上有工程味的科學課

談梅芬　曾寶俊

《小丑玩具跳起來》是一節自編工程實踐課，旨在將科學、技術與工程加以整合。一個完整的工程實踐活動一般包括明確問題、設計方案、制作實體模型、檢驗解決方案、評價并提交結果等。受限于一節課有限的教學時間，本課將側重于體現工程活動的核心——產品設計。筆者將整個教學流程分三個板塊引導學生展開研究：關注現象，聚焦問題;科學探究，選擇合適的彈跳材料;技術改進，設計更優的彈跳方式。在本課教學過程中，筆者從學生喜歡的彈跳游戲入手，用“設計一個讓小丑玩具跳起來的裝置”給予學生任務驅動，充分調動學生主動探求的內驅力，引發其對產品不斷改進，并將工程思維與技術能力的訓練貫穿在整個工程實踐中，以培養學生的學科素養。

教學過程

1.關注現象，聚焦問題

師：老師給大家帶來了一個魔盒。看！什么出來了？（教師演示把玩具從紙盒子里彈跳出來）

生：小丑，小丑跳出來了！

師：這是個小丑玩具，你覺得它是怎么跳出來的呢？

生：盒子里有機關，一摁機關的按鈕，小丑就跳了出來。

生：盒子里有彈簧，老師一按，小丑玩具就彈了出來。

師：大家主要是從“用什么材料使小丑玩具跳起來”“這個材料怎么幫助小丑玩具跳起來”兩個方面來思考的，如果能解決這兩個問題，我們也就能做出這么好玩的玩具了。今天我們的任務就是學習制作一個能跳起來的小丑玩具。

設計意圖：本環節教師先用一個小丑玩具從盒子里跳出來的游戲調動學生的好奇心，然后組織學生針對這一玩具進行觀察討論，聚焦彈跳材料與彈跳方式，最后布置本節課的學習任務。基于問題的聚焦與思考，這是開展工程實踐活動慣用的一個啟動方式。

2.科學探究，選擇合適的彈跳材料

師：能讓小丑玩具跳起來的材料有很多，老師這邊有四種材料，分別是彈簧、橡皮筋、木棍子，竹片，你認為哪一種更適合呢？

（教師發放材料，學生觀察。）

生：我認為是橡皮筋，它能拉長。

生：我選擇的是彈簧。

生：我選擇的是有韌勁的竹條。

師：你們選的這些材料有什么特點？

生：它們都有彈性。

師：它們的彈性是怎么表現出來的呢？誰來演示一下。

生：用力把彈簧往下壓，它能變短，手一松，彈簧就跳了起來。

生：把竹條的一端往下壓，竹條就變彎了，手一松，竹條能彈回來。

生：橡皮筋拉了后能變得很長，不拉它就恢復成原來的樣子。

師：大家觀察得真仔細，我們給這些材料施加外力，它們就會變形，不施加外力了，這些材料會恢復原來的形狀，科學上把物體的這種性質稱為“彈性”。當我們按壓或者拉動它們時，會感覺到這些材料也在給我們施加一種力，我們稱這種力為“彈力”。你們能利用這些彈性材料，用彈力的方法讓小丑玩具跳起來嗎？

（教師發放小丑玩具，學生開展活動體驗。）

師：你們是怎么讓小丑玩具跳起來了呢？

生：我把橡皮筋繞在兩根手指上，然后把小丑筆帽插在皮筋里，將橡皮筋一拉，小丑玩具就跳出去了。

生：我們小組把彈簧豎著放在桌面上，然后把小丑筆帽塞在彈簧的洞眼里，一壓彈簧，小丑玩具就飛出去了。

生：我們小組把小丑筆帽套在竹條的一端，然后把竹條往下壓，手一松，小丑玩具就跳出去了。

師：從操作簡單、效果明顯的角度判斷，你們認為這三種材料中，哪一種最合適做小丑玩具的彈跳材料？

生：我選擇竹條，因為竹條一壓一放很方便。

生：我也選擇竹條，它能讓小丑玩具飛得很遠。

師：行，那咱們今天就先選擇用竹條來制作小丑玩具的彈跳材料。

設計意圖：選擇合適的材料是工程實踐活動中非常重要的環節。本環節旨在引導學生聚焦物體的特性，通過試錯式的體驗，引導學生學會在一組雜亂的材料中選擇出適合制作小丑玩具的彈跳材料。

3.技術改進，設計更優的彈跳方式

師：剛才大家把小丑玩具套在竹條上進行彈跳，玩具往前飛了，這樣的玩具有問題嗎？從安全性考慮，小丑玩具往哪兒跳更合適？

生：往高處跳。

師：我們來思考一下，要使小丑玩具往上跳，也就是彈力的方向朝上，我們壓竹條的方向需要朝哪兒？用手比畫一下。

生：朝下。我來試試吧！

（學生上臺展示，實驗失敗。）

生：老師，小丑筆帽是套在竹條上的，如果手用力的方向向下，小丑筆帽就直接從竹條上滑出來了，我覺得不能把筆帽套在竹條上。

師：如果不把筆帽套在竹條上，我們該怎么做呢？

（學生開始思考。）

師：看來大家有些犯難了，這樣吧，老師拋磚引玉，這是我剛才讓小丑玩具跳起來的裝置，大家看看，能不能從中受到啟發（展臺彈跳裝置）。如果你使用這套裝置，這根竹條可以放在哪個位置，怎么用竹條的彈力讓小丑玩具跳起來？我這有裝置的圖片，請大家用簡圖的方式把自己的想法先畫下來。

（學生分組討論設計方案，并上臺展示。）

生：我們組想把竹條放在兩根竹簽中間的空隙里，用力壓竹條的一端，當竹條彈到小丑筆帽時，小丑筆帽就能跳起來了。

師：把竹條往下壓，彈力的方向朝哪兒？

生：彈力的方向朝上。

師：其他組有不同的方法嗎？

生：我們想把竹條靠在竹簽的一側，先壓彎竹條再松手，小丑筆帽就會被彈出去。

師：手用力的方向朝哪，彈力的方向朝哪？

生：手用力的方向朝下，彈力方向朝上。

生：我補充一下，要把竹條對準小丑筆帽的下端，這樣小丑玩具才能跳起來。

師：你們的這些方法能讓小丑玩具跳起來嗎？參照你們剛才的設計，加上小伙伴們給的建議，一起試試吧。請制作成功的同學給大家做個展示。

（學生展示。）

師：大家都能讓小丑玩具跳起來，你們的方法真不錯！看，講臺上擺了一個支架，它的高度是60厘米，現在我們要以這個高度為標尺，通過優化你們的彈跳技術，讓小丑玩具跳到這個高度甚至超過這個高度，你們能做到嗎？

（教師發放支架，學生優化設計方案。）

師：哪些小組挑戰成功了？請給大家做個展示，并介紹一下你們的成功經驗。

生：我們把竹條用力往下壓得很彎，這時竹條產生的彈力就會變大，小丑玩具也就彈得更高。

師：你們的意思是說，竹條的形變越大，它產生的彈力就越大，小丑玩具就彈得越高。

生：我們組一開始也是用他們的方法，但用力過猛把竹條給掰斷了，于是就用剩下的半截竹條。我們發現壓短竹條用的力要比先前壓長竹條的時候用的力要大，小丑玩具竟然跳得更高，我們想肯定是竹子產生的彈力變大了。

師：大家真會思考，能讓小丑玩具跳起來的方法遠不止這些，你們還有其他辦法嗎？課后請進一步改進。

設計意圖：本環節中教師以任務驅動的方式，引導學生利用彈性物質的特性，通過設計合理的彈跳方法，并不斷優化方案，讓學生體驗動手做的樂趣，由此提高他們的實踐能力、思維能力和解決問題的能力。

教學感悟

1.科學知識是工程設計的基石

工程技術整合的科學課，凸顯的是知識在真實問題情境中的具體運用，科學知識是整個工程實踐活動的基石。如本課中，學生所有的工程設計是建立在彈性與彈力的科學知識上。但工程實踐課又不等同于科學探究課，它具備情境性特征，注重在復雜的生活場景中將知識進行情境化應用。本課例中，學生通過多種方法選出讓小丑玩具跳起來的材料，進而總結出它們的共性——彈性，發現彈性物質變形會產生彈力。筆者通過活動幫助學生將潛意識中模糊的認識進行加工與提煉，最終形成彈性與彈力的科學概念。

2.工程設計是工程活動的核心

工程設計能夠給學生提供一個真實環境下問題分析與方案解決的場域，具備創新性與開放性的特點，更決定了設計在工程實踐中的核心地位。本課抓住“選擇合適的彈跳材料”和“怎樣讓小丑玩具跳高”兩個問題，引導學生進行方案的設計。解決第一個問題相對容易，學生嘗試讓彈性物質變形，利用彈力使小丑玩具跳起來，并從多種彈性物質中選擇出合適的彈跳材料。由于需要對彈力方向進行制約，進而過渡到對第二個問題“設計一個讓小丑跳高的方式”的解決，這也是本課的難點。三年級的學生處于形象思維為主的階段，缺少獨立設計一套彈跳裝置的知識技能，筆者給學生搭建思維的“腳手架”——插有竹簽的彈跳裝置，引導學生圍繞“竹條放哪兒？怎么彈？”來繪制圖紙，設計制作，并不斷優化方案，研制出能讓小丑玩具跳得更高的彈跳技術。

3.高階思維是工程素養的關鍵

在工程實踐課中，學生會面臨著各種問題，他們需要審視問題并提出解決的方案，運用分析性思維、批判性思維和創造性思維，這些都屬于高階思維，這既是工程設計的靈魂，也是教師培養學生技術與工程素養的關鍵。因此，教師在活動組織的過程中，需要有意識地培養他們的高階思維。如本案例中，筆者引導學生思考“怎樣讓小丑跳得更高”這一問題，他們會對彈跳裝置中形變的大小、竹條的長短、插放的位置等提出諸多解決思路。又如對方案的優選與選擇，這是在考量學生的分析判斷能力，讓學生進行成果展示與伙伴互評，綜合運用到多種思維。

點??? 評

小學工程實踐是以工程設計為核心，引導學生解決實際情境中具體問題的一種教學活動。《小丑玩具跳起來》是一節典型的工程實踐案例，它從學生喜聞樂見的玩具入手，通過對彈跳材料與彈跳技術的反復設計、決策分析、展示評價等教學環節，引導學生經歷了從確定問題到提出解決問題方案的一個較為完整的工程過程。

學生在生活中會遇到各種問題，需要合作完成一些任務，需要開動腦筋去規劃、設計和制作。他們會利用簡單的工具和材料，設計、制造屬于他們的“產品”，這就是學生的工程與技術的實踐活動，從這個意義上來說，每個學生都是天生的“工程師”。

本案例旨在通過組織學生對日常生活中的難題和自然事物的探究，讓他們積累經驗，增長知識、提升能力。在這個過程中，學生通過觀察、制作、實驗、推理和建模來獲取知識;依據工程學的程序和方法來探討、論證和發明，因而發展了實踐能力、思維能力和運用科學知識解決問題的能力。在教學中，教師抓住三年級學生的學習特點，用豐富而具體的操作，通過“動手做”來解決問題，使學生養成重視證據和邏輯的思維習慣，以及注重實際的行為習慣。

小學生參與制作、欣賞作品，可以體驗到“做”的成功和樂趣，這有利于他們科學興趣的激發、自信心的確立、自尊和獨立意識的發展。另一方面，工程實踐活動還可以引導學生養成關注周圍世界和實際生活的態度，使他們學會探究和解決生活中的簡單問題，感受、體驗科學技術的作用以及科技發展對人類生活的影響，學會使用和管理科學技術以適應現代化的社會生活。學生在工程思維與技術能力的習得中實現深度學習，建構自己的認知地圖，這是他們參與工程活動的價值所在。