3造一艘船-小学科学+生活融合实践研究

041 第二部分　教学案例 造一艘船 重庆市江北区玉带山小学校　周娟 一、教材的STEM教育因素分析 人教版科学五年级下册第一单元《沉和浮》的第四课“造一艘小船”，让学 生用同样质量的橡皮泥造一艘载重量较大的船。该内容是浮力的应用，其中含有 技术“T”、科学“S”和工程“E”的元素，但是真正的 STEM 还应有数学“S” 的应用，因此我大胆对教材内容进行了改进，采用 PBL 基于项目的学习，以“未 来船舶工程师”为研究项目，开展 STEM 学习。本课的内容是研究项目中的一部分， 在课程“造一艘小船”的基础上，融入数学学科，综合运用数学、科学、技术等 知识解决工程设计问题。 二、学情分析 本课的设计建立在人教版科学五年级下册第一单元《沉与浮》和人教版、数 学五年级下册第三单元《体积和体积的单位》的基础上。在科学学科中，学生对 物体的沉与浮有了一定的了解，明白了船为什么能浮在水面上，知道船的载重量 大小与船排开的水量有关，排水量与船浸入水中的体积有关。在数学学科中，学 生对物体的体积有一定的认识，并掌握了物体体积的计算方法，即体积 = 底面 积 × 高。但是在生活中发现，学生对浮力的理解停留在原始学科中，没有建立学 科之间的联系，不能综合运用多学科知识解决问题。本课的教学，以造一艘装载 量最大的船为任务，遵循学生的认知发展规律，在尝试、改进、再设计的过程中 总结出一艘装载量最大的船需要有合适的底面大小和船舷高度，逐步引导学生利 用数学计算出最大体积，充分感受多学科的价值，学会综合运用科学、数学的知 识解决工程设计问题，建立工程设计思维模式。 三、教学目标 科学知识目标： ①船浸入水中的体积越大越容易浮起来，它的装载量也随之增大。 042 小学科学 + 生活融合实践研究 ②船的体积是可计算的。 ③综合运用科学、数学、技术知识解决工程设计问题。 科学探究目标： ①亲身经历。用限定大小的材料设计制作一艘装载量最大的船，在尝试与多 次改进的造船过程中发现：船底面大小和船舷高度之间需要一个合适的搭配才能 使船的装载量最大。 ②运用数学学科、科学学科的知识找到计算最大载重量的方法，建立综合运 用多学科知识解决实际问题的思维。 科学态度目标： ①体会不断改进设计对结果的影响。 ②培养学生动手能力、数据记录、对比及分析能力、小组合作探究能力。 ③启发学生深度思维，体验多学科在解决问题中的价值。 科学、技术、社会与环境目标： 以“未来船舶工程师”项目为研究主线，培养学生为祖国而学习的爱国情怀 和使命感。 四、教学重点与难点 综合运用科学知识、数学知识来解决工程设计问题——造一艘装载量最大 的船。 五、教学方法 探究发现法、实验探索法、小组讨论法。 六、教学准备 每组一个盛水的水槽、4 张 10 cm×10 cm 的铝箔纸、若干螺母、干毛巾、记 号笔等。 043 第二部分　教学案例 七、教学过程 具体教学过程见下表。 教学 环节 教师行为 学生行为 设计意图 一、 情境 导入 1. 同学们都生活在重庆，相信这个地方你 们一定很熟悉吧（出示图片）。 2. 朝天门是重庆著名地标，两江游就是在 这里登轮的。 3. 有人说，重庆首先是一个码头，再是一 座城市。你们知道码头是用来做什么的 吗？（供船只停靠。）这是重庆的另外 一个码头：果园港。果园港建设了 16 个 5 000 吨级泊位，年通过能力 3 000 万吨。 如此大的货流量，自然就需要非常多的船 只来运输了。鉴于重庆是港口城市，结合 其码头多、货运量大、对船只需求量大的 特点，玉带山小学在六年级学生中开展了 一个 STEM 研究项目——“未来船舶工程 师”。让我们一起来看看由中国远洋集团 船长为项目发出的招募令。（播放视频） 4. 可是要想成为一名“未来船舶工程师” 可不是件容易的事情，要闯过五大难关。 今天，我们将挑战最难的一关，你们有信 心挑战成功吗？ 5. 出示挑战任务：用限定的材料造一艘 装载量最大的船。 1. 观 察 图 片， 思 考 回答。 2. 仔 细 倾 听、 观 看 视 频， 了 解 重 庆 码 头 相 关 的 知 识， 了 解 STEM 项 目 —— “未来船舶工程师”。 3. 接受挑战任务。 以 真 实 的 情 境 导 入——重庆是一座 码头城市，港口货 流量大，再加上中 国远洋海运集团船 长的现实说法，让 学生感知中国造船 业的现状，以“未 来船舶工程师”项 目为研究主线，培 养学生为祖国而学 习的爱国情怀和使 命感，以闯关模式 激发学生的学习兴 趣 和 持 续 探 究 的 热情。 二、 明确 挑战 任务 1. 出示相关挑战的信息，提出思考：你觉 得哪些信息是需要特别提醒同学们注意 的？ 2. 讲解任务单的填写：每一次造的船，在 测试完成后，小心地从水中拿出，应保持 船的原样，将船的底面粘贴在大方格里。 在造第二艘船时你需要牢记我们的任务， 我们的任务是什么？（造一艘装载量最大 的船。）所以，你希望第二艘船的装载量 超越第一艘吗？那第二艘船将在第一艘船 的基础上做什么改进是需要同学们思考的 问题。造船结束后，请在任务单右下角统 计出最大装载量，并填写我们的发现。 1. 带 着 问 题 仔 细 阅 读挑战信息。 2. 仔 细 倾 听， 了 解 任务单的填写方法， 思考如何完成任务。 引导学生体验工程 任务中的最初也是 很重要的一步—— 识别问题，锻炼学 生提取解决问题的 关键信息，启发学 生在解决问题过程 中不断思考。 044 小学科学 + 生活融合实践研究 教学 环节 教师行为 学生行为 设计意图 三、 动手 设计 和制 作 教师到各小组巡视指导，重点关注： 1. 小组成员是否分工合作。 2. 任务单的填写是否规范。 3. 小组制作进度。 4. 引导学生在造船过程中不断思考。 1. 小 组 合 作 探 究， 完 成 至 少 3 艘 船 的 制作。 2. 思 考 每 一 次 的 改 进方法和效果。 3. 统 计 出 小 组 内 船 的最大装载量并做 好记录。 体验工程任务中非 常重要的环节—— 提出解决方案、设 计并制作原型，测 试原型、提出新方 案，设计制作新原 型。学生亲身经历 用限定的材料设计 制作一艘装载量最 大的船，在反复探 究与改进过程中初 步感知船底面积大 小与船舷高度之间 的联系。同时培养 学生的动手操作能 力、不断发现问题、 解决问题和客观记 录数据的能力。 四、 分享 交流、 计算 最大 体积 （一）分享交流 1. 刚刚我们每个小组都围绕任务进行了设 计、（建模）制作、检验、再设计（改进）， 接下来，我们要进入最精彩的分享与交流 环节。在交流之前，先给大家 2 min 时间 整理一下思路。你可以围绕以下 3 个问题 来分享： （1）简单说说你们最初的设计？ （2）后一次造船在前一次的基础上有什 么改进？效果如何？ （3）经过实践后，你觉得怎样才能造一 艘装载量最大的船？ 当然，你也可以分享实验过程中的其他 发现。　 2. 张贴任务单到黑板上。 3. 学生交流分享，师生互动、生生互动， 教师适时点评及总结。 （二）总结规律：底面积越大，船舷越高 的船装载量大 （一）分享交流 1. 小 组 内 交 流， 整 理 思 路， 做 好 汇 报 准备。 2. 将 任 务 单 粘 贴 到 黑板上。 3. 仔 细 倾 听 他 人 发 言，辨识他人观点， 实时补充或发表自 己的意见。 （ 二） 感 知 矛 盾， 链接数学知识计算 1. 感 知 底 面 积 与 船 舷高度之间的矛盾， 思考如何找到底面 积大小与船舷高度 之间的最优组合。 在交流过程中，让 学生进一步感知矛 盾 和 冲 突， 并 想 办法解决矛盾和冲 突。在经历尝试、 改进、再设计的过 程后总结出合适的 底面大小和船舷高 度才能造一艘装载 量 最 大 的 船 的 结 论，逐步引导学生 利用数学计算出最 大体积，让他们充 分感受数学学科的 工具性，学会综合 运用科学学科、数 学学科的知识解决 工程设计问题，建 立工程设计思维。 续表 045 第二部分　教学案例 续表 教学 环节 教师行为 学生行为 设计意图 四、 分享 交流、 计算 最大 体积 （三）引发矛盾，链接计算 1. 底面积大与船舷高是相互矛盾的。那底 面大小与船舷高度之间会不会有一个最优 组合，让船的装载量最大？如何找到底面 积与船舷高度的最佳组合？ 2. 小组讨论：如何计算船的体积？（建立 科学知识与数学知识的联系，将造一艘装 载量最大的船的工程问题转化成数学问 题：装载量与排水量有关，排水量与物体 浸入水中的体积有关。因此，寻找最大装 载量实际就是寻找船的最大体积。） 3. 交流分享： 体积的计算方法。 4. 出示体积计算统计表和统计图，感受数 学建模的价值。 体积 底面 边长 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 底面边长 /cm 体积 /cm3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 4.5 16 31.5 48 62.5 72 73.5 64 40.5 2. 小 组 讨 论： 如 何 运用数学知识计算 最大转载量？ 3. 分 享 计 算 体 积 的 方法。 五、 总结、 拓展 1. 小结：在生活中，解决实际问题时，工 程师也会像我们这样：识别问题、提出解 决方案、设计并制作原型、测试、再设计 再制作的反复过程，这就是工程设计过程。 2. 如果给你一张 20 cm×10 cm 的锡箔纸， 造一艘装载量最大的船，你会怎样做？ 3. 在人类的造船历史中，也经历了不断尝 试、改进、总结、再改进……的过程。在 此过程中，利用数学、科学、技术、工程 等工具，造船技术得以蓬勃发展，从过去 的一叶扁舟变成如今的万吨巨轮。综合运 用数学、科学、技术、工程等学科知识解 决实际问题，这就是 S-T-E-M，STEM。 希望同学们从此乘着 STEM 这艘大船扬帆 起航，追逐美好的人生。 4. 根据评价量表，统计并宣布本次挑战闯 关成功的学生进入下一关挑战。 1. 认 识 什 么 是 工 程 设计过程。 2. 思考：当材料变换 时，如何设计一艘装 载量最大的船？ 3. 认识什么是 STEM， 建立运用 STEM 解决 问题的思维。 归纳总结一个完整 的工程设计过程， 并鼓励学生学以致 用， 运 用 STEM 的 思想来解决生活中 遇到的问题。 根据评价量表，以 小组为单位对学生 本 堂 课 的 表 现 进 行评价，统计并宣 布进入下一关的小 组，激发学生持续 探究热情。 046 小学科学 + 生活融合实践研究 八、教学评价 采用形成性评价与总结性评价相结合的方式，形成性评价内容见下表： “造一艘船”课堂评价量表 “造一艘船” 解决过程 表　现 分 值 小组得分情况 1 2 3 4 5 6 7 8 识别问题 没有识别挑战 0 　 　 　 　 　 　 　 　 没有清楚理解或准确识别挑战 1 　 　 　 　 　 　 　 　 挑战的一部分被识别 2 　 　 　 　 　 　 　 　 完全准确理解或识别挑战 3 　 　 　 　 　 　 　 　 设计模型并 测试 没有设计，不知道正确的测试和记录方法 0 　 　 　 　 　 　 　 　 设计时考虑船的大小、形状、厚度、螺母 的摆放位置等因素中的 1 个，知道正确的 测试或记录方法 1 　 　 　 　 　 　 　 　 设计时考虑船的大小、形状、厚度、螺母 的摆放位置等因素中的 2 个，知道正确的 测试和记录方法 2 　 　 　 　 　 　 　 　 设计时能全面考虑船的大小、形状、厚度、 螺母的摆放位置等因素，知道正确的测试 和记录方法 3 　 　 　 　 　 　 　 　 改进 不知道如何改进 0 　 　 　 　 　 　 　 　 能提出影响载重量的其中 1 个因素并对船 进行改进 1 　 　 　 　 　 　 　 　 能提出影响载重量的多个因素并对船进行 改造 2 　 　 　 　 　 　 　 　 能提出影响载重量的多个因素并对船进行 改造，取得较好的效果 3 　 　 　 　 　 　 　 　 数据整理与 分析 不会整理分析数据 0 　 　 　 　 　 　 　 　 能对本组的数据进行整理分析，得出自己 的观点 1 　 　 　 　 　 　 　 　 能对本组和其他组的数据进行对比分析， 得出自己的观点 2 　 　 　 　 　 　 　 　 交流汇报 汇报只满足了下列标准中的 1 条： ①简单说明了制作过程。 ②阐明了造船过程的设计思路。 ③阐明了改进的原因及效果。 ④总结出如何才能造一艘载重量最大的船的 　方法。 ⑤能质疑他人的观点或提出建议 0 　 　 　 　 　 　 　 　 047 第二部分　教学案例 “造一艘船” 解决过程 表　现 分 值 小组得分情况 1 2 3 4 5 6 7 8 交流汇报 汇报只满足了下列标准中的 2 条： ①简单说明了制作过程。 ②阐明了造船过程的设计思路。 ③阐明了改进的原因及效果。 ④总结出如何才能造一艘载重量最大的船的 　方法。 ⑤能质疑他人的观点或提出建议 1 　 　 　 　 　 　 　 　 汇报只满足了下列标准中的 3 条： ①简单说明了制作过程。 ②阐明了造船过程的设计思路。 ③阐明了改进的原因及效果。 ④总结出如何才能造一艘载重量最大的船 的方法。 ⑤能质疑他人的观点或提出建议 2 　 　 　 　 　 　 　 　 汇报只满足了下列标准中的 4 条及以上： ①简单说明了制作过程。 ②阐明了造船过程的设计思路。 ③阐明了改进的原因及效果。 ④总结出如何才能造一艘载重量最大的船的 　方法。 ⑤能质疑他人的观点或提出建议 3 九、板书设计 造一艘船 底面积　　船舷高度 大？高？ 载重量排水量→浸入水中的体积 载重量大小→体积大小（计算） 续表 粘贴学生思维导图任务单 048 小学科学 + 生活融合实践研究 十、教学资源 STEM 项目招募书（视频）、与船相关的资料单、思维导图任务单、体积计 算表等。 十一、教学反思 “未来船舶工程师”是我校开展的 STEM 项目，项目成果需要学生自己设计 并造出一艘能在水中航行的船。因项目的完成需要学生在五年级下册的科学学科 和数学学科中有一定的知识储备量，所以本项目的实施定位为六年级的学生。在 生活中，造一艘船是一个系统而庞大的工程，需要综合考虑到载重量、排水量、 动力结构、外观、用途、成本等诸多因素。本课的教学是为设计一艘船做准备。 通过课前的调研发现，学生对物体的沉与浮有了一定的了解，明白了船为什么能 浮在水面上，知道船的载重量大小与船的排水量有关，排水量与船浸入水中的体 积有关。在数学学科中，学生对物体的体积有了一定的认识，并掌握了物体体积 的算法，即体积 = 底面积 × 高。但是，让学生在解决问题的过程中建立起数学 学科与科学学科的知识链接难度较大，为了让学生很好地建立载重量跟体积之间 的关系，本项目采用了先实践制作、测试、改进、再测试、再改进的教学过程， 让学生在实践探索中去发现船的载重量与船的底面积大小和船舷高度之间的联系。 记录实验数据时，采用了思维导图任务单，不仅很好地呈现出学生思维改变的过 程，而且通过至少 3 次的实践对比，学生对如何建造一艘装载量最大的船有了自 己的理解。有的人说：“底面积大、平的船载重量最大。”有的人说：“船舷很 高的船载重量大。”有的人质疑：“锡箔纸不做任何形状改变，直接放到水面时 底面积最大，可为什么这个时候载重量却不是最大的？”在质疑和争论中，有人 提出新的观点：“要合适的底面积大小和合适的船舷高度。”教师适时追问：“怎 样的底面积大小叫合适？怎样的船舷高度叫合适？”继而引发学生深度思考。有 学生提出：“底面边长和船舷高度相等时就是最合适的值。”此时，很多学生陷 入了迷茫，感觉不同意别人的观点，却不知道如何反驳，就连提出此观点的学生 自己也说不清楚依据是什么。这时，教师再度追问：“我们有没有办法找到这个 合适的值？”有人立马回答：“多次尝试。”有人立马反对：“那样太浪费材料 049 第二部分　教学案例 了。”教师补充道：“能想到尝试的同学，是绝对的实干家，但是今天我给的材 料的是锡箔纸，它很容易就折成船，如果材料换成铁，你还能这么轻松地折吗？” 经过点拨，有学生想到了用计算的方法来解决。此时进行小组讨论，很快便有人 想到了用数学的枚举法来计算体积，不仅想到了枚举底面边长为整数时船的体 积，还有的学生想到了底面边长也可以为小数…… 经过这样的讨论与汇报，学生自然地建立起了科学与数学学科的联系，用数 学方法来解决造船的工程设计问题，教学环环相扣，带动学生深度参与，启发学 生的思维发展和提升，建立工程设计思维。 在人类的造船历史中，经历了不断尝试、改进、总结、再改进……的过程。 在此过程中，利用数学、科学、技术、工程等工具，造船技术得以蓬勃发展，从 原来的一叶扁舟变成如今的万吨巨轮。在最后的总结中，提炼 STEM 教育，期待 学生能用 STEM 思维，综合运用多学科知识解决生活中遇到的问题。