基于STEM理念的設計思維教學

教學背景

本課內容是陜西師范大學胡衛平教授編寫的教材《創意科學》中的一篇課例。課件內容是建立在學生了解地球具有重力和重心，知道物體的重心越低越具有穩定性的基礎上，讓學生設計并制作一個不倒翁，來鞏固和加深所學的科學知識，并把這些科學知識與技術、工程融合，理解和解決實際生活的一些重心現象。

授課對象是三年級學生，他們對科學課具有強烈的興趣，但缺乏科學思維，在探究活動中沒有清晰的流程，更沒有預先規劃和設計的意識。因此，教師要重視引導，在充分了解學生前概念的基礎上，讓學生體驗和感悟科學知識，在討論和設計中掌握探究規律和工程技術的能力。

教學目標

1.了解重力的性質，知道重心的含義。2.學會尋找不同物體大致重心的方法。3.同學之間能夠合作探究與交流。4.能利用提供的材料設計并制作一個不倒翁或一個平衡紙人偶。

教學重點與難點

教學重點 知道重力和重心的概念。

教學難點 尋找不同物體的重心。

教學準備

各種重心不同的物體、平衡物體、PPT。

教學過程

一、揭趣導入，了解重力的性質

師：老師這里有一個小球，我輕輕向上拋，它會怎么樣？如果用力拋呢？為什么？

學生回答后，教師揭示地球引力（重力）的概念。

師：重力有方向嗎？圖1中地球儀上小人的重力方向是怎么樣的？

學生回答后，教師揭示重力方向是指向地心的。

（意圖解析：這一環節首先通過觀察向上拋的小球向下掉的現象，向學生揭示地球的引力，也就是重力的概念，其次是通過地球是球形的，從而得出重力的方向是指向地心的。）

二、科學探究，明確重心的含義

師：（出示一支鉛筆）這支鉛筆受到重力嗎？如果想用一根手指托住它，怎么操作？

學生小組討論后，教師請一名學生回答并演示操作。（如圖2）

師：為什么要托在中間？如果是一支已經削過的鉛筆呢？（學生回答后演示操作如圖3）為什么要移動？向哪邊移？（學生回答）

師：（出示一個圓盤）我們用手指尖托住它，怎么操作？（學生回答后演示操作如圖4）

師：（出示不規則的硬紙板小鴨子）用手指尖怎么托住小鴨子才能保持平衡呢？（學生回答后演示操作如圖5）

師：我們通過尋找鉛筆、硬紙板的支撐點，讓它們在受重力的作用下保持平衡不掉落，大家知道這個支撐點叫什么嗎？能給它起個名字嗎？（提前預習的學生能快速回答出重心的概念）

師：老師要繼續考考大家對重心這個概念的掌握程度，現在在鉛筆的兩端各掛上一個物體，再綁定一根提繩，怎樣才能用繩平衡地提起鉛筆，繩子應該綁在鉛筆的哪個部位？為什么？（學生小組討論后，推選小組代表回答）

教師出示一只平衡鳥（老鷹），使它停在手指尖上，再出示一個不倒翁進行推倒演示，讓學生回答平衡鳥和不倒翁平衡的原理。

（意圖解析：教師通過讓學生找規則和不規則物體的平衡點，從而揭示這個平衡點就是克服重力的中心點，也就是重心的概念，然后出示平衡鳥和不倒翁，引出實際生活中利用重心的物體，探究重心越低物體越穩的原理。）

三、實踐應用，制作探究

教師出示器材（兩個可以合起來的半球），并提供橡皮泥作為增加重心的材料，讓學生思考如何制作一個不倒翁。小組討論后，推選小組代表匯報設計思路，最后小組一起參照課本中的實驗步驟（如圖6）合作完成不倒翁的制作。學生完成后，教師讓學生課后思考是否能用其他材料制作一個不倒翁，裝飾后送給學校一年級的小朋友。

教師出示器材：一個玩偶、一根小鐵絲、兩個鐵圈、一些膠帶，讓學生挑戰更有難度的設計和制作——讓玩偶能始終站立在手指或鉛筆上。小組再次討論、匯報。最后合作完成制作，并進行成果展示。（如圖7）

（意圖解析：本環節布置了兩項涉及工程學的內容，一項是用兩個半球和橡皮泥等器材設計與制作一個不倒翁，這是對前面科學內容的鞏固和內化，并通過學生的設計和制作達到科學與工程技術的初步融合；另一項則是理解并完成第一項任務后的再深入，是對學生把科學知識與工程技術融會貫通的考驗，更是檢驗學生能否把科學知識應用到實際生活中。）

四、拓展延伸，課后作業

生活中，利用物體重心服務我們的例子其實有很多，教師用PPT展示一些日常接觸到的例子（如圖8），拓展學生的知識面。

最后，教師要求學生課后繼續完成不倒翁的設計和制作，并且利用所學知識設計一款利用重心的玩具或工具。

（意圖解析：科學知識從生活中來，再回到生活中去才是科學學習的本質。本環節通過解釋生活中利用重心來實現目的的例子，從而讓學生更加牢固地建立科學知識概念，再布置設計與制作一個利用重心的玩具或工具，學生會頭腦風暴出更多利用重心的設計，并且通過他們的巧手實現。）

教學反思

這是一節以科學知識為出發點的小學科學與工程技術整合的課程。第一個環節，由自由落體引出學生的前概念——地球有引力，在此基礎上，引導學生認識地球是球形的，引力的方向是指向地心的。第二個環節，學生在全面認識引力的基礎上，克服引力作用保持規則和不規則物體的穩定，教師引出第二個科學知識點——重心，然后通過平衡鳥和不倒翁這兩個物體，引導學生在找重心的時候明白重心越低物體越穩定的科學規律。第三個環節，學生設計和制作一個不倒翁和站立的玩偶，兩個設計與制作有梯度，為學生的工程設計搭建臺階，同時又能將今天所學科學知識進行內化鞏固和實踐應用。整堂課環環相扣，把所學的科學知識和規律通過兩個項目進行整合，使學生學以致用，實現科學從生活中來再回到生活中去。

專家點評

這堂課以科學知識為切入點，整合技術、工程等學科知識，展現了一堂典型的STEM課例。在教師的諄諄引導下，學生積極思維、認真制作、合理調整，在不知不覺中把科學知識和規律與工程技術融會貫通。課堂整體氣氛活躍，教師教得輕松，學生學得興致盎然。

如何把科學與工程技術整合？《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》中倡導跨學科學習方式，也就是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，它將科學、技術、工程、數學有機地融為一體，有利于學生創新能力的培養。如果能把項目和科學知識的傳授結合起來，可能會起到更好的效果。

（點評專家：馬利榮，博士，電子工業出版社少兒分社首席策劃編輯，STEAM教育評價專家委員會秘書長）

勇輝 江蘇省宜興市湖濱實驗學校副校長，正高級教師。長期從事小學科學教學工作，課堂立足學生的思維發展，尊重學生的探究能力，發展學生的核心素養。先后主持、重點參與多項省、市規劃課題研究，有二十多篇論文發表于省級期刊。無錫市、宜興市兩級名師工作室主持人，東南大學、鹽城師范學院“國培計劃”校外專家。