科學與工程技術整合的教學實踐

《義務教育小學科學課程標準》關于技術與工程領域作了如下描述：“對科學加以巧妙運用以適應環境、改善生活而產生技術，技術的核心是發明；人類為實現自己的需要，對已有的物質材料和生活環境加以系統性的開發、生產、加工、建造等，這便是工程，工程的核心是建造。”遵循這個原則，我嘗試用科學與工程技術整合的教學方法設計了《吹氣球“神器”》這節課，用科學知識與規律來解決生活中的實際問題，設計并制作出讓學生滿意的新產品，從而培養他們的創新能力與實踐能力。

吹氣球“神器”就是利用廢棄的塑料瓶，通過解決向瓶內補充空氣的問題，并在瓶口設計制作一個單向閥，從而達到吹大氣球的目的。我將本課的教學流程設計成四個板塊：問題與聚焦—設計與制作—展示與評價—拓展與延伸。下面我就把這四個板塊的內容和大家分享一下。

問題與聚焦

工程挑戰通常是由學生的愿望、需要或問題引發的。所以一上課我就明確要求學生用塑料瓶吹氣球，學生首先想到的就是去掉瓶蓋并在瓶口套上氣球，擠壓瓶子吹氣球的辦法，為了驗證這樣能否吹大氣球，學生在小組內初次嘗試，并觀察到氣球吹不大。通過交流，學生明確氣球吹不大的原因：一是瓶內空氣有限，需要想辦法補充；二是吹進氣球里的空氣會回流，需要想辦法不讓吹進氣球里的空氣回流。從而明確了本節課要解決的問題是什么，也初步明確了面臨的限制和挑戰。

設計與制作

項目學習需要體現多種學習策略。圍繞“空氣不足”和“回流”兩個問題的探究與設計，按學生最近發展區的需求，通過“活動一：如何解決瓶內空氣不足的問題”和“活動二：如何實現自動控制空氣流動”來幫助學生建立“單向閥”的概念，體現支架式學習的策略。尤其是第二個問題的解決更是本課的難點，所以這一部分又細化為兩層設計：先請學生完善在瓶口設計“單向閥”的初始想法；再在此基礎上引導學生就材料選擇與粘接方式展開具體化設計。在問題的解決過程中，教師以建構主義的學習理論支持教學行為，不斷鼓勵學生通過小組合作，主動探究，反復嘗試與分析，得出最優的解決方案，獲得真正屬于學生自己智慧的“成果”。

活動一：解決瓶內空氣不足的問題。解決瓶子里空氣不足的問題相對來說比較簡單，教師直接把問題拋給學生，讓學生小組內討論一下，在設計單上畫出組內設計。學生的設計大同小異，都想到了在瓶身上開一個口子，只是口子的位置、大小、形狀不同。設計不難，但設計后帶來的問題很多：口子開多大合適？到底哪個位置是最優方案？等等。這時，教師要避免走入“探究”的老路，將“設計”一以貫之，讓學生在后續的設計中自己改進。在這個環節中，有一部分思考深入的學生還發現了一個問題：擠壓瓶身，瓶子里的空氣會從開口處往外跑，需要用手指堵住。

活動二：解決氣球內空氣回流的問題。相對于解決瓶內空氣不足的問題而言，解決氣球內空氣回流的問題就復雜多了。所有復雜的問題都沒有明顯的正確答案，而且一般會有許多有效的解決方法。對于這個復雜問題，我將它分解成一個個小問題，再對每個問題進行頭腦風暴，以尋求解決方案。在這個過程中，可以讓學生思考一些合理的解決方案，但大部分時間應在小組內進行集體頭腦風暴，進行集體設計，弱化競爭意識，強化合作意識。

師：我們解決了第一個難題，那怎樣讓氣球里的空氣不跑回瓶子里？你們有什么辦法？

生：用手指捏住氣球口。

師：一直捏著？

生：捏瓶子的時候，手松開，讓空氣通過，然后手捏住氣球口，不讓空氣跑回瓶子。

師：真會舉一反三！這樣就解決了空氣回流的難題！但這樣一手捏瓶子，一手捏氣球，操作起來可不容易。我們能不能想個辦法，把捏氣球的手解放出來？也就是說，我們需要在瓶口處想辦法，在瓶口設計一個裝置，讓它代替我們的手來控制空氣的流動。如果真有這樣一個裝置，你希望它能起到怎樣的作用？

生：這個裝置要有兩個作用，它能讓空氣進入氣球，進入后，它又能關上。

師：真像個小設計師！那這個裝置怎么設計呢？貌似很有挑戰性哦。下面，你們小組內好好討論一下，在設計單的瓶口處畫出你們組的設計，表達不清楚的時候也可以用文字作簡單的說明。

學生匯報的初步設計五花八門，他們想出了各自的辦法，教師要多加肯定和鼓勵，并在此基礎上概括出大家方案的共性。

師：我們班的同學個個都像小設計師，設計很有創意，設計一扇門或者一個蓋子，擠壓瓶子的時候，壓縮空氣把門或蓋子擠開，松手后，壓力消失，門或蓋子自動關上。想法不錯，但要把它做出來也不容易，你們打算用什么材料制作？

生：剪一塊大小差不多的圓形紙片蓋上（如圖1）。

師：你們覺得紙片可行嗎？

生：我覺得不行，因為紙片漏氣，不能蓋緊。

師：有道理，還有誰想說說自己的想法？

生：我覺得最好用塑料的，就像密封瓶瓶口那樣，有一圈塑料的皮筋。

師：真善于觀察，你的想法給我們提供了很好的思路，大家覺得呢？

生：可以試試。

師：好，我們手邊現在有沒有合適的材料，類似于皮筋那樣的材料？

生：氣球，氣球的皮很有彈性。

師：你們都認可嗎？

生：認可。

師：你們都認為氣球皮可以做門或蓋子把瓶口蓋上，那怎樣蓋，蓋多少呢？這就需要你們這些小設計師繼續出馬了，在設計單上細化你們的設計，使它能讓空氣進入氣球，同時又能把瓶口堵上。為了幫你們降低難度，老師把瓶口變小一些?？矗蠋熯@里有個秘密武器（如圖2），這是什么？

生：瓶蓋，打了孔的瓶蓋。

師：我們把這個瓶蓋蓋在瓶口，這樣瓶口就變小了，空氣只能通過這個小孔流動。這有什么好處？

生：這樣空氣回流的速度就慢了。

師：是的，還有一個好處，剛剛我們需要用氣球皮把整個瓶口堵上，現在呢？

生：只要堵瓶蓋上的小孔。

師：是呀，真是一舉兩得。

學生小組內在設計單上瓶口位置的方框內繼續細化設計。交流環節，采用集體評價的方法，繼續以整個班級為單位進行頭腦風暴，評價每個設計的優勢與缺陷，提出修改意見。

有了設計方案和圖紙，接下來的環節就是讓學生測試自己設計的解決方案，按設計圖紙制作產品。

固定橡皮膜的方法有很多，教師選擇幾樣常用的材料供學生挑選，但不能幫學生包辦，在這之前要讓學生發散思維，說說自己組的固定方法。

展示與評價

展示與評價是科學與工程技術整合課程中對學生能力培養非常重要的環節。本環節主要引導學生展示吹氣球裝置的效果，交流制作經驗，并從中受到啟發，學會客觀地評價自己的作品，發現作品中需要改進的地方，由此進行方案的完善與產品的改進。

拓展與延伸

在課堂接近尾聲時，讓學生體會自己制作的吹氣球裝置的神奇，并為這個裝置取個名字。制作“神器”最關鍵、最難的部分就是設計、制作瓶口的控制空氣單向流動的裝置，教師通過介紹生活中常見的具有相同裝置的物品，引出單向閥的概念，并鼓勵學生課后繼續改進自己的設計，為瓶身上的小孔也設計一個單向閥，使吹氣球“神器”不斷改進，臻于完美。

這個環節，要讓學生認識到工程設計過程具有反復性，它是一個散亂而非線性的過程，一節課結束，但工程設計并沒有結束。在課堂上對某個方案進行測試不應是設計的終點，課后，學生要盡可能地去優化自己的設計，使之趨于完美。

教學反思

《吹氣球“神器”》是科學與工程技術整合的自編教材，是響應江蘇省教育廳大力推行STEM教育的一次有益嘗試。本項目學習旨在將工程活動融入科學課程，引導學生體驗整合后項目學習的樂趣，這種基于設計的項目學習更為學生成為批判性的思考者和真實問題的解決者提供了良好的載體與發展的平臺。多次教學實踐發現，在一節課內完美做出成品的小組不多，但項目設計的魅力就在于此，學生像設計師、工程師那樣反復設計，越來越接近成功。最值得一提的是，整節課，學生是主體，整個設計過程，每個學生都是一個小設計師，幾人又組成一個設計團隊。設計過程尤其需要發揮集體合作精神，合作就離不開交流。課堂上給學生提供了廣泛的交流機會，讓每個學生都能分享自己的想法。在“問題與聚焦”環節，學生分享了自己對于情境、限制條件的理解；在“設計與制作”環節，學生分享了自己組的設計并且評價了其他組的設計；在“展示與評價”環節，學生分享了自己的測試結果、關系到改良設計方案的決策；在“拓展與延伸”環節，學生分享了自己組讓設計臻于完美的方案。

導師點評

本案例是劉君麗老師參加2017年江蘇省優質課評比的教學設計，獲得了江蘇省優質課評比一等獎。科學與工程技術整合是一種以學生參與活動、解決問題為基礎的體驗式學習，也是一種能夠激勵學生并支持其深度學習的教學方法。因此對于本課來說，教師引導學生聚焦“如何制作一個省力的吹氣球裝置”這一問題，通過頭腦風暴式的交流，形成多種合理的解決方案，繼而通過建模、測試、評估等手段，幫助學生對自己的吹氣球裝置進行改進與優化。也正由于問題是基于學生的認知水平，產品是學生思維、技能的綜合顯現，因此“設計”是整個活動的核心所在。教師運用支架式的教學策略逐層深入，引導學生對吹氣球裝置進行三次方案設計。同時教師也讓學生們意識到，對某個解決方案進行測試不應是設計的終點，還需不斷地改進自己的方案，使產品變得更加完美。當然，教師對學生的動手操作能力也需有清晰的定位，要對學生的項目模型有期待，但不能過高；不管外觀與性能的優劣，都需要對學生智慧的“成果”給予鼓勵與認可，激發其在科學實踐活動中持續并深入探究的熱情。

江蘇省宜興市官林實驗小學（214200）

江蘇省宜興市東坡小學

（214221）