课堂

合作完成“宇宙飞船着陆”，挑战中掌握力学工程知识

重力、减震、空气阻力……这些对小学生来说并不容易理解的物理概念，如何通过有趣的STEM课程，变得形象易懂？美国加州洛杉矶地区佩尔杜小学校长凯莉·布雷和艾提万达学区卡尔特·莱特福特小学校长罗桑·马尔伦联手为成都市泡桐树小学（天府校区）五年级学生带来了一堂科学课。

“宇宙飞船着陆”，摒弃对枯燥理论的讲解，课堂以这样一个主题展开，邀请学生以小组为单位完成挑战，在活动中认识相关力学知识。

“宇宙飞船着陆是一件很艰巨的任务。试想，飞行器的运行速度高达2.9万千米每小时，接近目标时，它的速度需要放缓，着陆要缓慢，如果飞行器上有宇航员，还要考虑他们的安全。”介绍了任务背景和难点后，两位美国老师公布挑战内容：由学生亲手设计减震器，让宇宙飞船安全着陆，并且保证宇航员的安全。

每个小组领到一袋材料，含纸杯、胶带、3个棉花球、多个气球、纱线、 A4硬纸、胶水等，塑料杯代表宇宙飞船，棉花球则代表宇航员。学生要利用材料设计改进宇宙飞船，保证在最后考核时，宇宙飞船从1.2米的高处落下，宇航员不从飞船中掉落。“但不允许通过密封‘宇航员’的方式来保证他不掉落。”布雷说。同时，所有材料都有标价，小组须注意材料使用，保证整体预算在规定数额内。

活动设计为30分钟，每组4名成员先进行头脑风暴，商量出设计方案，再使用15分钟左右的时间制作宇宙飞船，最后现场展示、测试。

进行头脑风暴前，两位老师带着学生们学习了设计过程中涉及的主要概念，包括力、重力、空气阻力、运动、减震器等。“当物体下落时，会遇到空气产生的力，与重力成反方向，下落速度减慢，这就是空气阻力。”马尔伦提醒道，小组可以通过设计减震装置的办法，制造空气阻力，减缓速度。

了解挑战内容和相关概念后，学生们摩拳擦掌，兴奋地展开头脑风暴。两位老师来回穿插于各小组之间，提醒学生做好分工，并不干预他们讨论的内容。

约20分钟后，小组相继完成设计，在老师邀请下，各派出一名学生展示“宇宙飞船”，接受考核测试。试验5次，若“宇航员”均未掉出纸杯，即算成功。如有掉出，可有一次机会回小组讨论改进，重新挑战。

每组设计各有特色，新意迭出，一小组将硬纸固定在纸杯底，杯壁上端固定着两根线，线的另一头共同连着一个大气球；另一小组同样把杯底粘在硬纸上，使用了4个小气球，分别放在硬纸的四角；还有小组直接在杯壁上挂了两个气球……

在第一轮考核测试中，没有一个小组能连续通过5次试验。两位老师鼓励小组思考问题出在哪里，有没有什么解决办法，点拨大家再讨论改进。

“可以把气球再吹大些，再添两根绳子固定。”“气球不立在纸上，而是平放在纸上会不会更好些？”……学生们再度陷入热烈讨论。随后的第二轮测试中，有几个小组顺利完成测试。

“空气阻力越大，‘飞船’下落速度越慢，‘宇航员’就会更安全。我们把4个气球放在纸的4个角，就是做了一个减震器，加了阻力。”一个小组在台上分享，“但是第一次设计气球是立着放的，受力面积不够大，所以，我们改进时，把气球平放并伸出纸面，增大了受力面积，果然成功了。”

随着各组逐个通过测试，两位老师对活动中涉及的主要概念再度进行了讲解。“通过这个课堂，我很快就理解了重力、空气阻力的概念，活动好有意思。”一名学生说。

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动手环节必不可少，鼓励多种方式解决现实难题

“STEM教育帮助学生了解现实生活中科学、技术、工程和数学学科是怎样融合在一起的。”艾提万达学区教研负责人乔安妮·詹金斯介绍说， STEM课程关注的是现实生活中的问题，以高效的团队合作为主，以工程设计过程为引导，让学生沉浸在实践调查和开放式探索中。更重要的是，它允许问题有多个正确答案，并认为从失败中改进是学习过程中必不可少的一环。

“宇宙飞船着陆”一课正体现了詹金斯所介绍的STEM课程特点。挑战内容新颖有趣，又与所学概念紧密结合，科目涉及科学、工程和数学。在测试过程中，学生需要尝试不同的方法改进着陆过程，反复测试并改进，正是工程设计过程。而制作飞船必须将整体预算控制在一定范围，则需要运用数学知识。学生在实践中直观形象地理解并应用涉及的力学概念，沉浸于探索中。

如何将 STEM教育融入到课程之中？

“STEM可以辅助并强化课程教学。”马尔伦说，老师可以在单元开始时上STEM课，用于激发学生对本单元知识的兴趣；也可在单元进行中上STEM课，用于检查学生对知识的理解；或是在单元结束时，用STEM课代替或辅助单元测验。

例如，“宇宙飞船着陆”这节课，可以出现在科学学科中关于重力、减震和空气阻力单元的最初或中间教学时，用于回顾先备知识或检查学生对主要概念的理解。

STEM课程怎么设计？

詹金斯介绍说，在宏观层面，必须设计动手环节，以及设计足够的或想象、或挑战、或创新、或创造的课程环节，“目的是让学生将所学快速转化，学以致用。”

而在微观设计上，老师需要注意的重点是所学知识如何应用于现实，并解决实际问题。“需是现实生活中的问题、难题，而这些问题、难题并没有唯一解决方式。”詹金斯说。同时，学生需要以合作的方式，通过对知识的调查与探究来测试、收集和分析数据，并交流分享他们的解决方案。“值得注意的是，必须要设计总结反思环节，如有必要，课程可以重复上。”

教师在 STEM课堂上应该扮演怎样的角色？

“指导、辅助。”布雷解释说，在STEM课堂上，老师应负责帮助学生，而不是在讲台上指挥学生学习。要给学生提供支持，让他们将所学知识与现实生活建立联系，探索解决实际问题的方法。在进行小组合作时，老师要指导他们运用合适的语言和人际交往技能，学会尊重不同的意见，并学会解决冲突。

来自美国的几位老师都提出，在STEM课堂上要多向学生提开放性问题，如“要解决某问题，你需要作哪些改变？”“你能假设另一种情况吗？”“你用到了哪些数据得出这个结论？”多给学生思考探索的空间。“如果学生失败了，老师可以提出他们需要考虑的新问题，并扩展他们对问题和解决方法的思考。”布雷说。