• STEM案例:狂躁的天气——一个将关于灾害天气的科学内容与工程设计流程相结合的综合性科学单元

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    • 狂躁的天气——一个将关于灾害天气的科学内容与工程设计流程相结合的综合性科学单元

    在3年级,学生学习天气,聚焦于从技巧上理解用于预测未来大气条件的工具和方法。这个单元的设计着眼于与天气现象、天气测量和气象工具有关的课堂教学。学生分小组完成任务,分析天气数据,预测即将出现的天气现象,加固自己建造的建筑物以抵御迫在眉睫的“暴风雨”。在“计划”环节,学生获得完成设计任务所必需的背景知识。观察、探索、研究、头脑风暴和设计图都出现在这个环节中。

    在第1天,学生被1个初始活动吸引,在这个活动中,他们在各自的设计笔记本上写出他们曾经经历过的灾害天气(跨学科概念:因与果)。活动的时机很好,因为在这个夏天一场强烈的暴风雨击倒了许多树木和供电线。不少学生写下了这次事件,以及他们所看到的。这个活动有天然的区分性,因为有些学生写了几个句子,有些学生写了一大段话,而有些学生画了图并向老师作了口头解释。接着,学生们有时间与同桌交流,还有几个学生与全班分享了他们的故事。然后,学生观看3段视频剪辑,回顾科学标准中涵盖的灾害天气类型。这些视频围绕着雷暴、龙卷风和飓风,在视觉上向学生展示了各种天气的特点。当学生与伙伴讨论之后,教师在一张班级图表上记录下各种天气类型的特点。教师提出了这样的问题或任务:“找出各种灾害天气的共同点和不同点”。一位学生答道:“每种暴风雨都刮风,但风对房屋造成的影响不同”。在这之后,学生两人一组,用ipad或笔记本电脑访问事先挑选的、根据阅读水平进行区分的网站,研究各种灾害天气,并做好笔记。网址的选择基于学生的可访问性和阅读水平,它们提供了学生进行研究所需的内容,并经过了教师的审核。对于需要额外支持的学生,教师把研究素材读给他们听。

    其他所有学生与一个小伙伴一起在数据表中记录灾害天气的特征(参见图表1和“NSTA链接”)。在这节课结束时,学生在小组中分享他们的笔记。学生们十分兴奋地彼此交流各种暴风雨的特征。一个学生绘声绘色的惊呼:“龙卷风的风速有每小时300英里!比赛车还快!”

    在这个单元的第2天,学生通过完成1个匹配任务(参见“NSTA链接”)回顾了4种天气测量工具。在学生展示了对每种工具用途的理解之后,教师引导他们分析了从天气测量工具获得的不同数据图表(参见“NSTA链接”)。学生应用他们已经研究的内容,将天气现象与天气工具能测量的对应数据联系起来。一个学生记录到:“雨量计上的0cm意味着没有降水;风速计读数为5m/h,说明几乎没有风。”

    接下来,教师告诉学生他们将要接受的设计挑战和要求,以及需要完成的1张量表(图表2;参见“NSTA”链接)。他们的设计要求如下。设计挑战:你们小组将设计和创造一个建筑物,让它承受一种给定形式的灾害天气(雷暴、飓风或龙卷风)。要求:必须利用循环使用的材料;宽度必须小于40cm;高度必须小于30cm;必须有1个底座、4个侧面和1个顶;小组中的每个成员都必须为这个建筑物贡献一个主意。

    学生有机会就挑战或要求进行提问。许多学生对测量提出了疑问,请教师说明“宽度”或“高度”指的是什么。学生也提出了这样的问题:“我们是不是必须做出窗子或门呢?”教师请学生再返回去看一看设计挑战,里面是否对此提出了要求。当学生看到并没有这一要求时,教师接着问:“是不是大多数建筑物都有门和窗呢?”接着,教师向学生展示了材料,因而学生能看到他们可以是用什么,并开始头脑风暴——设计他们的建筑物。材料包括硬纸板、泡沫塑料、工艺棒、胶带、胶枪,以及各种循环使用的材料,如饮料瓶,卷纸芯和麦片盒。学生在切割材料和使用胶枪时务必谨慎。护目镜在探究、清理和洗手的过程中必须佩带。我们强烈建议教师密切监护。

    学生3人1组进行头脑风暴,每组把他们的建筑物设计画出来。他们在图上标注出计划使用的材料。教师提醒各个小组在设计时要吸取每位组员的至少一个想法,并与教师交流以使小组设计得到认可(学科核心概念:明确和界定工程问题,开发可能的方案)。第3天时,学生搜集材料,开始搭建他们的建筑物。在学生搭建时,教师来回巡视并提出如下的开放性问题:告诉我你们的设计。学生对这类问题的回答能让教师知道在哪些方面还需要指导,或需要进一步的提问,例如:你们的建筑物怎么支撑它的顶呢?

    在这节课结束之前,一则滚动天气警报出现在交互式白板上,并且每个小组被分配到灾害天气警报表(图表3,参见“NSTA”链接)中的一列。基于此,各个小组必须判定他们拿到的那列信息所表现的是哪种灾害天气。教师通过一个例子来示范怎样解读天气数据并判断灾害天气类型。各个小组分别讨论他们的灾害天气警报中的数据,并参考他们的笔记本中前几天研究的已有数据,以决定自己的暴风雨类型。笔记本中也包含了他们所完成的气象工具匹配任务和小组头脑风暴。

    接着,他们又用头脑风暴的方式提出了他们的建筑物可能遭遇的问题,以及他们可以添加以确保自己的建筑物能承受相应灾害天气的安全措施。在一番讨论后,各个小组画出他们要对各自的建筑物实施的改进计划(学科核心概念:开发可能的方案)。

    随着教师对各个小组进一步设计的认可,学生们搜集了更多的材料改进他们的 建筑物。学生被再一次要求回顾设计标准,以及他们的灾害天气类型的特征。在学生搭建模型时,教师在教室中巡视,并提出问题,以激发学生思考他们的建筑物可能会遭遇的危险。例如,教师注意到一个小组制作的建筑物非常轻,就让他们再想一想已经看过的龙卷风视频。这个小组的一名学生说道:“我们不想让它吹走,我们必须把它保护好。”于是这个小组所有的成员都提出了用来固定他们的建筑物的可能方法。

    课堂上所有的时间都被学生们用来改进他们的建筑物。我们的学生在这段时间中采用的策略有:将装满水的瓶子放在他们的“房子”里,以增加重量;用塑料垃圾袋等防水材料覆盖他们的建筑物;在建筑物外围的“地面”上扎一圈木桩,以防建筑物被吹走。学生在放置木桩时必须小心,因为这一操作可能会伤害到他们。教师应当示范,怎样将木桩穿过某种材料,并在学生操作时仔细监督他们(学科核心概念:工程与设计)。

    为了模拟灾害天气,各种各样的工具在第4天被用来测试建筑物的稳定性。吹叶机被用于模拟风的力量,距建筑物近时模拟龙卷风,距建筑物30cm时模拟飓风。判断自己面对的灾害天气是龙卷风的小组还用冰块砸他们的“家”,以模拟冰雹。飓风天气的降水用水龙带模拟,雷暴天气的降水用装水的喷瓶来模拟。教师应当密切监督检测过程,并操控所有的水龙带、风扇和吹叶机;电和水应当被分开。学生对此非常感兴趣,欢笑声充满了整个检测过程。3个女孩互相将手交叠在一起,欢呼道:“3,2,1——太棒了,飓风小组!”然后她们整齐地向空中挥舞起双臂,仿佛在参加一场体育盛事。还有一个小组的建筑物承受住了一场“龙卷风”,他们高喊道:“我们做到了!它幸存下来了!”

    每个小组的测试都被视频记录了下来,以便于分享。在测试过程中,教师继续询问学生他们预计会发生什么,会观察到什么。各个小组被鼓励去记录他们的建筑物的任何问题,并在吹叶机或风扇与各种灾害天气的风力间建立联系。给学生时间去交流他们的想法或观察,是设计流程的一个基本元素。在第5天,小组聚集到一起,讨论他们的结果,以及他们还可以进行哪些改进来保护他们的建筑物不受灾害天气的损害。在这节课中,教师引入了句子框架,来帮助需要它们的学生组织自己的思维。各个小组观看了他们的视频,观察还有哪些因素可能会影响他们的建筑物的稳固性。

    在向全班展示他们的结果和反思之前,学生们回顾了量表。然后,各个小组进行分享,指出他们的设计的独到之处——也就是使他们的建筑物不受灾害天气损害的措施,也交流了他们关于可以怎样进一步改进的想法。其他学生愉快地观看了视频剪辑,积极地提出了问题和建议(学科核心概念:优化设计方案)。

    案例来源:《国外优秀STEM教育案例集》      出版单位:《中国科技教育》杂志社

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