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STEAM专题┃让课程向工程奔跑,用这个活动开启STEM教育第一课

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编者的话

初始化工作室

当前,STEAM教育(科学Science,技术Technology,工程Engineering,艺术Arts,数学Mathematics五门学科英文首字母的缩写)正越来越受重视,可是什么是STEAM教育?为什么要实施STEAM教育?怎么做STEAM教育?如何做出自已的特色?在实施的过程中有哪些问题要注意?需要哪些软件、硬件支持STEAM教育?如何做好课程规划?这些都是中小学教师在实施过程中经常会问到的问题。初始化工作室在学习与实施STEAM教育过程中,从“科技学堂”公众号中精选一系列学者和老师的研究成果,集中推送出来给你来参考,同时也附上我的一些思考与实践,希望能得到你的鼓励与指导,共同进步!

课程向工程奔跑,用这个活动开启STEM教育第一课

科技学堂

STEM教育中科学、技术、工程和数学四个角色中,工程是课程的主导。怎样让学生在STEM教育中建立起工程思维,是科技教师工作的重点和难点。这里我们以工程思维的入门课“向工程奔跑”为例,认识怎样让工程思维怎样在小学四年级的学生中生根发芽。

一、课程背景

该课程案例选自《中国科技教育》杂志2016年第1期,面向对象是小学四年级的学生。在课程中,学生们将学会工程设计项目与科学教学单元相联系的自然方式。学生能够有更多动手活动,还能让学生自由开展探究活动。

二、课程特点

课程使用了5E教学法,将课程单元打碎成小部分,学生能够关注于一个概念或者一个技能,构建他们的知识体系。所谓5E教学法是指吸引(Engage)探索(Explore)表达(Elaborate)总结(Elploin)评价(Evaluate)

该课程围绕小学四年级课程“力与运动”设计。强调科学和工程的方法紧密相连,你可以在图书馆中拓展课程。教师设计简单的调查,测量质量和运动的关系,研究不同表面与摩擦力的关系。当物体表现为势能和动能的转化时,学生能够予以解释。

三、活动过程

第一周课程

课程为期四周,每周20分钟课程。在第一周,教师为学生设置一项简单而有挑战性的任务:设计一辆吹一口气就能运动的小车(风力小车)。

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完成该任务的工具非常简单:4个环形糖、2根吸管、2个曲别针、剪刀、胶带和一张纸。在这一阶段,学生得不到任何关于建造车辆的知识,仅仅被告知设计风力小车的任务。

教师需要引导学生思考有哪些东西是用空气进行驱动的,例如风筝、帆船、热气球等等。制作完成后,学生通过吹气测试自己的小车能跑多远。

学生在建造小车的时候,教师应指导他们观察到什么现象。测试的时候让学生注意小车是否在运动,如何运动以及运动的距离。测试完成后,学生需要分享观察小车的3个收获、提出2个关于小车或设计的问题,以及1个在下一周课程中改进的内容。

第二周课程

第二周的课程,教师向学生介绍工程师的概念,像学生解释工程师是做什么的。并且向学生介绍工程思维的一种方法:SCAMPER法。

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SCAMPER法是一项课堂中的认知策略,分别是以下内容的缩写。

S:Substitute,替代

C:Combine,结合

A:Adapt,改进

M:Modify,调整

P:Put to other use,用作其它用途

E:Eliminate,去除

R:Reverse or rearrange,逆转或重新排序

当我们想要学生对设计做出某些改进的时候,可以使用这个策略。SCAMPER法是最佳的认知策略和脚手架,它为学生提出了一系列的问题,让他们在检验自己设计时进行思考。我们让学生研究某一个现成的物品、产品或者服务,使用问题列表进行头脑风暴,找到能够改变的地方。选择研究的物体不一定从汽车开始,而是从日常生活中常见的物品(例如牙刷)开始,让学生用SCAMPER法思考牙刷能够做出哪些设计的改变。

第三、四周课程

这一周我们又重新用上了第一周设计的汽车,让学生用SCAMPER法重新设计车辆。我们可以看到,第一周学生设计的车辆千差万别,但他们都有一些共同的构型和独特的形状设计。

在这一过程中,我们会发现改变车辆上微小的设计,就会导致车辆的距离和速度上出现较大的变化甚至相反的结果。

我们看看几个学生设计的案例。

气垫船车辆:

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这个设计轮子加在吸管下方保持水平,而不适用于滚动,车上有帆,当轮子滑行时即可移动,这样的改进设计,比之前设计的行驶距离超过一倍。

吸管折纸花车辆:

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这个作品的设计者一开始对活动并没有太大兴趣,而是用纸做了一朵纸花。但同学提醒他纸花可以成为车的框架结构,在同学的鼓励下,他将纸花改成吸管纸花车辆,测试结果不仅跑的远,还跑得直。

折纸粉扑盒小车:

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一个学生制作了折纸的粉扑盒结构,相信向洞里吹气能够让盒子前进,但没有成功。在用SCAMPER法进行修整之后,发现骑车能够跑得更远并且沿着直线移动。

在这一周的课程中,我们可以应用“3-2-1策略”对教学进行评估。所谓“3-2-1策略”,就是前面所说的学习过程中学到的3个收获、2个关于设计改进的问题,和1个在实践期间感觉很好的做法。

“3-2-1策略”是一种简便的评估方法我们还可以做出正式评估:

让学生为小车的行驶距离设定目标,并用文件记录该目标的步骤和过程;

学生做出一定次数的测试,并记录数据,绘制图表,描述每次小车行走的距离;

书写详细地数据分析和汽车运行轨迹,能够给学生提供机会撰写分析报告,以作为跨学科课程的一部分;

用照片记录学习的过程,并建立展示文件,这样单元也集成了技术的内容。

四、课程总结

在评估的时候我们发现学生在设计车辆的时候我们吸引了他们的注意力和兴趣,即使最不情愿的学生也能沉浸其中。

学生能够自由探究,唯一的限制是自己设定的。

学生们记笔记,回答问题、进行观察,并且热情地分享他们的定性数据。分享他们对于汽车设计的改进,以及这些改进所带来的结果,将是持久的话题。

学生能够根据自己的观察选择材料进行控制,成为自己的工程师,并进行自我指导。

还有很多学生回到家里,仍然做自己的设计,并把重新设计的空气动力装置带回学校进行实验运行。

分享自己如何请家长帮忙操作车辆以获得更好表现。

学生对于科学单元学到的词汇的理解和应用,并将概念转化到完成设计工作中的挑战。

学生在课堂中讨论SCAMPER法这个工具。

本文来源:“科技学堂”公众号

转自公众号:
初始化工作室

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