四、設(shè)計(jì)和制作“憤怒的小鳥”游戲模型

此次活動(dòng)最大的挑戰(zhàn)就是設(shè)計(jì)和制作一個(gè)游戲的模型。這個(gè)挑戰(zhàn)直接與NGSS中的4-PS3-4的要求相對應(yīng)：學(xué)生應(yīng)用科學(xué)知識去設(shè)計(jì)、測試和完善裝置，使之能夠?qū)⒛芰繌囊粋€(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方。學(xué)生要親身參與工程設(shè)計(jì)，會(huì)定義工程技術(shù)問題的學(xué)科核心概念。此時(shí)，老師要解釋每個(gè)設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)指出要在每個(gè)表末尾標(biāo)記出要制作35厘米的正方形方框。很多學(xué)生一開始都激動(dòng)地去設(shè)計(jì)他們的彈射器，因而會(huì)忘記一些規(guī)定和要求，以及團(tuán)隊(duì)的其他想法。給學(xué)生留出一點(diǎn)時(shí)間考慮以及畫出他們的設(shè)計(jì)圖，這是十分重要的一步。我通常把時(shí)間設(shè)置為7分鐘。

在制作開始前，要求學(xué)生們記錄下他們在制作或測試期間關(guān)于科學(xué)或設(shè)計(jì)的任何發(fā)現(xiàn)。學(xué)生輪流制作放置豬的結(jié)構(gòu)或彈射器，確保手上有多余的材料，以防一些東西在第一次嘗試時(shí)就被損壞。要銘記于心的是，測試彈射器的時(shí)候要注意安全。我允許他們進(jìn)行四輪測試，每輪5分鐘，在測試期間，教室里的所有學(xué)生都要求戴上護(hù)目鏡，并且保持安全距離。在20分鐘的設(shè)計(jì)和制作后，學(xué)生們停止活動(dòng)，小組成員必須不再觸碰材料，而是一起討論交流什么部分會(huì)起什么作用，什么部分不能夠起作用。在這個(gè)過程中，學(xué)生要畫出新的草圖，隨后要交換工作。那些設(shè)計(jì)彈射器的學(xué)生現(xiàn)在將設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，反之亦然。20分鐘后，設(shè)計(jì)和制作團(tuán)隊(duì)重新討論最佳設(shè)計(jì)，以完成他們最佳設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和彈射器的改造工作。如圖2所示，這個(gè)小組改變了橡皮筋的數(shù)量和位置，將碗改成杯，將彈射器傾斜。學(xué)生添加的角度提高了精度，但杯子卻不如碗耐用，最后，這個(gè)小組選擇了兩者最好的結(jié)合，并且做得很好。

在制作的前期，我巡視教室，對學(xué)生的設(shè)計(jì)過程提出一些問題，讓他們回答，我一般會(huì)問如下問題：“是什么保護(hù)你的豬使之不被鳥打落？在你設(shè)計(jì)彈射器的過程中，你認(rèn)為材料的什么性質(zhì)是最重要的？什么力影響你彈丸的發(fā)射？在什么地方能量被轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移？”除了問這些問題以外，我還會(huì)用攝像機(jī)記錄下學(xué)生測試、制作和討論的過程，拍攝的視頻將會(huì)播放給家長們看。

五、游戲

現(xiàn)在是游戲時(shí)間。每個(gè)小組允許用他們的彈射器射擊5次，在射擊前，學(xué)生們測量他們豬的高度，確保一切都正常。在這段時(shí)間內(nèi)，學(xué)生在我的幫助下，用科學(xué)的方法描述發(fā)生的事情，整個(gè)過程十分熱鬧有趣。“那只鳥剛剛砸進(jìn)方框里，但那些豬卻沒有動(dòng)”變?yōu)椤皬椡璨荒苁谴蟮奈矬w，為了移動(dòng)更大的物體，應(yīng)該用更大的力、更大質(zhì)量的彈丸，或兩者都需要”。

隨著小鳥被發(fā)射，豬就會(huì)被打落在地上，我要求學(xué)生對這個(gè)過程用科學(xué)詞匯來解釋，每個(gè)團(tuán)隊(duì)的記分員統(tǒng)計(jì)被打落的豬的數(shù)量和顏色，然后將數(shù)量公布在計(jì)分板上，讓所有同學(xué)都能看到，每個(gè)豬都代表著一定的分?jǐn)?shù)。活動(dòng)結(jié)束后，學(xué)生們將分?jǐn)?shù)加起來，看哪組的分?jǐn)?shù)最高。我同時(shí)也會(huì)將他們的科學(xué)解釋的分?jǐn)?shù)、有效的團(tuán)隊(duì)合作的分?jǐn)?shù)，以及良好的運(yùn)動(dòng)精神的分?jǐn)?shù)加進(jìn)去。

六、評價(jià)

這節(jié)課有許多的非正式評價(jià)和學(xué)生的自我評價(jià)。我讓學(xué)生畫一張他們創(chuàng)建的項(xiàng)目的圖表，在上面標(biāo)記一些重要的科學(xué)觀察或過程（見圖3）。為了弄清學(xué)生的需要，我為他們提供了一個(gè)字庫，這個(gè)字庫里的字都是學(xué)生難以記憶或拼寫有難度的，學(xué)生活動(dòng)期間會(huì)使用到其中的一些詞匯。最后，讓學(xué)生寫下他們在這個(gè)活動(dòng)中的收獲，描述這些收獲是如何與科學(xué)和工程相聯(lián)系的。例如，有的學(xué)生寫下“如果沒有力如重力和摩擦力，我們不能做任何事”，有的學(xué)生描述了各種不同的結(jié)構(gòu)草圖，以說明為什么其中一個(gè)是最好的設(shè)計(jì)。學(xué)生們的回答讓我對他們在游戲中學(xué)到了什么有更為清晰的了解，我把他們這些有意義的作品的照片打印出來，貼在走廊里。

七、網(wǎng)絡(luò)討論

在對“憤怒的小鳥”背后的科學(xué)原理有了一定的了解后，學(xué)生已做好回到數(shù)字世界的準(zhǔn)備，并應(yīng)用他們學(xué)到的東西。我編輯了在課程早些時(shí)候加載到教育社交媒體網(wǎng)站上的視頻，網(wǎng)站是對公眾開放的。我將社交媒體以一種安全的方式納入教育的氛圍中，大家可以看到每個(gè)學(xué)生的帖子，在我傳上視頻后，學(xué)生都在下面用科學(xué)詞匯來回復(fù)我。這樣做的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是讓學(xué)生在老師的監(jiān)督下，先在課堂上做出反應(yīng)，為科學(xué)討論奠定基礎(chǔ)。學(xué)生不僅在網(wǎng)絡(luò)上回復(fù)，他們還會(huì)向同學(xué)問問題，或糾正其他同學(xué)的回答，或贊揚(yáng)其他同學(xué)的回答。一位同學(xué)評論：“梅麗薩的彈射器發(fā)送的鳥要比格雷的高。”另一學(xué)生質(zhì)疑：“為什么你認(rèn)為梅麗薩的要高一點(diǎn)呢？”接下來有關(guān)力、質(zhì)量和角度的評論便接踵而來，我對學(xué)生們的評論給予了反饋，網(wǎng)絡(luò)上學(xué)生的評論持續(xù)了很多天。

充分利用學(xué)生的興趣和經(jīng)驗(yàn)是一種促進(jìn)他們科學(xué)學(xué)習(xí)的方法。在這個(gè)過程中，以學(xué)生為主導(dǎo)的討論從日常語言逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥晟频目茖W(xué)討論，學(xué)生對彈射器的設(shè)計(jì)從完全不能操作到準(zhǔn)確和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在這個(gè)變化中，興奮和開心的聲音洋溢在教室里。

（譯者：高夢波 首都師范大學(xué)教育學(xué)院；校對：劉忠學(xué) 人民教育出版社綜合理科室）