工程設計理念指導下《我們來造橋》的STEM教學

吳楊

〔摘? ? 要〕? 《我們來造橋》是以工程設計為主線，以STEM教育理念為核心，通過創設工程實踐的情境，制定項目合作任務，讓學生親歷任務—設計—測試—改進—評價—交流的過程，像工程師那樣去建造橋、評價橋。

〔關鍵詞〕? 小學科學；工程設計；實踐教學

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 01? ? 079-081

一、教案概述

我國是世界上造橋技術最先進的國家，自古就有“橋的國度”之稱。橋梁的設計與制作是一個典型的工程問題，而且學生五年級的科學學習中也有建橋梁的活動。

五年級小學科學下冊第二單元《結構與形狀》讓學生認識了形狀結構與承受力的關系。五年級的讓學生通過兩年的科學學習，對材料的了解、實驗的“公平原則”、合作分工能力得到了一定提高，能夠為造橋的工程項目提供一定的幫助。

通過造橋這個工程項目，能夠認識橋的基本組成，知道幾種不同類型的橋；能夠對橋梁的承受力進行研究，通過梯度探究，知道提高橋梁承受力的方法；運用科學知識完成橋梁設計，經歷橋梁搭建的過程，培養學生的合作創新意識和科學素養，體驗科學探究的樂趣；能夠將科學活動與工程設計聯系，了解工程師為了完成建橋任務需考慮地理條件、建造成本等實際問題。學生建模并展開測試，促進學生的思維不斷拓展，創新能力不斷提升。課堂設置有挑戰性的橋梁招標任務，可以激發學生的創新精神、工程思維和科學探索能力。

二、教案目標

第一，認識橋梁的主要結構和常見的橋梁類型。

第二，探究發現形狀、結構、承受力對橋梁的重要應用。

第三，通過與他人合作，搭建符合招標內容的橋梁，并完成設計制作。

第四，在投標評比環節，像工程師那樣評價橋，知道建橋不僅要考慮承重、穩固、抗風等條件，還需要兼顧美觀、與環境融合等。

三、教案實施過程

（一）運用STEM理念，搭建課程框架

在原教材教學內容基礎上，進一步探究提高橋承受力的各種方法；以STEM教育理念為核心，通過創設工程實踐的情境，制定項目合作任務，讓學生學著像工程師那樣去建造橋、評價橋。《我們來造橋》項目包括：橋梁招標、考察研究、橋梁投標、建造橋梁、橋梁驗收、評價交流六個環節。

（二）設計活動方案，確定教學流程

1.橋梁招標

視頻《艱辛的上學之路》導入任務：為這些孩子建一座合適的橋。

師：看完視頻你有什么感想？

生：這些山里的孩子上學之路太危險了，如果峽谷上有座橋就好了。

師：你能猜到這節課的任務是什么嗎？

生：造一座橋。

出示甲方橋梁招標書。

要參與投標，我們需要做哪些準備？

師：為這些孩子建一座合適的橋就是本節課我們要完成的任務。造一座什么樣的橋？怎么做呢？我們先來學習一下橋的有關知識。

設計意圖：用視頻《艱辛的上學之路》導入，學生看到視頻中山區的孩子乘坐溜索上學，十分危險，激起學生主動學習橋梁知識、為山區孩子建座橋的強烈情感。

2.考察研究

考察當地的橋梁類型，探討它們的結構、外形有什么特點，這些結構外形各有什么優缺點，為橋梁設計做準備。

學生初步認識四種橋。

學生交談：拱橋、平板橋、斜拉橋、懸索橋是四種常見的橋。雖然橋的種類不同，但是它們有著基本的組成部分——橋面、橋墩。

教師補充橋的基本組成部分除了橋面、橋墩，還有跨度，斜拉橋中還有橋塔和拉索。

設計意圖：初步認識橋的三種類型和橋的基本組成結構。

探究影響橋承受力的因素。

探究活動一：搭建三種橋，并比較它們的承受力。

教師通過希沃易課堂設備，發送“任務單”至各組學生平板。

師：現在大家對橋有了初步的認識。老師給每組發送了一張任務單，請打開它，小組成員一起看看接下來你們將要完成什么任務。看清楚，記住每一個要求。

師：清楚你們的任務了嗎？老師要檢查一下，我提問，知道的，就一齊答。

問題1：橋的跨度如何控制？

生：利用直尺。

問題2：承受力要測幾次？

生：測三次。

師：測出的數據還要算出什么？

生：平均值。

師：如果放10個夾子橋塌了，橋的承受力是多少？

生：9個。

師：每個小組做的橋不一樣，看清楚你們小組的任務，完成實驗、填好表格數據后，提交表格。

設計意圖：教師有意讓12個小組各搭建一種不同類型的橋，這樣的有意安排，可以讓學生發現，橋梁的承受力除了和橋的類型有關，跨度也是影響橋梁承受力的因素。

學生搭建橋，并測量橋梁的承受力。

提交、分析數據。

學生利用希沃平板提交數據，希沃易課堂軟件匯總數據，在屏幕呈現。

師：大家能從數據中得出什么結論呢？

生1：不同類型的橋，能承受的壓力是不一樣的。

生2：同類型的橋，跨度越小承受力越高。

師：斜拉橋的承受力為什么好？

生：拉索拉住了橋面，承擔了橋面一部分的壓力；利用拉索和橋塔分擔了橋面壓力……

師：平板橋和拱橋材料完全一樣，為什么把橋面做成拱形，就能提高承受力？

學生結合《折形狀》一課的知識嘗試解釋。

教師解釋：平板橋橋面沒有支撐，拱橋的形狀是薄殼結構可以均勻分散壓力；平板橋僅靠橋面承受壓力，拱橋的橋墩抵擋了來自橋面的壓力，也就是拱橋的拱形能把壓力分散到橋墩。

探究活動二：探究提高橋梁承受力的其他方法。

師：測橋承受力的實驗告訴我們，利用拉索、橋塔，利用拱形分散壓力可以提高橋的承受力。接下來，我們要試著找出提高橋承受力還能有哪些方法。要求：小組合作，在不改變你們小組橋的類型的情況下，對你們的橋進行修改，盡可能多地找出方法，成功后用你們的平板拍下改進后橋的照片并提交。你們的抽屜里有一個工具盒，如果有需要，可以用里面的材料。

學生小組合作，在不改變橋類型的條件下，尋找提高橋承受力的方法。

匯報各組的方法。

學生能夠發現疊加卡紙、減小跨度、增加橋墩、增加拉索數量、增加橋拱、彎折橋面等方法可以提高橋的承受力。

設計意圖：教師在讓學生探尋提高橋承受力的方法時，提了一個非常關鍵的要求：不能改變橋的類型。有這樣一個條件限制，學生就不會盲目、單一地給橋增加拉索，繼而從橋面材質、跨度、橋面結構等方面去尋找更多的辦法。希沃平板的拍照、上傳功能，可以讓學生直接看到其他小組的方法，比聽學生口頭描述更直觀。

3.橋梁投標

按照甲方橋梁招標通告的要求，結合地形（圖片出示建橋地點：懸崖），制定橋梁設計方案，根據設計，制作投標書。

師：真正的橋梁專家建橋前都會繪制設計圖，請大家討論、在平板上繪制設計圖，再按設計圖完成搭建。如果搭建過程中需要調整方案，也請先修改設計圖。本次搭建橋的種類不限，發揮出你們的創造力吧。

學生設計橋梁，完成橋梁投標書。

召開投標會，根據招標通告中的標準，對乙方各組提交的方案進行評審。

4.建造橋梁

學生按照每組自己的設計方案，在教師處領取材料建造橋。

試一試我們的橋梁的抗壓能力。

改進完善我們的橋梁作品。

設計意圖：這個環節，通過任務驅動，學生將像工程師那樣，畫設計圖紙、做出預算、搭建測試。這里結合新課標的工程設計理念，融合了STEM課程，讓學生在設計——搭建——測試——改進設計——再搭建——再測試中，體會工程設計是需要并且不斷改進的。

5.橋梁驗收

交流、評審各組的橋梁是否符合招標要求。

利用學校創客教室的材料，對每組的橋梁繼續進行抗風、抗震測試，改進提升小組橋梁設計。

設計意圖：前一階段，學生造橋的思考點多放在造型設計和承重測試上。在初步建成滿足招標條件的橋梁后，教師組織學生交流：現實中的橋除了考慮承重性，還有哪些自然條件會影響橋梁使用質量？學生經過小組研究、資料查閱，將橋梁的抗風、抗震性能加入到測試中，并利用創客教室的材料，自主設計抗風、抗震測試方案。該環節拓寬了學生思維角度，提升了學生的操作實踐能力。

6.評比交流

每組學生對自己的橋梁進行設計解說，展現特色。

評審小組對造橋成本、抗風能力、抗震能力、美觀程度等進行多維度評價。投票評選出最美設計獎、最環保獎、最穩固獎等。

師：從真正的橋梁工程師角度去思考，一座真正的橋，除了要有好的承受力，還需要考慮哪些方面？

學生經過激烈的討論，提出建橋需要對造橋成本、抗風能力、抗震能力、美觀程度等進行多維度考慮，自主制定了多維度評價標準。

設計意圖：在交流評價環節，把評價的權力交給學生，讓孩子們站在橋梁工程師角度去思考：一座真正的橋，不單要考慮承受力，還需要考慮施工難度、建造成本、美觀程度、實用性等。用真實的情境豐富學生的專業學識和內涵素養。

造橋環節，筆者拋出問題：為視頻中山區的孩子選擇一座橋。這讓從生活實際中來的問題又回到生活中去，也讓課堂結構更完整。學生考慮到需要在懸崖上建橋這一實際情況，選擇了斜拉橋。這與真實生活中橋梁工程師的選擇不謀而合，極大地鼓舞了學生對橋梁相關知識學習的自信。使用樂高積木，可以靈活地對橋墩、拉索的數量和位置、橋面組合等進行改變，學生可以隨時根據自己的設計改進和搭建，趣味更濃，有助于學生創造能力、創新精神的發揮。學生在充滿趣味、挑戰、創新的氛圍下，設計出豐富多彩、形式多樣的符合要求的橋。交流環節，學生通過思考這樣一些問題，更深刻地體會到建橋需要綜合考慮建造難度、地理條件等實際生活場景。

本案例設計思路呈現梯度探究：從認識橋，到認識提高橋承受力的方法，再到建造一座難度更高的橋。學生思維不斷深入，建橋知識也不斷豐富。整個教學過程強調真實的學習情境、強調學生的實踐活動、強調團隊合作、強調學習結果的開放及對創新的鼓勵。課堂上，學生能把自己當成小小工程師，積極制定項目合作任務，建造橋、評價橋。學生在完成建橋任務中不僅獲得了橋梁科學知識，還發展了工程設計思維和跨學科高階思維品質。

參考文獻

[1]陳梅香.STEM教育在小學科學中的應用[J].小學科學（教師版），2018（12）