工程设计理念指导下《我们来造桥》的STEM教学

吴杨

〔摘    要〕  《我们来造桥》是以工程设计为主线，以STEM教育理念为核心，通过创设工程实践的情境，制定项目合作任务，让学生亲历任务—设计—测试—改进—评价—交流的过程，像工程师那样去建造桥、评价桥。

〔关键词〕  小学科学；工程设计；实践教学

〔中图分类号〕  G424                〔文献标识码〕  A         〔文章编号〕  1674-6317    （2024）  01    079-081

一、教案概述

我国是世界上造桥技术最先进的国家，自古就有“桥的国度”之称。桥梁的设计与制作是一个典型的工程问题，而且学生五年级的科学学习中也有建桥梁的活动。

五年级小学科学下册第二单元《结构与形状》让学生认识了形状结构与承受力的关系。五年级的让学生通过两年的科学学习，对材料的了解、实验的“公平原则”、合作分工能力得到了一定提高，能够为造桥的工程项目提供一定的帮助。

通过造桥这个工程项目，能够认识桥的基本组成，知道几种不同类型的桥；能够对桥梁的承受力进行研究，通过梯度探究，知道提高桥梁承受力的方法；运用科学知识完成桥梁设计，经历桥梁搭建的过程，培养学生的合作创新意识和科学素养，体验科学探究的乐趣；能够将科学活动与工程设计联系，了解工程师为了完成建桥任务需考虑地理条件、建造成本等实际问题。学生建模并展开测试，促进学生的思维不断拓展，创新能力不断提升。课堂设置有挑战性的桥梁招标任务，可以激发学生的创新精神、工程思维和科学探索能力。

二、教案目标

第一，认识桥梁的主要结构和常见的桥梁类型。

第二，探究发现形状、结构、承受力对桥梁的重要应用。

第三，通过与他人合作，搭建符合招标内容的桥梁，并完成设计制作。

第四，在投标评比环节，像工程师那样评价桥，知道建桥不仅要考虑承重、稳固、抗风等条件，还需要兼顾美观、与环境融合等。

三、教案实施过程

（一）运用STEM理念，搭建课程框架

在原教材教学内容基础上，进一步探究提高桥承受力的各种方法；以STEM教育理念为核心，通过创设工程实践的情境，制定项目合作任务，让学生学着像工程师那样去建造桥、评价桥。《我们来造桥》项目包括：桥梁招标、考察研究、桥梁投标、建造桥梁、桥梁验收、评价交流六个环节。

（二）设计活动方案，确定教学流程

1.桥梁招标

视频《艰辛的上学之路》导入任务：为这些孩子建一座合适的桥。

师：看完视频你有什么感想？

生：这些山里的孩子上学之路太危险了，如果峡谷上有座桥就好了。

师：你能猜到这节课的任务是什么吗？

生：造一座桥。

出示甲方桥梁招标书。

要参与投标，我们需要做哪些准备？

师：为这些孩子建一座合适的桥就是本节课我们要完成的任务。造一座什么样的桥？怎么做呢？我们先来学习一下桥的有关知识。

设计意图：用视频《艰辛的上学之路》导入，学生看到视频中山区的孩子乘坐溜索上学，十分危险，激起学生主动学习桥梁知识、为山区孩子建座桥的强烈情感。

2.考察研究

考察当地的桥梁类型，探讨它们的结构、外形有什么特点，这些结构外形各有什么优缺点，为桥梁设计做准备。

学生初步认识四种桥。

学生交谈：拱桥、平板桥、斜拉桥、悬索桥是四种常见的桥。虽然桥的种类不同，但是它们有着基本的组成部分——桥面、桥墩。

教师补充桥的基本组成部分除了桥面、桥墩，还有跨度，斜拉桥中还有桥塔和拉索。

设计意图：初步认识桥的三种类型和桥的基本组成结构。

探究影响桥承受力的因素。

探究活动一：搭建三种桥，并比较它们的承受力。

教师通过希沃易课堂设备，发送“任务单”至各组学生平板。

师：现在大家对桥有了初步的认识。老师给每组发送了一张任务单，请打開它，小组成员一起看看接下来你们将要完成什么任务。看清楚，记住每一个要求。

师：清楚你们的任务了吗？老师要检查一下，我提问，知道的，就一齐答。

问题1：桥的跨度如何控制？

生：利用直尺。

问题2：承受力要测几次？

生：测三次。

师：测出的数据还要算出什么？

生：平均值。

师：如果放10个夹子桥塌了，桥的承受力是多少？

生：9个。

师：每个小组做的桥不一样，看清楚你们小组的任务，完成实验、填好表格数据后，提交表格。

设计意图：教师有意让12个小组各搭建一种不同类型的桥，这样的有意安排，可以让学生发现，桥梁的承受力除了和桥的类型有关，跨度也是影响桥梁承受力的因素。

学生搭建桥，并测量桥梁的承受力。

提交、分析数据。

学生利用希沃平板提交数据，希沃易课堂软件汇总数据，在屏幕呈现。

师：大家能从数据中得出什么结论呢？

生1：不同类型的桥，能承受的压力是不一样的。

生2：同类型的桥，跨度越小承受力越高。

师：斜拉桥的承受力为什么好？

生：拉索拉住了桥面，承担了桥面一部分的压力；利用拉索和桥塔分担了桥面压力……

师：平板桥和拱桥材料完全一样，为什么把桥面做成拱形，就能提高承受力？

学生结合《折形状》一课的知识尝试解释。

教师解释：平板桥桥面没有支撑，拱桥的形状是薄壳结构可以均匀分散压力；平板桥仅靠桥面承受压力，拱桥的桥墩抵挡了来自桥面的压力，也就是拱桥的拱形能把压力分散到桥墩。

探究活动二：探究提高桥梁承受力的其他方法。

师：测桥承受力的实验告诉我们，利用拉索、桥塔，利用拱形分散压力可以提高桥的承受力。接下来，我们要试着找出提高桥承受力还能有哪些方法。要求：小组合作，在不改变你们小组桥的类型的情况下，对你们的桥进行修改，尽可能多地找出方法，成功后用你们的平板拍下改进后桥的照片并提交。你们的抽屉里有一个工具盒，如果有需要，可以用里面的材料。

学生小组合作，在不改变桥类型的条件下，寻找提高桥承受力的方法。

汇报各组的方法。

学生能够发现叠加卡纸、减小跨度、增加桥墩、增加拉索数量、增加桥拱、弯折桥面等方法可以提高桥的承受力。

设计意图：教师在让学生探寻提高桥承受力的方法时，提了一个非常关键的要求：不能改变桥的类型。有这样一个条件限制，学生就不会盲目、单一地给桥增加拉索，继而从桥面材质、跨度、桥面结构等方面去寻找更多的办法。希沃平板的拍照、上传功能，可以让学生直接看到其他小组的方法，比听学生口头描述更直观。

3.桥梁投标

按照甲方桥梁招标通告的要求，结合地形（图片出示建桥地点：悬崖），制定桥梁设计方案，根据设计，制作投标书。

师：真正的桥梁专家建桥前都会绘制设计图，请大家讨论、在平板上绘制设计图，再按设计图完成搭建。如果搭建过程中需要调整方案，也请先修改设计图。本次搭建桥的种类不限，发挥出你们的创造力吧。

学生设计桥梁，完成桥梁投标书。

召开投标会，根据招标通告中的标准，对乙方各组提交的方案进行评审。

4.建造桥梁

学生按照每组自己的设计方案，在教师处领取材料建造桥。

试一试我们的桥梁的抗压能力。

改进完善我们的桥梁作品。

设计意图：这个环节，通过任务驱动，学生将像工程师那样，画设计图纸、做出预算、搭建测试。这里结合新课标的工程设计理念，融合了STEM课程，让学生在设计——搭建——测试——改进设计——再搭建——再测试中，体会工程设计是需要并且不断改进的。

5.桥梁验收

交流、评审各组的桥梁是否符合招标要求。

利用学校创客教室的材料，对每组的桥梁继续进行抗风、抗震测试，改进提升小组桥梁设计。

设计意图：前一阶段，学生造桥的思考点多放在造型设计和承重测试上。在初步建成满足招标条件的桥梁后，教师组织学生交流：现实中的桥除了考虑承重性，还有哪些自然条件会影响桥梁使用质量？学生经过小组研究、资料查阅，将桥梁的抗风、抗震性能加入到测试中，并利用创客教室的材料，自主设计抗风、抗震测试方案。该环节拓宽了学生思维角度，提升了学生的操作实践能力。

6.评比交流

每组学生对自己的桥梁进行设计解说，展现特色。

评审小组对造桥成本、抗风能力、抗震能力、美观程度等进行多维度评价。投票评选出最美设计奖、最环保奖、最稳固奖等。

师：从真正的桥梁工程师角度去思考，一座真正的桥，除了要有好的承受力，还需要考虑哪些方面？

学生经过激烈的讨论，提出建桥需要对造桥成本、抗风能力、抗震能力、美观程度等进行多维度考虑，自主制定了多维度评价标准。

设计意图：在交流评价环节，把评价的权力交给学生，让孩子们站在桥梁工程师角度去思考：一座真正的桥，不单要考虑承受力，还需要考虑施工难度、建造成本、美观程度、实用性等。用真实的情境丰富学生的专业学识和内涵素养。

造桥环节，笔者抛出问题：为视频中山区的孩子选择一座桥。这让从生活实际中来的问题又回到生活中去，也让课堂结构更完整。学生考虑到需要在悬崖上建桥这一实际情况，选择了斜拉桥。这与真实生活中桥梁工程师的选择不谋而合，极大地鼓舞了学生对桥梁相关知识学习的自信。使用乐高积木，可以灵活地对桥墩、拉索的数量和位置、桥面组合等进行改变，学生可以随时根据自己的设计改进和搭建，趣味更浓，有助于学生创造能力、创新精神的发挥。学生在充满趣味、挑战、创新的氛围下，设计出丰富多彩、形式多样的符合要求的桥。交流环节，学生通过思考这样一些问题，更深刻地体会到建桥需要综合考虑建造难度、地理条件等实际生活场景。

本案例设计思路呈现梯度探究：从认识桥，到认识提高桥承受力的方法，再到建造一座难度更高的桥。学生思维不断深入，建桥知识也不断丰富。整个教学过程强调真实的学习情境、强调学生的实践活動、强调团队合作、强调学习结果的开放及对创新的鼓励。课堂上，学生能把自己当成小小工程师，积极制定项目合作任务，建造桥、评价桥。学生在完成建桥任务中不仅获得了桥梁科学知识，还发展了工程设计思维和跨学科高阶思维品质。

参考文献

[1]陈梅香.STEM教育在小学科学中的应用[J].小学科学（教师版），2018（12）