捕捉姜饼人

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  研究表明,近年来美国进入科学、技术、工程和数学(STEM)专业学习的大学生有下降的趋势。为了提高美国的工程技术教育,近年来与科学活动相联系的STEM课程,在中小学阶段越来越普及,以激发学生对STEM学科的兴趣。《K-12科学教育框架》中指出,工程过程与科学探究同等重要。
  一个STEM活动就是将科学、技术、工程和数学整合在一个活动中,用这些知识共同解决一个问题。STEM活动一直以来都强调学生的高度参与,有时会设置小组间的相互竞争的活动。例如,许多小学都会组织用冰棍制作最牢固的桥、最长的悬挂弹射器,或者是制作鸡蛋的保护装置,使之能够从高处掉下而不破碎。尽管学生高度参与这种类型的STEM活动,但是他们通常将这些活动与常规的科学课堂割裂开来。若想高效地组织STEM活动,必须将STEM活动与课堂教学相结合,这就需要老师能够结合学生所学的单元内容,设置一个STEM活动,让学生运用学到的知识去解决问题。
  孩子是天生的工程师,他们在玩的时候,都会不由自主地搭建结构,小学低年级是最适合设计一些结合工程設计的问题的时期。以下是一个在低年级阶段进行的课时两个星期的STEM单元,这个单元专注于建立一个陷阱来捕捉一个爱做恶作剧的姜饼人的问题。有些人可能会担心这种拟人化的使用可能会误导小学生,我们认为,拟人化在这样的活动中可以给学生提供有意义的科学学习。尽管有些问题是虚构的,但这样的单元设计融合了STEM内容,学生可以学习如何整合知识来解决他们在日常生活中遇到的实际问题。
  科学
  为了介绍这个STEM单元,老师们将学生集合在地毯上,给他们讲姜饼人的故事。老师读到姜饼人逃离第三或第四只动物(遇到狐狸之前)时,合上书,告诉学生学校最近发生的一些事,如书籍在图书馆的书架上打开了,脏的足迹遍布在午餐室的桌子上,校长桌子上的一些文件掉下来了,教室里的蜡笔被打碎了一半。老师告诉学生们:“我认为姜饼人可能藏在我们学校里,你认为我们能做些什么呢?”一名学生说:“我认为我们可以一整夜都待在学校,然后看看我们是否能够找到他。”另一个学生激动地表示这是一个很好的主意,还有七个学生同意这个想法。
  学生现在面临着一个问题,为了解决这个问题,他们首先需要探索这个问题里的科学问题。在这个STEM单元之前,学生完成了一个物质科学单元的学习,在学习中,他们发现物体具有不同的性质(如大小、形状、质地、重量和颜色等),他们还探索了非生物的运动(如快、慢、曲折、上下、前后等),以及物体的性质是如何影响它们的运动的。
  设计解决方案
  姜饼人问题引发的学生认知需求,为他们创建了一个有吸引力的学习环境。学生们首先要对他们将如何追踪姜饼人来画个草图。这对老师来说是有用的,因为它能指出哪些学生具有关于陷阱的一些知识,以及他们是如何设计陷阱的。然后组成学生和伙伴们分享他们的草图,在交流的基础上,再进行改进。
  在画好初步图纸后,老师给了学生几种材料,如纸板、织物、橡皮筋、大理石和软木,要求他们思考这些材料的性质,然后决定使用哪种材料最有利于他们制作姜饼人陷阱,并把答案记录在记录本上。学生们总结了一些材料可能是最有用的,因为它们是很结实的,一个学生写道:“一旦你发现了姜饼人,你的陷阱必须能够抓住他们。”其他材料如织物和绳子也被认为是有用的,因为它们能够将姜饼人缠住。
  学生们利用纸板、胶带、剪刀、橡皮筋、管道清洁器、纸杯和纱线等材料,通过小组合作完成任务。学生们使用这些材料,练习制作陷阱,老师提醒学生要特别注意制作陷阱的材料的推力或拉力。一个学生这样记录:“所要做的事就是如果姜饼人触碰这根棍子,盒子就会倒向他。”老师用一个检查表去评估学生提出的陷阱方案。
  技术和工程
  如何利用学过的有关材料的性质去制作一个姜饼人陷阱?老师把学生集合到地毯上,向学生展示材料:海报板、线衣架(拉直)、线、杯和卷带。老师要确保学生坐在与拉直的线衣架距离合适的位置,以便他们在演示期间不会与其端部接触,确保安全。老师问:“在我们的陷阱中,我们要如何利用这个海报板?线和杯子的作用是什么?”然后老师弯曲衣架线成“C”形,问:“这能用来做什么呢?”
  姜饼人将如何触发陷阱呢?老师在绳子上连接杯子,使绳子可以在衣架线上滑动,在绳子挂架的另一侧拉动绳子来演示,使得杯子保持悬挂在空中。老师问:“如果我放开线,将会发生什么?”学生们预测杯子会下落。学生很快发现,为了使姜饼人能够触碰陷阱,他们需要一些东西来拉住线。通过这些引导性问题,老师和学生们想出了一个基本的陷阱设计(见图1)。为了保证数据收集对于这个年龄段的学生是可理解的,只有有限的变量可以控制。通过指导学生们进行探究,老师与学生一起在他们最初设计的陷阱上进行改进。教师的引导,实际上是为学生思维的发展提供“脚手架”,对于学生工程技能的学习和发展至关重要。
  然后,老师向学生介绍“技术”这个词,并解释其含义。然后从《不可思议的发明》一书中读几篇诗歌给学生听,朗读这些诗歌是为了阐述技术无处不在,它可以被任何人包括男生和女生所发明。读完书之后,老师让学生举出一些技术的例子,并告诉学生当他们使用材料和科学知识来制作陷阱时,他们也就是在开发一种新技术。
  工程和数学
  在全班同学设计了陷阱后,老师向学生说明他们将要“像工程师一样工作”,并把这句话写在黑板上,然后向学生说明工程师都是利用技术去设计出解决方案,从而解决一个问题。教师通过观察接下来的工程设计和测试过程,来向学生提问并对学生的表现作出评价。
  老师问:“我们如何让姜饼人进入到陷阱中?”一个学生猜测陷阱看起来要像姜饼人的房子,另一学生认为“陷阱中需要些诱饵”。老师告诉学生:“工程师在进行他们的设计时,通常要经过几轮修改,最后才能成为最优设计。”老师要求学生一次实验一个,以便判断哪次设计最成功。   学生们开始装饰陷阱的外形,使得陷阱能够更具吸引力。在这节课之前,老师给每组学生设计了一个最基本的陷阱,老师和家长们在最后也一起帮助孩子们装饰陷阱。学生把迪士尼的卡通图片贴在陷阱上,以此来诱惑姜饼人,有的同学还把棉花球粘贴在杯子上,使得杯子看起来像朵云,希望能进一步愚弄姜饼人。一个学生完成装饰后,把陷阱放在教学楼的走廊里,看看是否能够抓住姜饼人(见图2)。
  
  图2 学生做的陷阱
  几天后,老师在黑板上画了一个饼状图向学生解释,工程师们通常收集数据并画出数据图来看看自己的设计是否起到了作用。老师和孩子们一起离开班级,到走廊看看他们的陷阱有没有抓到姜饼人。学生们走进教室,每组学生无论他们抓住还是没有抓住姜饼人,都用“X”来表示,然后聚集在地毯上。学生们有点失望,因为没有一组抓住了姜饼人。老师提醒学生,工程师们都要对设计作出修改,最终才会有一个起作用的设计。
  对着圖表,老师问:“把我们的陷阱设计得吸引人看起来有那么重要吗?”由于没有一个学生抓住姜饼人,因此,学生们都得出陷阱的美丽外表对于吸引姜饼人来说并不够。老师建议:“现在让我们加点诱饵吧。”老师给学生提供了三种可供选择的诱饵:珠宝、金币和水晶,学生分组商量挑选其中的一种诱饵,放到他们的陷阱中。
  接下来的一天,老师在黑板上放了一张表格。根据学生在陷阱中放的诱饵,老师给每组学生都发了一个粘贴便签,要求学生一天后,再次观察他们的陷阱,并在图表上记录他们的陷阱有没有抓住姜饼人。这天学生们都十分激动,因为有些陷阱抓住了姜饼人(之前,老师把姜饼人饼干放在有珠宝的陷阱中)。老师问:“诱饵在你的陷阱中有作用吗?”一些学生回答“是的”。老师又问:“有没有人想更换你的诱饵?”那些没有抓到的小组都喊“要”。
  那些没有抓住姜饼人的小组都把诱饵换成珠宝,并再次布置了他们的陷阱。学生们再次收集数据,并在黑板上再次画了饼状图。老师指着最后一次图表问:“你们的陷阱成功了吗?”学生们说:“姜饼人一定是喜欢珠宝。”老师祝贺学生:“你们的工程完成啦!”学生们使用工程师工作的流程解决了一个问题,他们使用了数据来评估他们的设计,并依据数据对设计进行修改,老师还指出现在他们都是工程师了。
  在这个单元结束时,老师给学生读了一封姜饼人留下来的信。
  亲爱的同学们:
  我已经离开你们的学校,继续我的旅行,我要去山林见狐狸,我要跨越河流。我想告诉你们,你们的陷阱都起到了作用,尽管我逃掉了。由于你们是如此的聪明,我留了一点姜饼人饼干给你们享用。
  祝愉快!
  姜饼人
  结论
  在学生们享用饼干之际,老师提醒学生回忆在解决学校姜饼人问题的过程中用到的科学、技术、工程和数学知识。
  STEM活动不是一个孤立的活动,这个低年级的持续的活动,希望让学生了解如何使用STEM来解决现实世界的问题。并不是所有学生都熟悉技术和工程的概念,但是在学完这个单元后,学生们开始注意生活中的有关技术的例子,并积极参与到工程过程中。在这个单元,学生开始注意到科学、技术、工程和数学是十分有趣的,他们可以综合运用去解决问题。
  附:《姜饼人》的故事
  姜饼人
  一天,有位老太婆在烤面包,她做了一些姜饼,还剩下一些面团,她把面团捏成了一个小人,用醋栗制成了小人的眼睛、鼻子和微笑的嘴巴,还沿着他的前胸做成了纽扣。然后她把他装进烤盘,放进烤箱。
  过了一会儿,她听到烤箱的门里有什么东西在咯咯响。她打开烤箱,出乎意料的是她做的姜饼人跳了出来,在厨房里到处乱跑。老太婆想要抓住他,但是他逃脱了,边跑边喊:“跑啊,跑啊,快点跑。你抓不到我,我是姜饼人。”
  老太婆追着他跑进花园,在那儿她的老伴儿在挖土,他放下铁锨,想抓住姜饼人。姜饼人跑过他的身边,回头喊道:“跑啊,跑啊,快点跑。你们抓不到我,我是姜饼人。”他沿着马路跑,越过了一头牛,老牛喊道:“不要跑,姜饼人,你看起来很好吃。” 姜饼人笑着大声喊道:“我跑过一个老太婆和一个老头。跑啊,跑啊,快点跑。你们抓不到我,我是姜饼人。”老牛在老夫妇后面跟着跑起来,不一会,他们越过一匹马。
  “别跑了,”马喊道,“我想要吃你。”姜饼人大声喊道:“我跑过一个老太婆,一个老头,还有一头牛。跑啊,跑啊,快点跑。你们抓不到我,我是姜饼人。”
  姜饼人继续跑着,老夫妇俩、牛和马在后面跟着。有一群人在割晒牧草,他们都抬起头看着他。姜饼人跑过他们,喊道:“我跑过一个老太婆, 一个老头,一头牛和一匹马。跑啊,跑啊,快点跑。你们抓不到我,我是姜饼人。”割晒牧草的人也跟着追赶起来。他们跟着姜饼人跑过田野,遇到一只狐狸,姜饼人向着狐狸大声喊道:“跑啊,跑啊,快点跑。你抓不到我,我是姜饼人。”
  狡猾的狐狸说:“我为什么要自找麻烦呢,我不想抓你。”但是他心里在想:“姜饼人一定很好吃。”
  姜饼人从狐狸身边跑过,前面是一条又宽、又深、流得又快的河,他不得不停下来。
  狐狸看到大家都在追赶姜饼人,于是对姜饼人说:“跳到我的背上来,我带你过河。”姜饼人跳上狐狸的脊背,狐狸开始游泳,游到河中间时,在河水很深的地方,狐狸说:“你能站在我的头上吗?要不然你会湿的。”于是姜饼人爬到狐狸的头顶。
  水流更急了,狐狸说道:“你能挪到我的鼻子上来吗?那样我能更加安全地驮着你,我可不想让你淹死。”姜饼人滑到狐狸的鼻子上。
  当他们游到河对岸时,狐狸突然咬了他一口,姜饼人消失在狐狸的嘴里,再也看不到了。
  (译者:高梦波 首都师范大学初等教育学院;校对:刘忠学 人民教育出版社综合理科室)
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