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STEM教育目前是个非常热门的话题。按照著名的科学教育学者、5E学习环发明者Rodger W. Bybee 的描述，STEM可以有四种形式，分别为STEM1.0、STEM2.0、STEM3.0和STEM4.0。STEM1.0是指科学、技术、工程和数学四个学科中的任一学科，STEM2.0指四个学科中任意两个的结合，STEM3.0是任意三个学科的结合，而STEM4.0是指四个学科的整合。Bybee以及其他学者还建议，由于STEM教育的定义和意义尚不明确，实施STEM教育首先要加强和完善STEM1.0，然后在此基础上尝试STEM2.0。
本文利用5E途径设计了一个把科学和工程相结合的STEM2.0 活动——高层建筑。由于高层建筑的设计和搭建涉及科学和工程的多个概念及实践，我们的教学设计只关注某个特定的科学和工程概念及实践。该教学设计的目的是：学生通过工程设计来搭建高层建筑，学习和利用科学概念——力的平衡，即框架结构是相对稳定的结构。5E途径可以简单描述为，激发（Engage）、探索（Explore）、解释（Explain）、拓展（Elaborate）和评估（Evaluate）。
学习目标
科学概念：当作用于物体上的所有力相平衡时，物体处于稳定状态。
工程实践：设计并搭建框架结构模型。
活动材料
活动过程
1. 激发（半个小时左右）
（1）向学生展示迪拜塔、上海中心大厦、广州塔和埃菲尔铁塔的图片并简单介绍。
（2）分析介绍中的信息及数据，思考：一座这么高又这么重的建筑如何能保持稳定？学生小组内讨论，将自己的想法写在表1中。
（3）小组汇报想法，全班交流、讨论，将其他小组的想法也写在表1中。
2.探索（两个小时左右）
（1）每组发放100个萝卜块和一把软米尺，用这些材料来建造一个尽可能高的建筑，要求可以支撑四本课本的重量而不倒塌，用米尺测量高度，记录在表2中，并拍照记录。
（2）每组发放100个萝卜块和300根牙签。用这些材料再次搭建一个可以支撑四本课本重量的最高建筑，将它的高度写在表2中。（提醒学生使用牙签时不要伤到手指。）
（3）给学生10分钟时间浏览其他小组的作品，并对比两次搭建的结果。总结活动经验，思考并讨论：怎样做才能使建筑更结实？与其他同学交流并将想法写在表2中。
3.解释（一个小时左右）
（1）发放鸟笼模型，阅读《摩天大楼之父和鸟笼》，并回答问题。
摩天大楼之父詹尼和鸟笼的故事大意（原文略）：1879年之前，砖木结构是流行的建筑模式，但这种结构只能建筑3—5层高的楼房。
1879年，工程师詹尼大胆地采用砖墙框架和铁制梁柱相结合的办法，建筑了一座7层高的货栈——第一拉埃特大厦，这是当时全球最高的建筑。但是，这种结构仍然不够稳定，7层已经是它的极限了。之后，詹尼受鸟笼的启发，发现框架结构有很好的承重能力。
1885年，詹尼设计了芝加哥家庭保险公司大厦，它是世界上第一座钢框架结构的建筑，也是世界上第一座摩天大楼，虽然它只有10层高。此后，一座接一座摩天大楼拔地而起，无一例外都是框架结构的。
詹尼是当之无愧的摩天大楼之父。
阅读并回答
①为什么砖木结构不能建高层建筑？
②你认为建设高层建筑要考虑哪些因素？
③建筑第一拉埃特大厦采用的是________的办法。
④詹尼从鸟笼上得到了怎样的启发？
⑤读了这篇文章，你得到什么启发？
（2）展示广州塔在不同阶段的照片（如图1、图2），让学生找一找里面的框架结构，说一说这些框架结构的材料（钢铁）。
（3）请学生尝试对广州塔能够建得很高而且很坚固的现象进行解释。
（4）出示事先准备好的萝卜堆塔（砖墙结构）和最简单的正方体萝卜（框架结构）。教师对比两种结构，向学生说明广州塔之所以建得很高而且很坚固是因为塔（包括里面的所有东西）的重量是由框架结构支撑的，而框架结构非常坚固，能够提供足够大的支持力，使之与塔本身的重力相平衡。因此，广州塔虽然很高，但是很稳定。（本环节只关注最基本的简单框架——正方形框架，可根据情况组织一个斜插牙签的拓展活动，并比较三角形框架和正方形框架。）
4.拓展應用（三个小时左右）
（1）小组内讨论，设计一个简单的框架结构模型，并画在表3中。设计完成之后，发放50个萝卜块和150根牙签，小组根据草图制作一个框架结构模型。
（2）收回第一次材料。将萝卜块增加到100个，牙签增加到300根。尝试使用框架结构，设计能够支撑四本课本重量的最高的建筑。将设计草图画在表4中。
（3）选择两个小组展示设计图并解释设计意图。
（4）根据设计建造高塔，记录高度，分析建造过程中遇到的问题，将经验总结在表4中，并拍照记录。
（5）结合照片，将探索阶段和拓展阶段的最高纪录作比较，并解释为什么用框架结构能够建起更高的建筑。
①为什么用框架结构能够建起高层建筑？
②你学到了哪些知识？掌握了哪些技能？有哪些意外收获？将它们记录下来。
（6）总结本次活动的收获，将其记录在“反思”中。
（7）观看视频《超大建筑狂想曲：广州塔》，查阅广州塔和马克·海默尔的故事。
评估
评估内容贯穿整个活动过程，可以从以下几个方面来对学生进行评估：
“激发”阶段，通过交流和汇报评估学生的前概念；
“探索”阶段，通过制作高塔评估学生的动手能力及合作精神；
“解释”阶段，通过阅读以及学生的解释评估学生对相关概念、原理的理解情况；
“拓展应用”阶段，通过小组制作的作品及学生的反思进行评估。
（作者王平系桂馨慈善基金会专家。）
本文利用5E途径设计了一个把科学和工程相结合的STEM2.0 活动——高层建筑。由于高层建筑的设计和搭建涉及科学和工程的多个概念及实践，我们的教学设计只关注某个特定的科学和工程概念及实践。该教学设计的目的是：学生通过工程设计来搭建高层建筑，学习和利用科学概念——力的平衡，即框架结构是相对稳定的结构。5E途径可以简单描述为，激发（Engage）、探索（Explore）、解释（Explain）、拓展（Elaborate）和评估（Evaluate）。
学习目标
科学概念：当作用于物体上的所有力相平衡时，物体处于稳定状态。
工程实践：设计并搭建框架结构模型。
活动材料
活动过程
1. 激发（半个小时左右）
（1）向学生展示迪拜塔、上海中心大厦、广州塔和埃菲尔铁塔的图片并简单介绍。
（2）分析介绍中的信息及数据，思考：一座这么高又这么重的建筑如何能保持稳定？学生小组内讨论，将自己的想法写在表1中。
（3）小组汇报想法，全班交流、讨论，将其他小组的想法也写在表1中。
2.探索（两个小时左右）
（1）每组发放100个萝卜块和一把软米尺，用这些材料来建造一个尽可能高的建筑，要求可以支撑四本课本的重量而不倒塌，用米尺测量高度，记录在表2中，并拍照记录。
（2）每组发放100个萝卜块和300根牙签。用这些材料再次搭建一个可以支撑四本课本重量的最高建筑，将它的高度写在表2中。（提醒学生使用牙签时不要伤到手指。）
（3）给学生10分钟时间浏览其他小组的作品，并对比两次搭建的结果。总结活动经验，思考并讨论：怎样做才能使建筑更结实？与其他同学交流并将想法写在表2中。
3.解释（一个小时左右）
（1）发放鸟笼模型，阅读《摩天大楼之父和鸟笼》，并回答问题。
摩天大楼之父詹尼和鸟笼的故事大意（原文略）：1879年之前，砖木结构是流行的建筑模式，但这种结构只能建筑3—5层高的楼房。
1879年，工程师詹尼大胆地采用砖墙框架和铁制梁柱相结合的办法，建筑了一座7层高的货栈——第一拉埃特大厦，这是当时全球最高的建筑。但是，这种结构仍然不够稳定，7层已经是它的极限了。之后，詹尼受鸟笼的启发，发现框架结构有很好的承重能力。
1885年，詹尼设计了芝加哥家庭保险公司大厦，它是世界上第一座钢框架结构的建筑，也是世界上第一座摩天大楼，虽然它只有10层高。此后，一座接一座摩天大楼拔地而起，无一例外都是框架结构的。
詹尼是当之无愧的摩天大楼之父。
阅读并回答
①为什么砖木结构不能建高层建筑？
②你认为建设高层建筑要考虑哪些因素？
③建筑第一拉埃特大厦采用的是________的办法。
④詹尼从鸟笼上得到了怎样的启发？
⑤读了这篇文章，你得到什么启发？
（2）展示广州塔在不同阶段的照片（如图1、图2），让学生找一找里面的框架结构，说一说这些框架结构的材料（钢铁）。
（3）请学生尝试对广州塔能够建得很高而且很坚固的现象进行解释。
（4）出示事先准备好的萝卜堆塔（砖墙结构）和最简单的正方体萝卜（框架结构）。教师对比两种结构，向学生说明广州塔之所以建得很高而且很坚固是因为塔（包括里面的所有东西）的重量是由框架结构支撑的，而框架结构非常坚固，能够提供足够大的支持力，使之与塔本身的重力相平衡。因此，广州塔虽然很高，但是很稳定。（本环节只关注最基本的简单框架——正方形框架，可根据情况组织一个斜插牙签的拓展活动，并比较三角形框架和正方形框架。）
4.拓展應用（三个小时左右）
（1）小组内讨论，设计一个简单的框架结构模型，并画在表3中。设计完成之后，发放50个萝卜块和150根牙签，小组根据草图制作一个框架结构模型。
（2）收回第一次材料。将萝卜块增加到100个，牙签增加到300根。尝试使用框架结构，设计能够支撑四本课本重量的最高的建筑。将设计草图画在表4中。
（3）选择两个小组展示设计图并解释设计意图。
（4）根据设计建造高塔，记录高度，分析建造过程中遇到的问题，将经验总结在表4中，并拍照记录。
（5）结合照片，将探索阶段和拓展阶段的最高纪录作比较，并解释为什么用框架结构能够建起更高的建筑。
①为什么用框架结构能够建起高层建筑？
②你学到了哪些知识？掌握了哪些技能？有哪些意外收获？将它们记录下来。
（6）总结本次活动的收获，将其记录在“反思”中。
（7）观看视频《超大建筑狂想曲：广州塔》，查阅广州塔和马克·海默尔的故事。
评估
评估内容贯穿整个活动过程，可以从以下几个方面来对学生进行评估：
“激发”阶段，通过交流和汇报评估学生的前概念；
“探索”阶段，通过制作高塔评估学生的动手能力及合作精神；
“解释”阶段，通过阅读以及学生的解释评估学生对相关概念、原理的理解情况；
“拓展应用”阶段，通过小组制作的作品及学生的反思进行评估。
（作者王平系桂馨慈善基金会专家。）