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《傘面的坡角》同課異構探索

2020-12-28 02:31丁素平
湖北教育·科學課 2020年6期
關鍵詞:傘面面積課程標準

丁素平

《義務教育小學科學課程標準》(以下簡稱《課程標準》)指出,小學科學課程學習的方式是多種多樣的,探究式學習是學生學習科學的重要方式。自2001年課改以來,探究式的教學在日??茖W教學中得到了很好的重視和普及,并且《課程標準》對做科學探究的基本要素和基本流程都解釋得相當到位,因此,科學教師已經能比較好地把握探究的要素及過程。

《課程標準》增加了技術與工程領域,由于該領域的學習可以使學生有機會綜合所學的各方面知識,可以使他們體會“做”的成功和樂趣,并養成通過動手做解決問題的習慣,因此該領域的教學備受關注。但因為《課程標準》并沒有闡述“做技術”與“做工程”的基本要素和基本流程,使其成為一線科學教師教學的難點甚至痛點。近些年來,與上述教學改革并行的還有STEM課程開發及教學。STEM課程的研究雖然方興未艾,但還是缺乏統一而全面的闡釋,因而也成為一線科學教師的難點甚至是盲點。

本文試圖以自行開發的《傘面的坡角》一課為研究載體,基于科學探究課、技術探究課、STEM研究課設計不同教學案例,闡釋三種課型的理論原理。

科學探究課

科學探究是獲取科學知識的主要途徑??茖W探究特別強調要基于問題和聚焦問題,然后設計研究方案,通過觀察、實驗、調查、統計等手段獲取證據,經過比較、分類、類比、歸納、演繹等邏輯思維方法,進行推理判斷,最后得出結論?!墩n程標準》中提出的要求是:學生能運用科學探究方法解決比較簡單的日常生活問題。

依據上述理論,如果將《傘面的坡角》設計成科學探究課,那么教學主體流程為:提出并聚焦問題—分析并制訂探究方案—實驗探究—綜合分析、得出結論。

1.提出并聚焦問題

導入:觀察各種成品雨傘,有什么發現?學生發現其傘面坡角一般都是15度左右,于是引出問題:為什么傘面坡角一般選擇15度?這樣的選擇有什么科學道理?

2.分析并制訂探究方案

觀察分析雨傘,發現主要是從遮雨面積和傘面排水速度兩方面決定傘面坡角。遮雨面積越大越好,要求坡角越小越好;傘面排水速度越快越好,要求坡角越大越好,如何取舍?為什么大家不約而同地選擇了坡角為15度左右?

怎樣測算不同坡角傘面的遮雨面積和排水速度?教師引導學生制訂實驗方案:用相同規格的傘,測量不同坡角時傘面遮雨半徑,計算遮雨面積;排水速度則將同一把傘撐到對應坡角,測量一滴管水從傘頂流出傘邊所用時間。

3.實驗探究

全班分組用相同的傘,分別研究小坡角、中坡角、大坡角傘面的遮雨面積和排水速度(傘面研究記錄見右表)。

4.綜合分析、得出結論

綜合比較各組數據,得出結論,選用中坡角遮雨面積可以比較充分利用傘面(遮雨面積減小不明顯),并且排水速度合適。(小坡角雖然遮雨面積夠大,但排水慢;大坡角則排水快而遮雨面積太小,且這么快的排水速度也不必要。)

技術探究課

相傳,魯班的妻子云氏從她丈夫所建亭子的樣式得到啟示,經不斷嘗試和改進,制成了一個重量輕的“竹亭子”——這就是古老的獸皮傘、油紙傘,它滿足了人們隨身攜帶和方便使用的需求。從傘的發明過程來看,它是屬于在需求刺激下發明的經驗型技術產品。

我們知道,技術總是從一定的具體目的出發,針對具體的問題,形成解決的方法,從而滿足人們某方面的具體需求。為了解決需求的技術,一般可以分為兩種途徑:經驗型技術和原理應用型技術。

例如,中國古代發明的赤道式日晷就是一種典型的經驗型技術(參見湘版四年級上冊“日晷的故事”)——古人是沒有地球是一個球體的認識的,更沒有赤道這樣的概念——古人并不知道日晷背后的真正原理。又如,學生在學完了磁鐵的磁極以及磁極指南北的性質后,參考古人的“磁針四法”,再自制指南針,就是一種典型的原理應用型技術;在學完了電路的基本知識后,再設計安裝“房屋”電路,也是原理應用型技術。

經驗型技術,是通過實踐中的嘗試、摸索,實現某種功能,滿足某種需求,它以經驗為特征。經驗是促進技術發展的重要因素,在技術發展歷史的早期,它甚至是導致技術發展的唯一因素。

我們看到,不論科學還是技術,都存在知其然不知其所以然的、以經驗為特征的技術。在小學科學課程中也存在很多這樣的技術,尤其是一些復雜原理技術和高科技技術,這對人類來說是科學指導下的技術,屬于應用的技術,只要求兒童體驗、認識和理解。經驗型技術既不以科學認識為目的,也沒有清晰的科學原理的指導(沒有不包含科學原理的技術),主要依據經驗進行或獲得經驗體驗。

在這些經驗型技術中,往往存在許多的科學問題有待提出和探索,而更加可貴的是善于發現問題、提出問題,并加以思考。例如,傘面的坡角需要綜合考慮遮雨面積和排水速度兩個問題,這在以前的科學探究課和技術探究課上都是少見的。學生差不多是第一次遇上多因素的綜合考慮取舍問題——在他們以后的學習和人生中,這樣需要優化、綜合分析的問題絕不會少!

《油紙傘》是一個我們結合當地特色開發的校本課程,其中含有很多技術工程方面的教育內容。我們認為技術課的大致流程應該是:確定需求—做出設計—調試安裝—評估改進?!秱忝娴钠陆恰肥沁@個大的課程中的一個子課題,重點在于用經驗型技術的方法,不斷地嘗試、評估、改進,最終獲得一個比較合適的傘面坡角。

依據上述理論,如果將《傘面的坡角》設計成技術探究課,那么教學的主體流程為:需要確定一個合適的傘面坡角—分析具體的影響因素并制訂實驗探究方案—小組展開實驗探究—數據信息分析評估—完成設計、滿足需求。

1.從需求出發,提出要探究的問題

導入:我們在制作油紙傘的過程中,需要一個合適的傘面坡角,要選擇一個什么樣的傘面坡角最為合適呢?

2.觀察分析油紙傘,發現傘面坡角的選擇,主要考慮其功能需求

傘面的遮雨面積和傘面排水速度。遮雨面積越大越好,要求坡角越小越好;傘面排水速度越快越好,要求坡角越大越好。如何取舍?

3.通過經驗型的技術嘗試,選擇合適的坡角

組織學生做各種坡角的油紙傘,通過實驗比較其遮雨面積和傘面排水速度。傘面坡角研究記錄與科學探究課相同。

4.分析數據,完成評估,確定合適的傘面坡角,滿足人們的需求

學生嘗試制作出不同的傘面坡角,通過測算發現:當遮雨面積最大時,傘面的排水慢,生活經驗告訴學生這可不行;當傘面坡角達到30度以上時,排水非常迅速可是損失了很多的遮雨面積,已不能滿足人們的需求;選擇一個折中的坡角,大約15度時既可保障遮雨面積,亦可以保持傘面排水的順暢。

這種技術型探究課可以延續到油紙傘的跳子的位置確定、不同傘骨長度的確定、長傘骨開槽的位置等,人們無一不是在不斷嘗試的過程中去調試,直至合適為止,保證傘骨能支撐傘面出現合適的坡角,保證傘能輕松地開合等。

STEM研究課

STEM教育結合了科學、技術、工程和數學,它將知識融合到一起,去解決一些真實的問題,形成能滿足人們某種需求的產品,因此它更注重的是學生創新能力、問題解決能力和相互合作的能力,而并非將不同學科簡單疊加。STEM理念的重要意義在于強調了把科學知識物化為具體的應用,對扭轉以前長期應試教育中產生的“高分低能”“眼高手低”有較好的作用。

依據上述理論,如果將《傘面的坡角》設計成STEM探究課,那么教學主體流程為:確定需求(設計合適的傘面坡角)—發現問題、設計解決方法—利用科學、技術、工程和數學等知識解決問題(15度最為合適)—運用理性方法創新產品(設計一把適合小、中、大雨環境下的雨傘)。

1.聚焦問題

在制作傘之前我們要先完成傘的設計。在設計傘面坡角時,我們需要考慮哪些因素?(傘面的遮雨面積、排水的速度、 防止被風吹翻等)聚焦問題:多大的坡角是最合適的呢?

2.展開探究,弄清原理

以科學探究課的思維,解決傘面坡角選擇15度左右為最佳的問題。

3.運用原理,創新產品設計

能否設計一把傘,以分別應對晴天無風遮陽或遮擋毛毛雨、小雨到中雨、中雨到大雨的不同天氣情況。

激發學生完成創新設計,如在傘桿上設定三個定梢,分別控制傘面坡角可以在5度、15度、25度等。還有學生提出在傘桿上設置滑槽,跳子設置對應卡位點,可以實現很多的坡角等。

湖南省湘潭市九華和平小學(411100)

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