《傘面的坡角》同課異構(gòu)探索

丁素平

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出，小學(xué)科學(xué)課程學(xué)習(xí)的方式是多種多樣的，探究式學(xué)習(xí)是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的重要方式。自2001年課改以來，探究式的教學(xué)在日常科學(xué)教學(xué)中得到了很好的重視和普及，并且《課程標(biāo)準(zhǔn)》對做科學(xué)探究的基本要素和基本流程都解釋得相當(dāng)?shù)轿?，因此，科學(xué)教師已經(jīng)能比較好地把握探究的要素及過程。

《課程標(biāo)準(zhǔn)》增加了技術(shù)與工程領(lǐng)域，由于該領(lǐng)域的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生有機(jī)會綜合所學(xué)的各方面知識，可以使他們體會“做”的成功和樂趣，并養(yǎng)成通過動手做解決問題的習(xí)慣，因此該領(lǐng)域的教學(xué)備受關(guān)注。但因?yàn)椤墩n程標(biāo)準(zhǔn)》并沒有闡述“做技術(shù)”與“做工程”的基本要素和基本流程，使其成為一線科學(xué)教師教學(xué)的難點(diǎn)甚至痛點(diǎn)。近些年來，與上述教學(xué)改革并行的還有STEM課程開發(fā)及教學(xué)。STEM課程的研究雖然方興未艾，但還是缺乏統(tǒng)一而全面的闡釋，因而也成為一線科學(xué)教師的難點(diǎn)甚至是盲點(diǎn)。

本文試圖以自行開發(fā)的《傘面的坡角》一課為研究載體，基于科學(xué)探究課、技術(shù)探究課、STEM研究課設(shè)計(jì)不同教學(xué)案例，闡釋三種課型的理論原理。

科學(xué)探究課

科學(xué)探究是獲取科學(xué)知識的主要途徑?？茖W(xué)探究特別強(qiáng)調(diào)要基于問題和聚焦問題，然后設(shè)計(jì)研究方案，通過觀察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查、統(tǒng)計(jì)等手段獲取證據(jù)，經(jīng)過比較、分類、類比、歸納、演繹等邏輯思維方法，進(jìn)行推理判斷，最后得出結(jié)論?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》中提出的要求是：學(xué)生能運(yùn)用科學(xué)探究方法解決比較簡單的日常生活問題。

依據(jù)上述理論，如果將《傘面的坡角》設(shè)計(jì)成科學(xué)探究課，那么教學(xué)主體流程為：提出并聚焦問題—分析并制訂探究方案—實(shí)驗(yàn)探究—綜合分析、得出結(jié)論。

1.提出并聚焦問題

導(dǎo)入：觀察各種成品雨傘，有什么發(fā)現(xiàn)？學(xué)生發(fā)現(xiàn)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(xué)道理？

2.分析并制訂探究方案

觀察分析雨傘，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)學(xué)生制訂實(shí)驗(yàn)方案：用相同規(guī)格的傘，測量不同坡角時傘面遮雨半徑，計(jì)算遮雨面積;排水速度則將同一把傘撐到對應(yīng)坡角，測量一滴管水從傘頂流出傘邊所用時間。

3.實(shí)驗(yàn)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(jié)論

綜合比較各組數(shù)據(jù)，得出結(jié)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(shù)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(jīng)不斷嘗試和改進(jìn)，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(fā)明過程來看，它是屬于在需求刺激下發(fā)明的經(jīng)驗(yàn)型技術(shù)產(chǎn)品。

我們知道，技術(shù)總是從一定的具體目的出發(fā)，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(shù)，一般可以分為兩種途徑：經(jīng)驗(yàn)型技術(shù)和原理應(yīng)用型技術(shù)。

例如，中國古代發(fā)明的赤道式日晷就是一種典型的經(jīng)驗(yàn)型技術(shù)（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(rèn)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(xué)生在學(xué)完了磁鐵的磁極以及磁極指南北的性質(zhì)后，參考古人的“磁針?biāo)姆ā保僮灾浦改厢?，就是一種典型的原理應(yīng)用型技術(shù);在學(xué)完了電路的基本知識后，再設(shè)計(jì)安裝“房屋”電路，也是原理應(yīng)用型技術(shù)。

經(jīng)驗(yàn)型技術(shù)，是通過實(shí)踐中的嘗試、摸索，實(shí)現(xiàn)某種功能，滿足某種需求，它以經(jīng)驗(yàn)為特征。經(jīng)驗(yàn)是促進(jìn)技術(shù)發(fā)展的重要因素，在技術(shù)發(fā)展歷史的早期，它甚至是導(dǎo)致技術(shù)發(fā)展的唯一因素。

我們看到，不論科學(xué)還是技術(shù)，都存在知其然不知其所以然的、以經(jīng)驗(yàn)為特征的技術(shù)。在小學(xué)科學(xué)課程中也存在很多這樣的技術(shù)，尤其是一些復(fù)雜原理技術(shù)和高科技技術(shù)，這對人類來說是科學(xué)指導(dǎo)下的技術(shù)，屬于應(yīng)用的技術(shù)，只要求兒童體驗(yàn)、認(rèn)識和理解。經(jīng)驗(yàn)型技術(shù)既不以科學(xué)認(rèn)識為目的，也沒有清晰的科學(xué)原理的指導(dǎo)（沒有不包含科學(xué)原理的技術(shù)），主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行或獲得經(jīng)驗(yàn)體驗(yàn)。

在這些經(jīng)驗(yàn)型技術(shù)中，往往存在許多的科學(xué)問題有待提出和探索，而更加可貴的是善于發(fā)現(xiàn)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(xué)探究課和技術(shù)探究課上都是少見的。學(xué)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(xué)習(xí)和人生中，這樣需要優(yōu)化、綜合分析的問題絕不會少！

《油紙傘》是一個我們結(jié)合當(dāng)?shù)靥厣_發(fā)的校本課程，其中含有很多技術(shù)工程方面的教育內(nèi)容。我們認(rèn)為技術(shù)課的大致流程應(yīng)該是：確定需求—做出設(shè)計(jì)—調(diào)試安裝—評估改進(jìn)?！秱忝娴钠陆恰肥沁@個大的課程中的一個子課題，重點(diǎn)在于用經(jīng)驗(yàn)型技術(shù)的方法，不斷地嘗試、評估、改進(jìn)，最終獲得一個比較合適的傘面坡角。

依據(jù)上述理論，如果將《傘面的坡角》設(shè)計(jì)成技術(shù)探究課，那么教學(xué)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(shí)驗(yàn)探究方案—小組展開實(shí)驗(yàn)探究—數(shù)據(jù)信息分析評估—完成設(shè)計(jì)、滿足需求。

1.從需求出發(fā)，提出要探究的問題

導(dǎo)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(fā)現(xiàn)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(jīng)驗(yàn)型的技術(shù)嘗試，選擇合適的坡角

組織學(xué)生做各種坡角的油紙傘，通過實(shí)驗(yàn)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(xué)探究課相同。

4.分析數(shù)據(jù)，完成評估，確定合適的傘面坡角，滿足人們的需求

學(xué)生嘗試制作出不同的傘面坡角，通過測算發(fā)現(xiàn)：當(dāng)遮雨面積最大時，傘面的排水慢，生活經(jīng)驗(yàn)告訴學(xué)生這可不行;當(dāng)傘面坡角達(dá)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(shù)型探究課可以延續(xù)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(diào)試，直至合適為止，保證傘骨能支撐傘面出現(xiàn)合適的坡角，保證傘能輕松地開合等。

STEM研究課

STEM教育結(jié)合了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)，它將知識融合到一起，去解決一些真實(shí)的問題，形成能滿足人們某種需求的產(chǎn)品，因此它更注重的是學(xué)生創(chuàng)新能力、問題解決能力和相互合作的能力，而并非將不同學(xué)科簡單疊加。STEM理念的重要意義在于強(qiáng)調(diào)了把科學(xué)知識物化為具體的應(yīng)用，對扭轉(zhuǎn)以前長期應(yīng)試教育中產(chǎn)生的“高分低能”“眼高手低”有較好的作用。

依據(jù)上述理論，如果將《傘面的坡角》設(shè)計(jì)成STEM探究課，那么教學(xué)主體流程為：確定需求（設(shè)計(jì)合適的傘面坡角）—發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計(jì)解決方法—利用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等知識解決問題（15度最為合適）—運(yùn)用理性方法創(chuàng)新產(chǎn)品（設(shè)計(jì)一把適合小、中、大雨環(huán)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(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)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(fēng)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(xué)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(yùn)用原理，創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)

能否設(shè)計(jì)一把傘，以分別應(yīng)對晴天無風(fēng)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(fā)學(xué)生完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如在傘桿上設(shè)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(xué)生提出在傘桿上設(shè)置滑槽，跳子設(shè)置對應(yīng)卡位點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)很多的坡角等。

湖南省湘潭市九華和平小學(xué)（411100）