高效实施初中模型教学与训练

黄建跃

集民用船舶与军舰的模型制作、比赛、展示、表演于一身的航海模型运动，是一项涉及科技、军事、体育、文化等方面的综合教育活动，深受学生喜爱。笔者所在的杭州市余杭区临平第三中学自开展这项教学、竞赛活动以来，累计有200多人次参加，也获得过全国、省、市、区各级奖项。但由于受单纯的学科教学和竞赛训练思想的束缚，其综合性教育效果总感到不理想。在一次校外教师STEM专项培训中，专家的一场场精彩讲座，让我们眼前一亮，这不正契合我们一直苦苦寻找的教育教学方法吗？于是，本校开始了STEM理论与海模中的“木结构桥梁模型承重”教育教学活动相融合的探索之旅。我们的想法与做法是：基于海模项目的STEM活动，知理探源；基于LED的STEM活动中涉及的各领域，梳理学习目标；基于海模项目的STEM活动流程，亲历过程；基于情境的STEM教育实施。

基于海模项目的STEM活动

STEM，其实是指科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科的英文首字母的缩写。下面以“木结构桥梁模型承重”的STEM活动为例，我们发现，大部分学生对木桥是既熟悉，又陌生。世上有许多木结构的桥，如常见的木梁桥、木撑架桥和木桁架桥等；但木桥的结构原理，对绝大多数学生来说都是从来都没有考虑过的，借助木橋原理能给我们的生活带来怎样的便利呢？学生们对此充满好奇。

木桥是人们在现实生活中较为常见的工程结构，利用木桥结构解决生活中的问题是一个典型的工程设计类问题。学生在建模时，需要将科学与工程技术问题有效结合，将在教学活动中学到的零散知识系统整理，成为他们探究世界的载体。

梳理学习目标

在初中模型教学与训练活动中，我们学校老师将按照如下表格内容为学生制订教学目标，设置教学内容。（见表一）具体来说，就是通过基于LED的STEM活动中涉及的各领域，梳理学习目标。其中“LED”，即发光二极管。

亲历STEM活动过程

基于海模项目的STEM活动，我们参考了以下流程进行探究学习：

第一步：运用各种创新思维方法，寻找设计机会。收图法，即通过收集各种桥梁的图片，了解各种结构形式，寻找可以参考设计的样式。SCAMPER法，即思考对已有结构进行改变：①替代（Substitute），即根据我们的设计要求，哪些部件、材料、连接方式是可以替代的；②合并（Combine），即哪些部分做法是可以合并的；③改造（Adapt），即改变功能或部分结构；④调整Modify（magnify， minify），即如形状、大小的调整；⑤挪改（Put to other uses），即挪作他用或改变意图；⑥去除（Eliminate）简化，即找出可去除部分，舍弃部分功能或特征，凸显结构的核心功能；⑦重组（Reverse，rearrange），即可逆操作，如通过上下颠倒、里外互换等方法，进行逆转、重组。

第二步：探究木桥的结构原理，提出解决方案。①空腹拱桥：为什么拱圈上设小拱，用横梁和支柱支撑桥面？（减轻桥梁载荷，增大桥梁泄水面积）②实腹拱桥：为什么在拱圈腹部两侧填实后铺装路面？③多孔拱桥：连拱有什么作用？④肋拱桥：拱圈上的拱肋有什么作用？⑤两绞拱桥：两个拱脚为什么设绞支座？经过一番探究，明白了原理之后，教师再引导学生围绕自己的问题，提出一些解决方案。

第三步：围绕四个要素，进行设计构思。首先要明确设计要求，然后选择材料，预算需要量，画出草图。

第四步：制作、测试、改进。

第五步：展示与交流。

基于情境的STEM教育实施

结合技术与工程活动，创设科学教学情境 活动的设置是为教学服务的，目的是培养学生的科学探究意识。为此，教师在设置活动时，应从学生实际出发，围绕学生兴趣展开，传递科学精神。我们下面以“小小桥梁建筑师”为案例进行阐述，此案例是初中一年级“做中学”的典型的教学模块，突现了当前科学教育改革的精神。该模块的核心设计是增加结构的稳固性，围绕其开展相应的设计与技术教学活动。（见表二）活动中，设计与操作同等重要，即工程的设计和学生的操作技术都影响决定着结构的稳固性，这是一个科学与技术交织在一起的案例。为此，学生首先要做的是分析三角形与正方形的特点，找到其结构特点与稳定性的关系，明确三角形是稳定的结构；然后寻找能够增加稳固行的材料，找寻最合理的连接方式；最后设计制作出桥梁模型。

基于实际制造情境，融合科学问题与工程技术 在教学活动中，如何将科学问题与工程技术有机结合起来呢？我们下面以“各种粘合剂的粘性”为案例进行阐述。“粘合剂”项目首先通过桥梁模型制作粘合遇到的问题情境设置，需要解决的问题是：如何让胶水更容易凝固？而学生需要进行探究的注意事项是：尽量多的数据，从而保证结果更加可信；注意记录不同粘合剂的凝固时间以及效果，从中总结感受科学工作的方式与意义。基于桥梁模型制作粘合遇到的问题情境的设计，要有足够的新颖性，进而给学生足够的启发，让学生在设计、操作的同时，提高自己的思维水平和知识的综合运用能力。

现设置案例情境—：当502强力胶重复粘合失效时。我们制作木桥梁模型，需要将几十根、上百根木条粘合起来，粘合的牢固度直接影响到模型的承重能力。我们发现：虽然目前所使用的502胶水是很强的粘合剂，但是当第二次粘合同一个地方时就失去粘合能力了，导致我们需要消耗大量的时间来处理这个问题，这不仅浪费了许多木条、胶水和人工，而且胶水粘在手上难以洗掉，还有一定毒性，气味也难闻。怎样解决这个问题呢？我们希望能有专家提供尽量多的科学方法和建议，包括测量不同种类粘合剂粘性的数据。（见表三）

活动1：生活中的粘合剂。（让学生了解和调查以下信息）

①水溶型粘合剂：用水作溶剂，常见材料有淀粉、糊精等。endprint

②热熔型粘合剂：通过加热使粘合剂熔化后使用，是一种固体粘合剂。一般热塑性树脂均可使用，如聚氨酯、聚苯乙烯等。

③溶剂型粘合剂：不溶于水而溶于某种溶剂的粘合剂，如虫胶、丁基橡胶等。

④乳液型粘合剂：多在水中呈悬浮状，如醋酸乙烯树脂、氯化橡胶等。

⑤无溶剂液体粘合剂：在常温下呈粘稠液体状，如环氧树脂等。

活动2：测量粘性。（见表四）

活动3：改变淀粉粘合剂粘性。

任务：单一粘度的粘合剂，胶化点为61℃开始，63℃完成。

方法：①淀粉在常温水中搅动，观察：质点分散成乳状，不会溶解和吸收水分；

②加热，观察：分散于水中的淀粉，开始吸收水分而膨胀；生淀粉，大约在70℃开始膨胀；温度升高到90℃，膨胀作用完成。

结果：粘结时胶化迅速；胶化的淀粉很粘稠，其程度视水中的淀粉量而定；粘度通常在27～32秒之间。

活动4：不同粘性胶水配制挑战。

制作方法①：阿拉伯树胶4.5份，水100份。先浸渍24小时，再放在水浴上加热到完全溶解；然后加液体石炭酸1份，搅拌均匀，用布过滤后，冷却，装瓶。试验：纸张粘合效果。（阿拉伯树胶为豆科植物胶树或他属植物树干中渗出的一种树胶凝固而成，无色或淡黄色半透明的粒状或碎块，无臭、味淡而粘滑，质地极脆，表面微有光泽，研成粉末为纯白色，粘性极强。主要成分阿拉伯樹胶素，实际就是树胶素的钙钾等盐类，还含有氧化酵素、过氧化酵素和鞣酸等，多利用其粘性制造各种胶合剂。如需纸与金属粘合，须加强力兴水）

制作方法②：树胶3份，汽油30份，乳香假漆1份。先将树胶剪成小块，加入汽油，不断摇晃，溶解；再加入乳香假漆，调匀。如果太稀，可放锅中隔水稍加热，使汽油略微挥发（切勿近火）；如果太浓，可添加适量汽油。

制作方法③：阿拉伯树胶180份，水550份，甘油60份，石炭酸1份。先把水加入甘油里冲稀，把阿拉伯树胶浸入其余水中24小时；然后倒入铝锅中在放在另一个锅中加热，温度保持在60度至71度之间（过热则破坏粘性），不断搅拌直到胶粒全部熔化，厚薄均匀，拿起铝锅，停止加热；加入冲稀了的甘油和石炭酸，再用力搅拌，各种原料均匀混合。

制作方法④：骨胶56份，胶性钠8份，松香水8份，水48份。先把松香捣碎，导入苛性钠溶液里，在搅拌下加热约45分钟，直到全部熔化；再把事先浸泡的骨胶水加入溶液里，放在铝锅里加热，温度保持在60度至71度之间，煮成均匀的胶水。试验：金属物表面贴纸，胶水遇水不脱落。

活动5：502胶水使用建议。

①先清洁被粘物表面，除去表面的灰尘、油污等，对PE、PP等塑胶粘接时，应先使其表面活化；

②开胶水瓶前盖，用手指轻扣尖端部位，使它不留有残余液体，再用剪刀剪出孔穴；

③在被粘物表面滴一小滴胶水，立刻进行粘接，并保持至硬化为止，粘接面积不宜太大；

④使用后，擦拭干净胶水瓶，盖严盖子，存放于阴凉、干燥处或冷藏。

基于生活情境，巧妙结合科学、技术和工程问题 我们下面以船舱的密封为案例进行阐述。模型船船舱是安置电机、接收机等电子部件的地方，一旦进水，直接损坏船的工作核心。密封方式的不同，舱盖与舱口部分结合的牢固度也会不同，因此，我们可以让学生通过动手探究，找到最好的密封方式。其中，学生门需要了解各种材料的特征和特性、不同连接方式的特点、各种连接方式所适用的材料特点、受力的控制等诸多相关知识，并在科学原理的指导下，利用合理的工程技术来动手制作。在具体实践中，学生们可以通过观察，了解到较为常见的模型船舱盖，进一步知道它能够运用的密封方式；同时，还可以通过增加特定装置，运用其他的密封方式，知道怎样才能实现自由开合。学生们经过详细记录和认真分析，逐渐整理出结构设计的要点、相关的条件限制、材质选择的注意事项等。下面是“探索自动锁紧舱盖”的活动方案：

【引入】

①这几艘船的船舱与舱盖之间，在什么情况下会松开，会进水？你用什么方法处理的？

②看一看老师的处理方式，试着打开和盖上。再仔细观察这些船舱盖与舱口的构造。注意它们有些什么共同点和不同之处。

③画出至少两种不同舱盖与舱口的构造。写一写这些舱盖是如何工作的。和同伴、老师分享你的发现和思考。

【探索】

①设计一个能舱口封住的密封装置，绘制计划草图。

②在老师同意你的计划之后，使用你能得到的材料建构一个工作模型。

③进行模型测试后再进行修改，最终得到你的最佳舱盖模型。

（安全提示：在实验过程中注意安全操作规程）

【解释】

①解释你的结构是如何将舱口封住的。包括描述其中的受力，通过画图的形式用箭头表示出受力的情况。

②将你的设计和你之前观察的舱盖相比较。写出它们的共同点和不同点。你做的是哪种结构？

③在班级分享你的模型和解释，讨论用于封住舱口的不同方法。

主要体会

通过初步尝试实践，我们体会到：一线教师在活动设计和实施时，要充分考虑初中学生的认知和生理发展的特点，以及他们初次接触工程技术教育时的实际情况。

在初中阶段，大多数学生对外部世界的认识较为感性，因而我们需要提前告知学生相关的任务，使他们对任务对象有全面的了解；同时，还需要引导学生搜索相关科学知识，明确设计的意义，保证制作与设计的统一性等。在具体活动中，教师要尊重学生的创造性和多样性，给予学生更多的自由，包括从材料的选取、结构的创作、制作工艺的确定到展示方式的运用等方面，都要给学生们最大的自由发挥空间。其中，我们可以允许学生有看起来并不切实际的想法，并鼓励学生自己在动手操作中替换更实际的设计。同时，还要给学生充足的时间，让他们能够完整地体会工程设计与制作的整个流程，真正在动脑、动手的过程中学习知识和运用知识，从而进一步培养学生各个方面的技能和认识。

通过这次的探索之旅，我们深切地感受到：对于劳技课、科技课教师而言，既要有更开阔的教育视野，又要有更广博知识基础和更精专的技术指导能力。在当前新一轮课改中，我们临平三中教师还任重而道远。endprint