STEM視域下工程類探究活動中結構性材料開發的策略

汪雅鳳

摘要：

結構性材料在科學探究活動中占據了主導性的地位，特別在技術工程領域的項目學習中，材料決定了項目產品的效能。而目前的材料呈現現狀，不管是材料的種類還是使用都存在一定的問題，影響探究的有效性。工程類探究活動中結構性材料的開發，應根據教材的特點和教學的需要，以融合、動態、實踐、創新的思維進行開發和使用。本文結合蘇教版五年級下冊第2單元《形狀與結構》教材特點，以STEM理念為指導，開發“限定性材料”和“可選擇材料”。

關鍵詞：STEM理念? 結構性材料? 開發策略

所謂結構性材料，是指科學實驗中采用的材料的類別、組合、使用的時間和方式都經過精心設計邏輯性地呈現的科學探究材料的組合。蘭本達認為：“材料對幫助孩子們觀察世界，對發展孩子們關于方法的概念，對發展孩子們所發現的事實間互相關聯的概念，都很重要。”科學課是一門實踐性課程，探究活動是學生學習科學的重要方式。探究材料是探究活動的重要載體，引導整個探究活動的順利開展。學生在與材料的互動中發展動手能力和思維能力，最終獲得科學知識，形成科學概念，提升科學素養。因此，結構性材料在探究活動中占據主導性的地位。新課程標準倡導跨學科學習，將科學、技術、工程、數學有機地融為一體，即STEM，有利于學生創新能力的培養。STEM以工程設計為主導，用技術和工程學的方法開展項目學習活動，這與《形狀與結構》的教學內涵不謀而合。技術的核心是發明，工程的核心是建造，而發明和建造的關鍵是設計。材料的提供和選擇，很大程度上影響學生的創造性思維，影響整個項目的設計導向，最終決定產品的效能。由此可見，在大力推進將科學課程與STEM融合的趨勢下，結構性材料的選擇與開發尤為重要。

一、結構性材料的現狀分析

盡管結構性材料的地位如此重要，在教學中也得到一定程度的重視，但目前的材料仍存在一些問題。首先是材料的準備：有結構的材料應該是精心挑選、符合學生年齡特點和認知規律的材料，能夠促進學生發現問題和解決問題，獲得對事物的正確認識并形成科學概念。大部分科學課教師在教學過程中還是習慣于采用學校實驗室配備的教學儀器設備或第三方購買的固定套材，而這些材料可能存在不夠科學、不夠典型、不夠齊全、不夠貼近生活等問題，無法滿足學生的探究需求。其次是材料的使用：豐富的材料呈現的時間與發放的次序應該符合教學的秩序和探究的層次，使學生在有限的時間和空間里能夠有條理地開展探究活動，提高探究的有效性。這就需要師生在動手前要先對材料有充分的認識，對探究過程有清晰的設計。但傳統的探究課往往由教師直接拋給學生所有材料，學生在不了解材料的情況下被動地接受探究任務，探究的自主性和主動性大打折扣。

二、結構性材料的開發策略

“形狀與結構”是“技術與工程領域”的教學內容，主要圍繞“圓柱體承重大”“三角形最穩固”“拱形承重大”等科學概念進行項目實踐活動，包含折形狀、搭支架、建橋梁、造房子等內容。在教學過程中，需要引導學生運用科學知識，圍繞相關問題或者項目任務，借助數學知識和技術能力進行設計，對已有的物質材料加以系統性的開發、生產、加工、建造等，從而完成工程制作。這里的“已有的物質材料”在學校儀器室材料清單里是沒有的，對師生來說具有挑戰性，需要自己尋找合適的材料;同時也具有開放性和創造性，材料充滿了各種未知的可能，探究活動也會更加有趣味性。結合本單元的教材特點，以STEM理念為指導，可以從以下幾方面進行本單元結構性材料的開發。

（一）限定性的材料激發學生的工程設計能力

工程設計需要考慮可以利用的有限條件和制約因素，并不斷改進和完善。對于問題任務式的教學模式，可以由教師提供限定性的一種或幾種材料進行實驗的設計和實施，激發學生的工程設計能力。教師必須經過周密設計和精心準備，選擇典型材料并適時拋出。學生在這種結構性材料的啟發下進行思考，討論交流，進而設計活動方案，尋找解決問題的方法。以“建橋梁”為例，在“哪一種形狀的橋承重力更大”這個問題產生之后，教師拋出結構性材料：長短卡紙各一張，四根木塊，四條棉線，一個底座。同時拋出任務：利用這些材料，搭建并比較三種形狀的橋的承重力。學生分小組根據教師限定的材料，討論探究步驟并畫設計圖。最終學生制作出三種橋梁，并得出：拱橋承重力最大，吊橋第二，平板橋承重力最小。

搭建橋梁的材料可以有很多種，為了使對比實驗更加嚴謹、探究過程更有效、探究結果更聚焦，在保證“橋墩材料、大小、距離一樣，橋面的材料、大小一樣”的前提下，教師選擇“限定性材料”進行探究方案的設計。教師出示材料，引導學生觀察材料，然后拋出任務：利用這些材料，搭建并比較三種形狀的橋的承重力。在小組討論交流中學生的思維并沒有被限制，能夠在限定的材料中尋找解決問題的有效方法，相互補充，完善設計方案。

（二）可選擇的材料激發學生整體思維能力

STEM的學科融合要求學生在項目任務中能夠以綜合思維去考慮問題。在某一個項目任務中，教師提供各種可能使用的材料給學生選擇，激發學生綜合考慮的思維能力。學生在面對大量的材料時，需要根據每種材料的特點進行分析和判斷，也可能需要運用數學知識對材料的數量進行測算、對材料的成本進行評估;同時要考慮設計的美觀、產品的實用，最終進行有結構性的采用。以“搭支架”為例：

教師出示材料：A4紙、報紙、吸管、大頭針、透明膠布、雙面膠、小刀、剪刀。

師：我們需要搭建一個成本最低、承重力大且美觀的花盆架，你想怎么搭？

生1：我想搭一個圓形的架子，剛好跟花盆的形狀符合。

生2：我要搭三角形的，三角形最穩固。

師：這些材料給你選擇，你打算怎么用？

生1：我打算把A4紙或者報紙卷成圓柱形，因為圓柱形承重力大。

生2：用大頭針把吸管連接起來，變成三角形，因為三角形最穩固。

生3：需要考慮材料的數量嗎？

師：當然。你問了一個核心問題。你們還需要核算成本，請小組討論，畫出設計圖，并根據設計圖完成材料預算表。

在整個制作過程中，學生經歷了三次不同的設計：一是根據自己的前概念進行花盆架形狀的設計;二是調查了各種材料的單價，測算了材料的總價，考慮降低成本后修改了設計;三是在成品的測試交流中，發現增加三角形的結構能增加花盆架的穩固性，因而又一次修改了設計，最終做出一個既穩固又節約成本的花盆架。每一次設計都進行了材料的選擇，而每一次材料選擇都是學生綜合思維發展的體現。

可見，工程類探究活動中結構性材料的開發，應該根據教材的特點和教學的需要，以融合、動態、實踐、創新的思維進行開發和使用。在STEM理念指導下，可以“限定性材料”“可選擇材料”引導學生進行探究，從而提升學生的綜合思維能力。

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