在制作模型活动中实施STEM教育

【摘 要】在制作模型活动中，学生综合各学科知识，利用简单的工具和材料，设计、制造属于他们的模型。在教学中，以制作模型为研究项目驱动STEM教育，以制作模型为基点不断改进工程设计，以制作模型为载体加强各学科融合，以制作模型为途径发展创新思维。

【关键词】STEM教育 制作模型 工程设计

《义务教育小学科学课程标准（2017年版）》在课程内容上除了原来的三大领域（物质科学、生命科学、地球与宇宙科学）外，增加了技术与工程领域。在学习方式上倡导跨学科学习，科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics），即STEM，是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式。它将科学、技术、工程、数学有机地融为一体，有利于学生创新能力的培养。如何在小学科学教学中开展以工程技术为主导的STEM教育，成为科学教育工作者关注的热点。小学科学课本中有大量的制作模型活动，制作模型既包含工程技术内容，也包含科学探究，又需要数学知识的支持，所以模型制作活动可以成为实施STEM教育的载体。如何在制作模型活动中实施STEM教育呢？

一、以制作模型为研究项目驱动STEM教育

以制作模型为研究项目，以项目研究驱动STEM教育，它不是让学生掌握孤立、抽象的学科知识，而是把知识还原于真实生活情境，利用合作和多种资源来构建学习环境，通过解决富有挑战性的项目——制作模型，让学生体验真实的生活，获得社会性成长。

苏教版小学科学四年级上册《吸热与散热》，有一项拓展性探究活动：设计一个保温杯，比一比哪个小组设计的保温杯效果最好。它可以转化为一个STEM教育项目，即运用已掌握的热学知识及一些材料性能，利用简单的工具和材料，设计、制作一个保温结构。“怎样让结构更加隔热保温”是驱动整个学习进程的动力，也是项目研究的核心和最终目标。如这一项目在学习任务的引入时，以一个虚拟场景引入主题：某边远山区小学四年级学生给我们班同学写了一封信，信中谈到她每天早晨去上学时带一杯水去学校，但到学校时，水已结冰，不能喝，附近又没有商场，没办法买到保温杯。她有泡沫板、铝箔、泡沫塑料、棉花、毛毡等材料，想自制一个保温杯，但又不知道怎么制作，你们能帮助她制作保温杯吗？以这种方式引入，为学生创设了解决问题的真实课堂情境，研究的项目是真实的，有现实意义的。学生也在项目研究中应用了本单元“热能、热的传递、物体吸热及散热性能”等结构化知识。

STEM教育强调学生对知识进行情境化的应用，研究的项目应该是真实的，是学生可以识别和理解的，并能产生社会效果的。学生从研究项目出发，对多种学科知识进行获取、加工、处理、转化、融合，通过综合应用已有知识完成模型制作。

二、以制作模型为基点不断改进工程设计

学生利用简单的工具和材料，设计、制作模型。在活动中，学生以制作模型为基点，通过确定模型制作任务，明确设计选项及其约束条件，制订计划，建造模型，进行测试，在不断地改进与完善工程设计中，制作出自己满意的模型。

苏教版五年级上册《建立模型》一课，笔者在网络上看到一个魔术水桶装置，据此自制一个魔术水桶模型，按工程设计的基本流程组织本课教学。

1.确定研究项目。教师往一个特制的水桶中倒入红色、黄色、蓝色等各色液体，流出来的却是清水。水桶里有什么奥秘？制作一个功能类似的水桶模型，以揭示该水桶的奥秘。

2.优选图示模型。学生用尽可能多的方式进行头脑风暴，寻求解决问题的方法。本课中学生有十几种不同的想法，可归为三类：一类是过滤，即魔术水桶里安装了过滤装置，有色液体被过滤成清水；另一类是漂白，即魔术水桶里有漂白粉，有色液体被漂白为清水；第三类为挤压，即魔术水桶里已装有清水，倒入的有色液体被装入另一装置，这一装置把清水挤压出来。有效的头脑风暴需要迅速地产生想法，但不去进行判断，所以笔者并不要求学生进行对错的判断，而是让学生设计图示模型来解释自己的想法，然后分享交流，优选图示模型。

3.制作实物模型。过滤材料有沙石、木炭、海绵、过滤纸、棉袜等；漂白材料有肥皂、洗衣粉、洗衣液等；挤压装置有塑料袋、气球、水杯等。学生选择自己所需材料，并进行成本核算，然后依据设计图制作出魔术水桶模型。

4.测试与改进模型。对制作的水桶模型进行测试，大多数小组倒进去的是有色液体，流出来的还是有色液体，但学生并不放弃，而是尝试用其他设计方案，不断尝试，最终制作出自己满意的模型。

制作模型是一个有点散乱而非线性的过程，也不是“一锤子买卖”，失败时有发生，对模型进行测试不是工程设计的终点，相反，在课程安排允许的情况下，学生通过测试那些造成失败的设计方案，可以获得更多的机会去改进与完善自己的工程设计。

三、以制作模型为载体融合各学科知识

在制作模型活动中，需要应用科学、技术、工程、数学等学科知识设计和制作模型，它不是简单地将科学、技术、工程、数学等学科知识组合起来，而是让科学、技术、工程、数学等学科知识通过制作模型这一活动形成连贯的、有组织的课程结构。就像一枝玫瑰花，科学、技术、工程、数学是玫瑰的花瓣，它们是交叉融合的，制作模型是支撑花瓣的花托与枝干（见下图）。

图1 制作模型中学科交叉融合模型

例如苏教版六上的《太阳系》一课，学生根据八大行星距太阳的平均距离画出轨道，再根据各行星体积数据，利用橡皮泥（或軟陶）按比例制作各行星实物模型；最后把各行星模型用竹签固定在画好轨道的泡沫板上，这样太阳系模型便制作完成。通过制作太阳系模型，加强了科学、技术、工程和数学等学科知识的融合。

S（科学）：了解太阳系的基本概况，认识太阳系中的八大行星的位置、大小关系及主要特点。

T（技术）：将太阳系模型设计方案转化成模型，这是技术问题。如何让制作方法既简单，又符合比例要求，学生想到用模具定量取料，以地球为1个单位，制作单位“1”的模具，再制作“100”“1000”的模具各一个，利用模具来定量取料。具体的制作方法如下表所示。

表1 制作太阳系模型各星体定量取料数据

[星体 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 体积倍数关系（以地球为1） 0.1 1 1 0.2 1400 800 65 60 制作

方法 1取0.1 1 1 1取0.2 1000+（1000取400） 1000取800 100取60+1×5 100取60 ]

如地球、金星分别用“1”模具各取1次；水星用“1”模具取一次后，再搓成圆柱形长条，取十分之一；最大的木星是地球的1400倍，用“1000”模具取两次，其中一次搓成圆柱形长条取十分之四（或“100”的模具取4次），再与另一次合在一起便成。其他行星也以此类推取料。

E（工程）：在这个项目中，学生的终极任务是制作太阳系模型。这是一个完整的工程设计和制作的过程。学生经历这一过程，理解工程学中，从提出需求、约束条件到明确问题、设计方案、优选方案、制作产品、产品测试和优化改进等系统性步骤。

M（数学）：在这个项目中，学生画轨道和制作模型都要按比例缩小，这里包含了比例尺、计算等数学知识的应用，整个过程需要成本核算，这里面也都需要数学知识与技能的支持。在此项目中，数学是作为工程实践数据处理和分析的工具，使得工程设计更加严谨、准确；工程实践也为数学的应用提供了实例，使得数学更加生动。

在STEM活动中科学、技术、工程、数学等学科知识的融合，绝不是知识点的堆叠，而是综合各学科的优势，使科学、技术、工程和数学互为补充和促进，这样的制作模型活动能有效地培养学生综合解决问题的能力，提升学生的科学素养。

四、以制作模型为途径发展创新思维

STEM活动无论是学习方式还是学习进程，都强调以创新思维为核心，学习路径是开放的。学生能够大胆地质疑，在真实情境中，从不同的角度提出问题。学生能采用多种方法，利用多种材料设计工程流程及模型的制作。在制作模型活动中，学生进行迭代式学习和摆弄式学习，它不同于有条理的规划，允许学生以玩耍、擺弄、探究、迭代的方式投入到模型制作活动中。如上面提到的《建立模型》一课，学生从过滤、漂白、挤压等不成熟想法出发，经历小组讨论、画草图等过程，提出了十多种个性化的设计方案，然后按方案进行选取材料、制作、调试。不成功继续摆弄、改进，即使制作成功了，学生还会尝试用其他方案进行摆弄，学生在这种不断重复、递进的探索、摆弄中，最终完成模型制作。这种围绕制作模型项目作出大胆的想象与推测，尝试多角度、多方式认识事物，尝试运用多种材料、多种思路、多样方法完成模型制作的学习方式，它能充分发挥学生的天分与潜能，学生能够进行自主学习和独立思考，学生批判性思维和创新思维能得到更好的发展。

在制作模型活动中，学生利用跨学科的学习方式，综合所学各方面的知识，利用简单的工具和材料，设计、制造属于他们的模型，这既满足了学生多样化的学习需求，又让学生体会到制作产品的成功和乐趣，养成通过工程实践解决实际问题的习惯。

参考文献：

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[2]叶兆宁，杨元魁.集成式STEM教育：破解综合能力培养难题[J].人民教育，2015（17）：62-66.

[3]朱丽娜，叶兆宁.STEM教育如何从理念走向实践[J].科学课，2016（1）：94-96.

[4]吴永发.以工程项目为载体优化制作模型活动[J].福建教育，2017（3）：60-61.

（福建省厦门市海沧延奎小学 361026）