南希梦专栏 | STEM教案分享之屋顶的雪花

南希梦

教育技术博士,美国STEM教育研究院认证讲师,北德州大学外语系讲师。

清华附中校长王殿军曾提到过,STEM教育对于全面提高提高学生的心智,尤其是智力发展有着极大的价值。因为STEM将问题抛给学生研究,整合多学科知识,分析、解释问题,然后进行试验和迭代,找到解决问题的方案。

在这个过程中,教师的引导尤为重要,它既不是单科知识的讲解,也不是集中式的复习,STEM强调老师指导、引导学生完成从对一个问题的观察、关注,到弄懂背后的学科知识、思维方法、研究过程。老师不能取代学生动手,更不能自顾自演示。现在的STEM一定不缺教学内容,但是对于教师引导方法培养的认识不足。

最近观摩到一个极具创意,简单易操作的经典STEM课堂,整理成教案和大家分享。之前的文章我提到过,STEM实验知识引出思考和进行观察的途径,而不是STEM课堂的全部或者核心。在这篇教案中我们可以看到,实验过程非常简单,但是课前导入和学习评价问题占用了课堂绝大部分的时间,且课程设计符合国际教育技术协会的指导标准,有针对性地通过现象启发孩子思考,并培养工程思维能力。

【设计理论】

ISTE(国际教育技术协会) 指导标准:

使用工具和技术来达到和满足人们的需求;

运用工程设计思维识别问题、寻找和开发解决问题的方案,并学会与他们共享;

【STEM学科理论】

学科构成:地球,空间和工程力学

推荐年龄段:K-1-2 (幼儿园,小学1-2年级)

推荐课时:45分钟

所需材料:三个鞋盒,或者其他长方体盒子,三张卡纸,报纸若干,面粉筛一个,生面粉一袋

【导言】当你到各个不同的城市、乡村参观的时候,有没有发现各地的房屋的屋顶风格都不太一样?你有没有试想过,为什么这些屋顶的形状都不太一样?这些不同地区的不同气候对于屋顶的风格会产生什么样的影响呢?通过今天的活动,同学们可以观察到不同气候或情况下不同屋顶的优势和劣势。通过老师的演示,同学们将观察到雪花(面粉)落到不同形状的屋顶上后产生的负荷力,并回答问题。

【工程师的话】建筑师在设计房屋的时候不仅需要考虑屋顶的形状,也需要选择适合的材料来帮助建筑物保持它所需的温度,和提供稳定的结构。所以在建造房子以前,工程师们需要测试不同的材料和形状,来帮他们做出最后的决定。

【课前思考】

1. 你们家住的房子的屋顶是什么形状的?

2. 你所居住的城市的气候有什么特别的地方?下雪吗?

3. 你能想到气候影响屋顶形状的原因吗?

【课前引入】想象一下,现在你住在一个经常下雪的地方,雪花一片片飘落下来,堆积在屋顶上,如果屋顶不够坚固,雪的重量可能会把屋顶压塌陷。如果你是一个工程师,你想造一个什么样的屋顶,来防止积雪把屋顶压坏?为了防止雪花粘黏,你会用哪些材料来造屋顶?

【图片展示】给学生展示世界上不同地区,不同形状的屋顶

拱形屋顶图

图自Pinterest, 侵删

A字形屋顶图

图自网络,侵删

平屋顶图

图自网络,侵删

【科学研究方法引导】什么是模型?

在我们的生活中,有的时候我们要学习的这个物体太大(比如高楼,大桥),或者太小(我们的头发,树叶里的细胞),或者我们自己看不到(我们自己的眼睛),这时我们就需要动手做一个模型来模仿这个学习对象。在建造房子以前,工程师就会搭建模型来测试和研究这个物体的结构,或者测试不同的设计方案。对于工程师来说,“负荷力”就是给这个物体添加的推动或者拉动的力。比如下雪后,雪花的重量压在屋顶上的力,就是我们所说的负荷力。

课堂小思考:你还可以想到哪些负荷力的例子?

【活动准备】

1. 给学生发放《气候和屋顶》学习卡;

2. 用硬卡纸根据上文中的展示图片制作三个不同形状的屋顶;

3. 把鞋盒的一个侧面切开,方便学生观察雪花负荷力对屋顶形状的改变和影响,把硬卡纸做成的屋顶粘贴在鞋盒的侧切面上;

4. 在鞋盒下方铺上报纸,保证面粉能滑落到报纸上,以便于回收面粉。

【活动步骤】

1. 展示不同的屋顶照片,引导学生思考每种屋顶可能会对应哪种气候?对于这种气候,屋顶会不会被压坏?

2. 向同学们展示屋顶模型

3. 向同学们解释这里的面粉就代表雪花,请同学们预测哪种屋顶最适合冬季常常下雪的气候?

4. 用筛子慢慢将面粉筛到屋顶模型上,请同学们通过盒子的开口端观察屋顶的变化;

5. 当“雪”量不断增加时,请同学们记录屋顶的形状

6. 在几种不同的屋顶上重复筛面的过程

7. 请同学们比较他们的记录结果

【形成性学习效果评估问题】

哪种屋顶最容易被雪花压垮?为什么?

当面粉掉落到屋顶时,模型屋顶的形状是怎么变化的?

“雪花”会堆积还是会滑落?每个屋顶一样吗?

哪个屋顶下垂最多?屋顶下垂意味着什么?

哪个屋顶塌了?它是慢慢地塌,还是突然塌下来?

如果你住在在经常下雪的地方,哪种屋顶最好?

除了雪花的负荷力以外,还有哪些其他的负荷力?(刮风,下雨,地震,行人的重量)

【启发性思考】什么样的屋顶风格,形状和材料最适合哪些气候和天气条件?想一想,如果你住在沙漠/多风的地方/多雨的地方,你想要哪个屋顶?

这份教案出彩的点在于:

1. 坚实的理论指导。STEM课程的设计要参考ISTE或其他STEM课程体系的指导。这份教案中既包含了对工具和技术的运用,工程设计思维的融入,也融入了识别、寻找解决方案的过程,教给孩子多种STEM技能;

2. 导言源于生活,从生活现象出发,引导学生观察生活,引发思考;

3. 从工程师的角度提升学生对于观察这个问题的重要性,解释了为什么这个现象是值得关注的;

4. 建模思维的引入。实验的目的不只是实验,实验室对现实的微缩和再现,把“建立模型”这种思维方法和研究方法介绍给学生,以期在以后对其他的问题研究中也考虑建模的方法。

5. 学习性效果评估才是做实验的目的和意义。通过实验和观察回答实验问题,并推断出其他相关问题的答案,才真正做到了学以致用,融会贯通;

6. 启发性问题是把当前问题的答案作为解决方案,推广到其他现象和问题中的重要方法。能准确推演预示着学生对于当前问题的掌握是完整和准确的;

7. 最后一点,也是最重要的一点,在实验设计上,面粉和雪花对屋顶的物理作用相同,卡纸和屋顶的物理属性也有可比性,这个建模是真实场景的替换和再现,是物理知识的迁移,是真正的STEM实验和教育。

如何成为一位能设计出以上课程的STEM教师呢?我在专栏以后的文章里会分版块介绍STEM教师养成记,欢迎关注,留言讨论。

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