STEAM教育理念下的“三维创意设计”^[1]

李 雯

STEAM教育是美国应对21世纪国际人才竞争的一项国家教育战略，近年来已成为国际教育界的热点研究问题。STEAM教育并不是科学、技术、工程、艺术和数学教育的简单叠加，而是强调多学科的交叉融合，以更好地培养学生的创新精神与实践能力。本文基于“三维创意设计”校本课程中一个项目课例，总结将STEAM教育理念融入课堂的教学实践。

一、设计依据

在基础教育领域，以培养创新人才为目标，采用多种手段、多种途径、综合多学科知识与技能的创新课程成为培养学生创新精神和实践能力的主要手段。3D打印和三维创意设计的相关课程已成为此类创新课程的典型代表。基于STEAM的教育理念，“三维创意设计”课程将多学科的基础知识整合在若干教学项目中，在课堂中进行系统的情境教学。对三维设计和3D打印等先进技术手段的应用过程，有助于学生学会设计、学会思考，形成良好的思维习惯和行为习惯。

二、课例特色

课程中师生首先共同梳理一个充满人文关怀的视频案例，了解工程设计的主要环节。在此基础上，教师创设问题情境，以“修复玩具蜘蛛”为任务进行分析讨论，贴近生活实际，将数学、技术和工程有机地交叉融合，使学生在实践体验中学习应用多学科知识应对现实问题。充分利用三维设计软件、3D打印技术，将设计构思转化为模型，并通过进一步制作实物，来提升学生在图样表达和物化能力方面的技术核心素养。

三、内容呈现

（一）教学目标

1.知识与技能：了解工程设计过程及其各个环节，知道设计是动态且有章可循的，理解设计过程需要不断优化。

2.过程与方法：经历设计的一般过程，初步学会有计划、有步骤、科学地开展设计活动的方法。在思考、讨论和合作实践中，培养技术实践、表达、交流、评价的能力和协作意识。

3.情感态度与价值观：初步形成和保持对技术问题的敏感性和探究欲望，感受技术问题解决过程的艰辛与曲折。

（二）教学过程

1.引入环节

教师首先介绍3D打印的应用和前沿信息，并提问：“也许你认为这些高大上的技术还只是科学家和工程师的事。3D打印技术给我们每个人的生活带来了什么呢？”引发学生思考。

2.创设情境环节

教师播放一段视频：父亲为先天残疾的儿子制作3D打印的义肢，引导学生进行案例分析，梳理这位父亲设计制作的全过程，并将主要环节板书在黑板上。

[设计意图] 视频中深厚的父爱能够打动学生，激发学生兴趣。在教学设计上摆脱了传统的“教师讲、学生听”的模式，采用引导—分析—探究的形式，师生共同梳理视频内容，自然得出工程设计过程的主要环节，易于学生接受和理解，符合STEAM教育的情境性特征。

3.发现与明确问题环节

教师引导学生观察桌上玩具蜘蛛的爬行状况，发现它饱受身体残缺的痛苦，从而引出本节课的任务——学习制作义肢的方法并修复玩具蜘蛛。

[设计意图] 本课选择了生活中的实际问题，在解决问题的过程中引导学生综合运用多学科知识，与STEAM教育的跨学科性相一致。

4.方案的制订环节

在发现问题后，学生拆下完整的腿部零件，将零件轮廓描在纸上并进行分析。教师首先指导学生测量一些简单尺寸，再引导学生进行小组讨论，采用三种方法测量最难确定的外轮廓圆弧半径。在测量的基础上，教师提出关于孔轴尺寸配合、加工精度、结构强度的问题。

[设计意图] 求解圆弧半径的过程是应用数学知识解决实际问题的过程，触发学生学习、探究。学生能在亲身实践中找出误差更小的测量计算方法，对所学数学知识有更深刻的理解，从掌握单纯知识点转变为掌握解决问题的方法。

5.设计图样的绘制环节

学生使用三维设计软件绘制零件模型。教师巡视指导，帮助学生分析遇到的问题，帮助学生建立实现技术、解决问题的信心。

6.模型的制作环节

教师指导学生通过3D打印机打印模型。学生学习3D打印机的使用，了解相关加工工艺。

学生首次打印出的零件并不成功，教师引导学生分析原因，共同处理两个生成性问题：

第一，零件变形问题。教师引导学生观察打印机的工作过程，逐步分析得出由于打印零件的横截面过小，下一层打印材料还没有充分冷却，导致新一层材料就堆积上去而造成变形。由此学生认识到自动打印布局是不可行的，并提出将两个零件置于打印平台两端，尽可能增加零件间距，延长堆积两层材料间的时间间隔，有效改善了这一问题。

第二，打印零件强度较差。学生提出了增大零件间的孔轴尺寸以增强零件强度的方法。通过对零件尺寸进行重新设计，打印出的零件强度明显增加，且可以实现良好的尺寸配合，使蜘蛛恢复正常行走。

[设计意图] 教师对生成的问题及时进行指导，和学生共同优化设计方案。学生经历亲身实践，会对3D打印加工精度和零件配合的问题有更深入的理解，符合STEAM教育的体验性特征。

7.作品测试环节

零件打印完成后，学生组装并测试蜘蛛爬行情况，对有问题的零件进行修复调整。

8.展示交流与评价环节

本课的评价方式是学生自评、互评与教师评价相结合。教师制作了自评和互评量表。评价过程强调多元评价主体、面向学习过程的评价。

9.归纳总结环节

通过总结工程设计过程中运用的多学科知识对解决实际问题的作用，促进学习者将零散的知识系统化。在此基础上，教师播放一段智能蜘蛛随音乐跳舞的视频，引导学生继续探索生物学知识和智能技术结合的应用，进一步激发学生探索创新的愿望。

四、实践反思

本课立足于通过项目实践培养学生在图样表达和物化能力方面的技术核心素养，体现了STEAM教育的跨学科性、体验性和情境性的核心特征。教师合理选择基于真实生活情境的教学内容，恰当梳理与其他学科的交叉融合。通过工程实践实现情境性问题的解决，让学生体验真实的生活，获得社会性成长。

五、教学点评^[2]

本课中，学生发现问题，提出方案，利用数学知识进行测量，运用三维设计软件实现设计图的表达，使用3D打印技术完成制作，通过解决打印中的问题，分析部件损坏原因并加强易损部件强度，进一步优化结构。课程体现了对学生创新精神的培养，也体现了对学科核心素养的培养，充分践行了STEAM的教育理念。

本课用短片引入新课，既展现了技术满足人类需求的人文关怀，也把发现问题、解决问题的过程展示给学生，引导学生进入主题，使其树立了应用技术解决问题的技术意识。

生成性问题的解决是本课的又一亮点，体现着教师的教学智慧。在传授学生技术、体验操作实践的过程中，还承载着思想方法的传承与润物无声的影响。生成性问题的解决也给学生以榜样示范，激励学生进一步探索技术世界。

STEAM视角下初中生物教学设计——《解密秋色》

李 莹

每年秋季老师都会带大家去欣赏枫叶，去大自然中欣赏秋景，上周我们去了植物公园，看到有的树叶已经变黄，枫树的叶子也已经变红，老师看到有些同学收集了很多美丽的枫叶夹在了自己的标本夹上，留作纪念。秋高气爽，云淡风轻，同学们都沉浸在美丽的秋景之中，在归途中有同学问老师，为什么枫叶是红色呢？为什么银杏叶子黄澄澄，冬青的叶子在秋季还是那么绿呢？为什么有些植物的叶子一年四季都是绿色？

秋色是黄色，秋色是红色，秋色又是绿色，那秋色到底是怎么形成的呢？让我们一起来解密秋色，找出树叶变色的原因吧。

一、重要科学概念

植物色素：植物色素分为脂溶性和水溶性，脂溶性的叶绿体色素可以溶解在有机溶剂中，主要有叶绿素、叶黄素、胡萝卜素，水溶性主要是细胞液色素，如花青素。

有机溶剂：有机溶剂主要溶解一些不溶于水的有机化合物，比如石油醚、丙酮、无水乙醇等。

叶绿素：主要和光合作用有关的一类色素，包括叶绿素a、b、c、d 原叶绿素和细菌叶绿素等。

层析液：生物学中，植物光合作用分辨色素的一种液体，或是化学中用于萃取的液体，作用是溶解样品。

二、实践活动

（一）活动目标

1.认识和了解常见叶中的植物色素；

2.知道叶绿素的分离原理，了解其化学性质和生物功能；

3.观察叶绿素分离过程；

4.探究过程中提高学生动手技能，勤于实践解决问题；

5.引导学生乐于探索自然，有探索精神和创新意识；

6.知道植物色素的用途，并了解植物色素的科学故事。

（二）原理

1.相似相溶：极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂，一般情况下，极性相似即可相溶。例如水和乙醇可以无限制地溶解，而乙醇和煤油只能有限地溶解。

2.分离原理：叶绿体中的四种色素都能溶于有机溶剂，且在层析液中的溶解度不同，扩散速度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散的快。

（三）材料用具

样品：学生自带。

试剂：无水乙醇、层析液、二氧化硅、碳酸钙。

器材：剪刀，称重天平，研钵，量筒，纱布，烧杯，定性滤纸，烧杯（100ml），小玻璃漏斗，尼龙布，毛细吸管，小试管，量筒（10ml）。

（四）观察叶片的颜色

1.为什么有的叶子是黄色，有的叶片是红色？

2.叶子在秋天变化色彩的原因。

思考与讨论：①叶子的颜色与季节有关系吗？②像冬青这样的植物为什么可以保持四季常绿？

（五）实践操作

1.滤液制备。清洗实验材料，各取2g，剪碎备用，加0.1g二氧化硅、0.1g碳酸钙，加2ml溶剂（水，无水酒精等）迅速进行研磨，至糊状。用纱布过滤至容器中。然后将滤纸等载体材料剪成大约1cm宽的长条，长度比烧杯的高度高约1cm。一端剪去两角，在距干燥滤纸条窄端1cm处画一条铅笔细线。

思考与讨论：二氧化硅、碳酸钙的作用是什么？

2.上样。用毛细滴管或者其他工具，将步骤1 中制作的滤液均匀涂抹到细线上，尽量保持样品细密。滤液干后，再反复涂抹3—5 次，保证足够的样品量。根据层析液种类，制备相应数目的载体。

3.层析杯制备。量取三种层析液a无水酒精、b 层析液、c水，各10ml倒入烧杯，将烧杯口用保鲜膜覆盖、扎紧。根据样品多少，在保鲜膜上开1cm的切口若干，均匀分布，不要靠近杯壁。

4.层析分离色素。将滤纸条浸入层析液中，注意滤液细线不能浸入层析液中。

（六）观察实验现象

观察烧杯中的滤纸条有什么样的变化，滤纸上色素的排列顺序如何？宽窄情况如何？说明什么问题？量取色素之间的宽窄距离，做好实验记录。由实验现象我们可以得出叶绿素中存在很多色素，哪种色素含量多叶子便会呈现什么颜色，所以，叶子会呈现出不同的颜色。秋天叶子变色是因为秋季温度低，叶绿素合成受阻，易降解，往往会呈现其他色素的颜色。

1.拓展与延伸

通过对色素的提取及对叶绿体的进一步认识，我们可以用简易的材料，如橡皮泥，来制作叶绿体模型，具体内容要求如下。

STEAM项目关于叶绿体的作品内容

（关于叶绿体模型的制作是为了给学生提供思路，向学生传递STEAM教学中的工程理念。有余力在课堂中开展，没有余力指导学生课下自己制作。）

天然植物色素是一种自然色素，无毒、低毒，绝大多数没有副作用，安全性高，对人体的多种疾病具有治疗、预防作用还有保健的功效。叶绿素分子和人体的血红蛋白分子结构十分相似，叶绿素有造血的功能。植物色素可以应用于食品加工、医疗保健、化妆品研发、染色剂研发等方面，但天然色素的理化性质限制了它的开发和利用，据了解，目前国内对天然色素的利用率极低。

课下发到学生群里与学生共享。

2.测试与评价

[设计意图] 基于STEAM教学活动的特殊性，采用这种显性收获的评价和隐性知识能力的评价来观察学生进行STEAM学习的效果。当然，这样的方式也存在一定的局限性，比如能力的增长不是一朝一夕的事情，所有的评价都是相对而言，不存在绝对性。

三、教学过程

（一）导入

PPT展示秋天的美景，万紫千红，层林尽染。秋天树叶变黄脱落，枫叶变红。

师：同学们，你印象中的秋天是什么颜色？为什么？

生：黄色，因为秋天树叶都变黄了。

生：红色，我们家附近的公园有一大片枫树，一到秋天枫叶全都变红了，我印象中的秋天是红色。

师：大家说出了秋天最大的一个变化，就是树叶的颜色，那大家有没有想过，为什么秋天树叶会变色呢？

学生思考。

师：我们今天就来解密一下树叶变色的原因。

[设计意图] 秋天树叶变色是习以为常的自然现象，但追其原因学生并不是很清楚，对生活中常见的现象会有更大的兴趣，引出主题。

（二）概念介绍及材料准备

引领学生认识植物色素，认识叶绿素的化学性质和生物功能，了解相似相溶和分离原理，即叶绿素可以分离的原因。熟悉掌握分离实验的流程，规范步骤。为学生准备好实验用的材料，以小组为单位，各小组成员要明确分工，提高效率，团结合作。

[设计意图] 提供学习支架，让学生全身心地沉浸在课堂活动中，享受活动带来的困难与快乐。同时让学生达成多学科涉猎的混合知识学习，冲破学科间的屏障，让学习知识的领域更广、更深，开拓思维。

（三）活动过程

师：植物色素分为脂溶性和水溶性，脂溶性的叶绿体色素可以溶解在有机溶剂中，主要有叶绿素、叶黄素、胡萝卜素，水溶性主要是细胞液色素，如花青素。我们今天主要提取和分离叶绿素。叶绿素是与光合作用有关的最重要的元素，它可以溶于有机溶剂，我们给大家准备了层析液应用纸层析法分离叶绿素，观察发生什么样的现象？可以与酒精、水形成对照实验。下面按照老师给出的步骤，进行第一步，制备滤液。

生：学生小组讨论分工，制备滤液，裁剪滤纸。（下图：学生活动）

师：各小组在滤纸上标注好你们的组数。滤液制备好的小组，用毛细吸管将滤液均匀地涂抹到滤纸的细线处，保持样品细密，滤液干后反复涂抹几次保证样品的数量。老师已经帮大家制备好层析液，请各小组准备三个滤纸条，派代表将带有滤液的滤纸交到老师这里。

生：在滤纸上标清组数，将滤液均匀涂在滤纸上，把滤纸条交由老师。

师：这里有三个烧杯，一个烧杯内是层析液，一个是酒精，另一个是水。我已经用薄膜将烧杯口封住，防止溶液挥发。在薄膜上切了小口，将滤纸放入烧杯内，滤液没有进入烧杯溶液中。完成较快的小组最先进行层析，已经可以观察到层析现象，请小组代表取回滤纸，测量色素间的宽窄程度。

生：小组代表取回滤纸，测量。

后完成的小组陆续将滤纸交由老师，静待观察实验现象。

[设计意图] 通过设计小小的实验活动，让学生在动手完成的过程中体会学习的乐趣，能够学习到不同领域学科间的知识，实验跨学科领域的学习，是本次STEAM教学活动设计的初衷。学生的思维不是局限与生物本学科，而是在解密秋天树叶变色的探究活动中与化学、数学、艺术等学科接触，获得不一样的学习体会，并且在最后找出探究的结论，更进一步地了解大自然的神秘，对自然充满好奇与敬畏，培养学生的探究精神。

（四）实验结果（部分小组学生作品）

实验全部完成后，只有三个小组的作品比较明显，并做好数据记录，如下表。

[设计意图] 观察实验现象可以看到，存在不同种植物色素，也就是叶子会呈现不同颜色的原因。通过分析数据可以发现，胡萝卜素是扩散速度最快、最远的，清楚地看到四种色素的排列情况。锻炼学生通过数据分析得出信息的能力。

（五）小结与评价

师：通过实验我们发现叶片中存在胡萝卜素、叶黄素、叶绿素，秋天叶片会变成不同的颜色，是因为叶绿素之外的其他色素占主导，而呈现其他色素的颜色。因为秋天温度低，叶绿素合成受阻，易降解，大部分叶绿素丧失得不到供给，秋季温差大，会促使其他色素的大量合成，往往会呈现其他色素的颜色。另外，叶子呈现不同的颜色还与自身的遗传因素、生理因素、环境条件等有关。对于实验现象比较明显，效果比较好的实验作品，请小组代表分享经验。

生：严格按照步骤，研磨充分，选取的比较常用叶片，菠菜。画滤液按照细、浓、直的要求。

[设计意图] 通过本次STEAM教学活动，学生近距离地接触色素，而不是只从课本中学习这个名词，并且亲自动手探究，明白了秋天叶子变色的原因。让学生知道生物学科并不仅仅只是停留在课本上的知识，它和我们的生活息息相关，和其他学科领域也是不可割裂的，生命科学的领域很广泛，对人类生产生活的影响也是不可估量的。作品的评价让学生发挥自主意识，充分表现自己的审美价值观，锻炼自己的判断能力，同时也能检测学生课堂学习的程度。

（六）作业布置

师：如果你对植物色素及其开发感兴趣，不妨课下多查阅资料，了解更多植物色素的萃取和开发的内容。我们生活的这个年代，生活节奏越来越快，信息网络也非常地发达，各种形形色色的食品，各种各样的色素，对人体的健康存在着各种隐形的威胁。因此，天然色素的开发是具有一定意义的。

[设计意图] 促进学生的学习向课外延伸，促使学生将知识内化，并能实现能力的迁移。

STEAM视域下工程项目学习活动设计^[3]——以“模型赛车的设计”为例

朱素素

一、课程概述

本研究选择了“模型赛车的设计”作为工程项目，赛车是学生在生活中非常感兴趣的玩具，贴近学生真实的生活情景，能激发学生的学习积极性。项目实施对象是小学五年级学生，项目实施时间总计5—6 个小时，4 人一组。

二、教学目标

教学目标设定如下表所示，体现了多门学科相关知识和技能的要求，旨在培养学生的实践能力、思维能力和创新能力。

三、教学过程

（一）提出工程项目

提出项目：学校要组织学生去某品牌汽车公司参观，有很多学生踊跃报名参加，由于名额有限，学校只能筛选一部分学生去参加。为了挑选真正对汽车感兴趣的学生，报名的学生要求提交一份模型赛车的设计方案，并且制造出模型赛车，模型赛车的要求是使用小电动机作为动力，车速达到5km/h，车型设计要有美感。

问题确定和整理：为解决项目，明确需要解决的问题。教师可以帮助学生从以下方面分析并提出问题：为了完成这个项目，我们需要什么样的背景知识？你能使用哪些材料来制造模型赛车？模型赛车要有哪些设计要求（ 材料、预算、外型等）？我们将如何评价设计方案和模型是否满足项目要求？对学生小组提出的问题进行全班交流，并对这些问题进行整理归纳，分为科学、技术、工程、艺术、数学五个方面的问题。

（二）学习科学知识

根据完成这一工程项目必须解决的问题，设计了一系列的探究活动，促进学生对学科概念的内化，为解决工程项目做好先前知识的储备。

探究电动机原理：制造电动模型赛车必须了解电动机的原理，要求学生观察电动机的内部结构。探究齿轮：齿轮装置是电动机带动模型赛车转动需要的传动装置，要求学生观察齿轮的转动设置，会计算车轴和电动机上的齿轮数量比对车速的影响。探究模型赛车测速：要求学生确定模型赛车车速的测定方案。探究车身设计：要求学生设计模型赛车零件整体布局和外型。

（三）工程作品制作

活动一：设计模型。学生设计模型赛车，在设计图纸上用尺子和铅笔作图，并标注每一个使用的零件的尺寸大小，同时根据教师提供的材料的价目表计算赛车的造价（硬纸板-1 元/张，电动机-1 元/个，大齿轮-1 元/个，小齿轮-1 元/个，冰条棒-5角/条，电池-2 元/个，车轴-5 角/根，电池盒-1 元/个），控制自己的工程制造的成本。活动二：构建模型。根据模型的设计图，利用教师提供的材料制作完成模型赛车。活动三：检测收集。在单轨道上测试模型赛车能否启动，并在启动后测试速度，收集相关测试数据，针对出现的问题进行改进。活动四：分析交流。各个小组的模型赛车展示交流，相互学习优点，学生再次修改设计图，并测试模型赛车。四个环节可以一直循环，直至学生对模型赛车作品满意为止。

四、STEAM技能评价

STEAM技能的评价以小组的形式进行，评价围绕着整个学习过程，不拘泥于结果性评价，而是进行多元的过程性评价。学生开始工程项目之前给学生提供以下评价表（表2），评价贯穿整个探究活动，有利于学生随时调整自己的工程方案。以下四项累计加分，满分为16 分。

五、教学反思

（一）STEAM视域下工程项目学习活动提升了学生工程和艺术设计能力

STEAM视域下学生开展了跨学科整合学习，工程项目中模型赛车的设计图的绘制是后续工程制作作品的蓝图，是学生修正优化模型赛车作品的思维记录，显得尤为重要。学生能利用学习到的相关学科知识，同时结合教师提供的工程材料的特点，进行车身主体结构设计。教师同时要对设计图的绘制进行规范，包括绘图工具，绘制尺寸比例等。通过教学教师发现，在具备了跨学科的知识能力后，学生的工程和艺术设计能力得到了很大的提升，模型赛车的设计图能清晰表达学生的创想。

（二）STEAM视域下工程项目学习活动提升了学生问题解决和实践应用能力

设计模型赛车是一个富有挑战性的项目，不仅要设计得合理富有美感，还要解决在项目中碰到的一系列问题。学生在检测模型赛车时发现了很多问题，各小组积极协作讨论解决问题，改进模型赛车以便模型车更合理，从而提升了问题解决能力。在跨学科学习过程中，学生将学科知识综合运用在模型赛车上，如电动机的应用、齿轮的传动等在模型赛车上的运用，因此，在知识的实践过程中提升了学生的实践应用能力。

（三）STEAM视域下工程项目学习活动提高了学生批判性思维和创新思维

探究模型赛车的制作原理，设计、制作和检测模型赛车是一个持续性的过程，对于模型赛车制作过程中的特定问题的解决方式，学生会进行预判和调整，发展了批判性思维。在学生讨论质疑、设计制作、测试再修改的循环过程中，创新思维不断提高，知识在实践中内化，学生个人活动向小组协作转变。STEAM技能的建构是一个学生认知不断加深的过程，在项目学习过程中，教师要整合优化课程结构，探索知识在实践中应用的优化途径，发展学生进行问题解决的STEAM技能。

基于“送餐机器人”的STEAM单元教学任务设计^[4]

张凯敏 李逍逍 林 苑

一、STEAM教学任务设计理念

本课例的任务设计基于STEAM的S（Science）、T（Technology）、E（Engineering）、A（Art）、M（Mathematics）五大元素。七年级下册的《信息技术》探究实验“制作循迹机器人”内容趣味性大，课程改造性强，可将其改造为基于STEAM教学任务设计的课程内容。如何让“送餐机器人”沿着送餐轨迹行走，选择什么类型的传感器，如何编写程序，如何搭建模型，这些都是基于真实问题解决的探究学习、基于设计的学习，强调发展学生的设计能力与问题解决能力，最后以项目式的学习方式展开学习，并和美国的4C核心素养紧密联系。所谓的4C，是指在21世纪学习框架中，人才培养的18 条要素金字塔中4C核心素养是位居金字塔的顶端（沟通交流Communication、合作协作Collaboration、判断性思维与问题解决能力Critical Thinking&problem Solving、创造创新Creativity）。本课例基于项目式的学习的最终产品，是为解决机器人送餐问题设计出的方案，在获得最终产品后，举办产品报告会等交流会，在提出问题、设计方案、制作改进、总结分享的过程中既融合了STEAM学习的元素又体现了4C素养的渗透。

本案例的学习运用了“以学生为中心”和“动手做”的教学方式，学生所获得的知识取决于学生在头脑中构建有关知识的能力，而不取决于教师讲授了多少和学生本身记忆了多少，这与传统的以教师主讲的教学形式大相径庭。

二、基于“送餐机器人”的STEAM单元教学任务设计

本课例的任务设计分为初识传感器任务、分析程序逻辑任务、搭建模块任务、实地仿真任务、展示分享任务五大模块。认识轨迹传感器是首要任务，也是送餐机器人沿轨迹行走的关键；逻辑分析则是帮助学生理清机器人行走的逻辑，如何行走才不会脱离轨迹，不同的路口采取不同的操作；模块搭建则是将理论与实际结合，将理想的解决方案通过现实的操作整合成一个真正的作品；实地仿真则是对解决方案的优化与升级；最后的分享展示是让学生通过书面或口头表达的方式，把学习过程说出来。

每个任务的设计都以学科整合的教学方式让学生掌握知识与技能，进行灵活迁移应用、解决实际问题，重点培养学生的科学素养、创新思维和实践能力。

三、完成送餐机器人路径识别的配件

以诺宝RC编程软件、微电脑为控制核心，完成送餐机器人路径识别的相关配件有轨迹识别传感器、高速电机、LED显示器等，其中以轨迹识别传感器为主。轨迹识别传感器具有识别轨迹的功能，它包括光电发射管、光电接收管、可调电阻三个组成部分。轨迹识别传感器属于数字传感器，它的返回值有1 和0，当轨迹变量等于0 时表示没有检测到轨迹；当轨迹变量等于1 时表示检测到轨迹。

当轨迹识别传感器看到轨迹线是白色的时候，光电发射管发射出来的红外光大部分会被反射回光电接收管中；如果看到的轨迹线是黑色的，那么光电发射管发射出来的红外光只有少部分被反射回光电接收管，微电脑通过光电接收管接收到的光线的多和少来确定轨迹识别传感器看到的颜色（如图1）。

四、送餐机器人的程序逻辑

送餐机器人必须要沿着事先设定的轨迹线才能准确完成送餐任务，但是什么时候该直行，什么时候要转弯，什么时候要停止呢？首先要不停让轨迹识别传感器进行探测，然后根据探测的返回值，判断机器人所处的状态是在轨迹上还是轨迹线左右的边缘上，还是到达了终点，从而决定机器人应该执行的动作，并确定具体的指令。

此环节的任务是教师与学生分析送餐机器人与轨迹的四种位置关系（如图2），并制作送餐机器人位置判断任务单让学生根据自己的判断填写。

各小组完成送餐机器人位置判断任务单后，选择相应的程序结构方案，在下面的方框处画出流程图（如图3）。

此环节的任务设计体现了STEAM任务设计中的信息技术的程序设计思想和数学的逻辑思维。送餐机器人能够准确送达菜品的秘密原来和地面的黑线有关。在了解了“送餐机器人”是根据轨迹识别传感器的反馈信息进行路径识别的原理之后，引导学生了解STEAM学习模式，小组进行“头脑风暴”，讨论和分析机器人与轨迹线的位置情况，并完成送餐机器人位置判断任务单、程序结构流程图，为下一步编写程序，选择相应的流程结构做准备。

五、送餐机器人的搭建与仿真

（一）实验材料

以小组为单位领取诺宝教学套具，选择相应的传感器、输出设备，设计外形美观、功能与外形匹配、操作简易、实验误差小的送餐机器人。

此环节充分体现出了STEAM任务设计中的工程设计思想和美学思想，最大程度让学生设计、搭建机器人的外观，如何选择最轻便简易的搭件减轻机器人的“负担”，让机器人跑得快，同时实现所对应的功能，非常考验团队合作的默契和美学功底。

（二）搭建技巧

1.轨迹识别传感器通常安装在万向轮的左右两侧，轨迹传感器距离地面8-10mm之间，添加单向转接板作为中间桥梁进行连接。

2.万向轮的搭建根据所选的配件不同，有不同的组合方式。

（三）实地仿真

当完成了程序编写部分，接下来便是实地仿真了（如图4）。这个过程中大部分同学都不是很顺利，那是因为现实仿真中会出现很多来自设备或者环境因素的干扰。

要注意避免明亮光线直射或斜射，尽量使用室内光源；调节可调电阻时，顺时针旋转微调，动作要轻；实体机器人接线要与程序中设置的端口一致。

此时教师可以向学生展示其中一种问题的解决步骤，如转弯时毫无反应，机器人直接偏离轨迹，那么则需要调整传感器的灵敏度。

其他的情况则可以为学生提供问题自查表，让学生可以根据实际的测试情况对照问题自查表，找到相应的解决方法，教师在小组之间进行巡视、辅导。此环节的任务设计要求学习小组学会排查各种“突发”状况，及时修改设计方案。课程最后一部分为小组研讨，让学生通过观摩其他小组的展示，做进一步思考，对本组的机器人提出改进方向，进一步提高学习效果。

六、结语

本课程通过让学生了解送餐机器人的工作原理并动手设计、搭建，习得工程领域中设计、编程、测试、修改的重要性，学会像工程师一样去思考。因为在实际条件下，工程师会面临设计与测试结果不一致的情况，需要根据实际情况进行不断地修改和反复调试，这种刻苦钻研、不断探索的学习方式可以培养学生的科学家思维，把这种习惯带到日常的学习生活中有助于学生在学习上精益求精。

机器人校本课程基于STEAM任务设计理念展开，鼓励学生通过尽可能真实的实践去探索和解决问题。STEAM教学在引导学生自主探索以及提升学生想象力的过程中，遵循以探究为基础，以学生为中心的教学方法。通过学科交叉渗透让学生在合作探究中提升能力。在教学实施过程中，学生在探究过程中打破学科界限，充分运用所学知识，体验成功的乐趣，同时为进一步提升合作能力奠定坚实的基础。

基于3D打印技术的STEAM综合实践活动教学设计^[5]

王杰宇

以基于3D打印技术的STEAM综合实践活动“设计与制作印章”为例，重点介绍该课程的教学流程设计及实施过程，以期对学校综合实践课程的开展提供一定的启示与借鉴。

一、教学基础分析

“设计与制作印章”这一主题活动是针对八年级的学生设计的，因为综合实践活动教师团队的特殊性，在制订教学目标时，既要做好学情与学习基础分析，又要考虑教师教学水平。其一，就学情来说，本课程教学对象是八年级学生，他们思维能力发展较快，已经适应由小学到中学的转变，经过一年中学课程理念的熏陶，已经有了初步的自主学习与合作探究能力。其二，在学习基础方面，因为综合实践活动本身就是一个学习的过程，学生在课程中系统学习3D打印技术是有保障的。其三，在师资方面，教师因未经过系统与专业培养，综合实践活动教师普遍为兼职，教学水平参差不齐。本课程的教学目标设计应根据教师自身情况与水平选择逐步开展或者拓展发挥，从而顺利开展活动达成教学目标。

二、教学目标的设定

旨在培养学生实践能力、协作能力和集体荣誉感，通过分析学情及学习基础，笔者将“设计与制作印章”这一主题活动的教学目标设计为：掌握印章中字的几何特征，并应用3D建模软件制作文字的3D模型；通过3D建模软件中图形的运算，将文字的3D模型与印章的外型3D模型合成为阳文印章和阴文印章；通过3D打印方式分别制作一枚阳文印章和一枚阴文印章；学会处理打印好的印章；掌握印制内容为图案的印章制作方法。教师用三个课时循序渐进实施教学，引导学生进行小组协作、动手操作、评价与改进，促进学生创新设计、团队协作等素养的培养。具体教学内容与目标如下。

第一课时：（1）了解印章的历史及印章种类。（2）掌握印章中字的几何特征。（3）活动一：学生应用相关软件完成3D建模并尝试打印3D文字。

第二课时：（1）活动二：组合、设计印章的3D模型，包括阳文与阴文。（2）活动三：打印制作印章。（3）处理打印好的印章。

第三课时：（1）掌握利用建模软件将平面图案转化为3D图形的方法。（2）拓展活动：打印一枚图案印章。（3）完成学习评价。

三、教学流程设计及要点

新课程标准积极倡导“自主、合作、探究”的学习方式，综合实践活动作为一门注重动手、注重参与的新型学科，在教学过程中教师更应该最大限度地提高学生学习的参与度。基于综合实践活动的课程特点和3D打印技术的教学应用条件，在课程设计尚未成熟的初期实施阶段宜采用“主题引入—知识探究—合作动手—综合评价—拓展学习”的教学流程开展教学。

教师在教学流程实施过程中应该注意以下一些容易忽视的问题。其一，在本综合实践活动课程中，STEAM学习中的“A”不再局限为“艺术”，笔者创造性地将其扩展为中国优秀传统文化和我国现代科技成就等内容，如此不仅有利于落实“立德树人”的教育根本任务，而且有助于提升学生在国家认同、社会责任、人文底蕴、科学精神等方面的素养。教师可在主题引入和知识探究等环节呈现与展开相关内容。其二，在知识探究环节教师可以通过“问题串”让学生深度参与。“问题串”的设置与解答能“帮助学生深入知识内核，培育学生的问题意识，提高学生思维参与的深度、效度和广度，成为学生思维训练的梯子”。其三，教师在合作动手环节不仅要着重培养学生动手能力，而且要想方设法提高学生课堂学习的参与度。其四，本课程的综合评价包括自评、他评、互评，力争全面、准确。其五，拓展学习环节的设置，不仅保证了教学的完整性，而且为学生将不同的设计实现“物化”提供了可能，同时也是针对3D打印耗时较长这一弊端提出的。

四、教学过程实践

“设计与制作印章”这一主题活动分三个课时完成，笔者主要以第一课时的教学和实践为例对基于3D打印技术的STEAM综合实践活动教学做具体介绍。本课时的教学过程除了“导入”与“结束”外，中间核心环节有四个（如图1）。

（一）导入环节

生动有趣的导入往往是一堂高质量课的开端，教师通过实物展示引出主题“印章”，同时通过导入让学生学习印章的历史、用途及简单分类等中国传统文化知识。随着时间的推移，印章的用途不断发生着变化，“古玺”“秦印”“官印”“私印”等在不同时期都有不同的作用。从功能方面看，当初印章仅有实用价值，后来许多印章兼具实用价值和艺术价值。最后，引导学生关注“私人印章”，提出本单元的主题——设计和制作印章。

（二）教学与实践环节

教学环节由四部分组成。教师引导学生学习“镜像文字”与“阴阳文”等知识后实现印章文字的3D化并完成3D文字的建模。通过循序渐进的学习，激发学生学习兴趣，为第二、三课时的学习与实践打好基础。

第一个环节是引导学生认识印章中字的几何特征，将准备好的用于观察的印章分发到各组，通过一系列的问题引发学生思考、发现印章文字的镜面对称特征。“当我们将印面朝上时观察到印面上的文字与我们平时书写的文字一样吗？”（不一样）“如果不一样，哪里不一样？”（文字方向）“这样的区别，在生活中见过吗？”（镜面、水面映象）“我们之前有没有学过类似的知识呢？”（数学中的对称）“如何实现这种不同呢？”（镜面翻转）。

第二个环节是学习印章雕刻中“阴文”与“阳文”，教师从镜面文字的雕刻方式引出所学内容。学生经过简单的知识学习之后就可以进入知识学习与动手实践相结合的重要环节，后面的两个环节需要学生使用建模软件操作完成学习，并尝试将设计好的3D模型进行打印。

第三个环节是实现文字的3D化，也是学生使用3D打印机完成印章打印任务的关键环节。教师通过建模软件让学生导入一个简单图形（圆形或方形等），在软件中给这个简单二维平面图形设置一个高度值就可以得到一个三维图形。学生在软件中输入自己喜欢的文字，并为文字设置一个高度值就得到一个文字的3D模型了。

第四个教学环节是完成3D建模并尝试打印。教师引导学生在软件中输入文字，比如学生的姓名，添加后设置一个高度值得到一个名字的正向3D模型，然后通过“镜像翻转”得到镜像文字模型，最后将做好的3D模型导出并打印。(www.daowen.com)

（三）结束部分

第一课时的结束部分主要是知识练习和关于3D打印建模的注意事项与课后练习的布置。其一，巩固镜面翻转知识；其二，提醒学生3D打印建模时要注意文字笔画的宽度的设置标准，如果笔画设置过细容易造成打印效果不佳；其三，要求学生在课后进行不同文字的建模练习以及不同方向的文字翻转，探索更多的建模样式等。

五、第二、三课时教学活动的设置

教师开展第二、三课时教学活动，着重发展学生的动手能力与小组协作能力。通过第二课时的教学，让学生完成印章底座与文字的不同组合（阳文、阴文），正向名字与镜像名字印章的3D建模，添加处理支撑材料等任务，最终设计完成一个属于学生私人印章并使用3D打印机实施打印。此外，教师要指导学生学习处理打印好的印章并提供印泥让学生试用印章；评价成品是否符合教学的预期与要求，引导学生改进作品。第三课时教学内容主要是开展拓展活动并对学生学习进行评价，引导学生在文字模型的基础上学会利用图案进行3D建模并尝试使用3D打印机制作一枚内容为图案的印章。

本活动教学中运用自测题目、自我评价、组间互评三种方式展开评价：自测题目用于检验学生对“镜像”原理应用是否掌握；自我评价不仅要评价学生制作印章的掌握程度，而且要求学生不断改进提升；组间互评调动了积极性，也增强了学生的集体荣誉感。

流光溢彩话说灯——基于STEAM理念的活动课教学设计

一、教学内容分析

灯是人类征服黑夜的一大发明。电灯的发明，又是人类照明告别传统、走向现代的标志和转折点。那么，灯是怎样亮起来的？灯有哪些历史、特点、种类……以后又将变成什么样子呢？鉴于此，设计了该课题。

整个活动，紧扣“实践”，并把相关学科（数学、科学、语文、信息技术、历史等）融入其中，让学生学会用自己的感官去感受事物，在了解灯的历史的过程中提高自己的自主探究、协作、创新、实践等的能力。

活动前通过欣赏有关各种图片视频激发学生的探究欲望；然后组织学生通过上网查找资料、到博物馆参观等活动，让学生亲自去调查、收集灯的历史资料和故事，了解它的图片、年代、产生的背景、具有的结构、蕴含的科学道理、在生活中的作用、灯发光的原理、智能灯的制作等，使他们在实践中获取知识，以便在课堂上汇报交流；最后通过拓展与创新，让学生结合经验，想想或创作现实或未来中具有环保意识的灯。

二、教学目标

（一）知识方面

1.通过登陆相关网站，查阅相关报纸、杂志，以及调查、采访、拍摄，使学生收集灯的历史资料和故事，了解它们的图片、年代，产生的背景、具有的结构、蕴含的科学道理、在生活中的作用以及给我们的启示。

2.通过校外调查，了解国内外灯具的种类及使用情况。

3.通过课上讲解和亲自试验，了解灯发光的原理。

4.通过对单片机进行编程，了解现代的灯如何实现自动化、智能化。

5.小组合作研究制作新型环保灯具。

（二）能力方面

1.培养学生运用调查、访问获取信息的能力。

2.培养学生通过查阅相关资料、利用互联网等手段收集、分析、处理信息和数据的能力；培养学生观察、实验、动手创新的能力。

3.培养学生撰写调查报告、实验报告及观察记录、访谈记录的能力。

4.培养学生在实践中的团队合作能力和人际交往能力。

5.培养学生利用现代工具解决新问题的能力。

6.培养学生的创新能力。

（三）情感方面

1.通过这一主题研究激发学生探究欲望、兴趣以及培养环境保护意识，同时在研究实践中培养学生良好的科学态度和坚韧的科学精神。

2.在师生共同活动的过程中，增强集体凝聚力、向心力。

三、教学重难点

（一）教学重点

1.通过登陆相关网站、查阅相关报纸、杂志以及调查、采访、拍摄使学生收集灯的历史资料和故事，了解它们的图片、年代、产生的背景、结构、蕴含的科学道理、在生活中的作用以及给我们的启示。

2.通过课上讲解和亲自试验，了解灯发光的原理。

3.通过对单片机进行编程，了解现代的灯如何实现自动化、智能化。

4.小组合作研究制作新型环保灯具。

（二）教学难点

1.研究制作新型环保灯具。

2.学生集体凝聚力、向心力的增强。

3.学生协作意识、环保意识的增强。

4.学生搜集处理信息的能力的提高。

5.学生创新能力的提高。

四、学习者特征分析

1.学习的特点。小学四年级的学生已初步形成了一定的学习态度，开始认识到学习是一种义务，出现了意识较强的学习动机。

2.认知的发展。在注意方面，学生的有意注意逐步发展并占主导地位，注意的集中性、稳定性、注意广度、注意的分配、转移等方面都较低年级学生有不同程度的发展。在记忆方面，有意记忆逐步发展并占主导地位，抽象记忆有所发展，但具体形象记忆的作用仍非常明显。在思维方面，学生逐步学会分出概念中本质与非本质，主要与次要的内容，学会掌握初步的科学定义，学会独立进行逻辑论证，但他们的思维活动仍然具有很大成分的具体形象色彩。在想象方面，学生想象的有意性迅速增长并逐渐符合客观现实，同时创造性成分日益增多。

3.情意的发展。小学四年级的学生在意志方面，自觉性、果断性、自制性、坚持性有一定发展，但不显著。

4.个性的发展。四年级学生的自我意识逐步深刻，渐渐摆脱对外部控制的依赖，逐渐形成了内化的行为准则作为监督、调节、控制自己的行为的依据，而且开始从对自己表面行为的认识、评价转向对自己内部品质的更深入的评价。

五、教学模式与教学策略

鉴于学生的认知及学习特点，在整个教学活动中，以学生的实践为主，学生通过亲身感受对本课的认知会更加深入。通过欣赏有关各种图片视频，激发学生的探究欲望。学生通过上网查找资料，到博物馆参观等活动，进一步了解灯的相关知识，比如历史、原理等。最后学生利用所学知识，制作自己心目中的灯，达到学有所用、独立创新的目的。

六、教学环境及资源（媒体）

1.学生通过网络搜索关于灯的历史、原理的资源，并学习。

2.学生通过到博物馆参观了解古代灯的相关知识，特别是长信宫灯的原理及相关部件。

七、教学过程

（一）展示（1 课时）

出示幻灯片，并提问：你见过哪些灯？给大家介绍一下你是在什么地方见到的？

灯是人类征服黑夜的一大发明。电灯的发明，又是人类照明告别传统、走向现代的标志和转折点。那么关于灯，你都知道些什么？

通过学生的回答，引出关于灯的任务：

1.古代人用什么来照明？什么时候开始有的灯？

2.国内外的灯具有哪些种类，代表性的灯是什么？

3.灯的发展史是怎样的？有哪些有趣的小故事？

4.灯泡为什么能发光？它的灯丝是用什么材料制成的？

5.特殊环境的灯有哪些特殊之处？

6.智能灯是如何实现的？

（通过相关资料的展示，引出本节课的任务）

（二）分析、设计（1 课时）

教师：将学生分为六组，针对各自的任务，分别进行讨论。（在此环节中，教师要注重指导学生，组内成员要充分协调，让学生根据各自的特点、各自的家庭情况负责相关的事情，扬其所长、避其所短。教师可以提供一些搜集、记录信息的小方法，便于学生使用。提醒学生在向别人请教时，要注意说话的语气，要有礼貌，要虚心，将记录记全面，记清楚，提前将问题的提纲列好，以节省对方的时间。）

学生：各小组交流、汇报，然后师生一起筛选、归纳、确定各组的最佳问题。

各小组商量活动任务、活动方式、活动地点、活动步骤与时间安排，并确立组内成员的分工。

第一组：通过上网、阅读相关图书查阅资料，将资料制作成ppt展示古代人用什么来照明？什么时候开始有的灯？并根据资料设计制作第一盏灯的模型，找寻相关材料。

第二组：通过查阅资料，将资料制作成ppt国内外的灯具有哪些种类，代表性的灯是什么？根据资料将有代表性的灯的模型设计出来，根据现有的材料（纸张、彩泥、泡沫等）进行设计制作。

第三组：学生找寻灯的发展史和相关故事的资料，借助于Arduino板、LED灯和录放模块等设备，将相关资料制作成一个线性的灯的历史的介绍。

第四组：找寻灯泡发光的原理，通过电池、电线、开关等的电路连接，了解相关知识，将所学知识点用宣传板进行展示。

第五组：找寻特殊灯的用处，比如医院的无影灯、马路上的信号灯……根据资料，尝试制作一种，用Arduion 板、LED灯、相关材料进行制作、模拟。

第六组：智能灯的实现和应用。主要通过编程、Arduion 板、LED灯等实现特殊场景的智能灯给人们带来的便利。

经过设计后展示研究方案。

（教师引导学生学会设计，及引导学生学会分析问题的环节）

（三）制作（1 课时）

教师引导学生根据研究主题，分别进行制作。教师主要进行个别指导，针对不同学生的具体问题，进行辅导。

各小组根据设计的方案进行制作，以学生动手操作为主。

（前期计划得好，这一环节会进行较顺利，各个组可以根据各自的特点实施相应计划）

（四）汇报（1 课时）

教师引导学生展示相应的调查成果，并给予相应的指导、评价。

评价方案主要从设计书、作品的外形、功能，整体效果、小组合作几个方面进行评价。

【评价方案】

A：设计书完整，小组成员分工明确，制作过程和谐，团结。

作品美观、能很好地说明主题、展示环节的内容完整。

B：设计书基本完整，小组成员分工基本明确，组内基本团结，作品基本美观，能较好地体现主题，展示环节较完整。

C：设计书不完整，小组成员分工不明确，组内有纠纷，作品完整，能较好地体现主题，但是不太美观，展示环节较完整。

生：按照评价方案，各组学生进行展示、评价。

1.组内交流总结。

2.设计展示结果。

3.全班交流展示。

（通过交流展示，学生的表现力会得到一定的提升，学生的团队合作能力得到增强）

（五）拓展（1 课时）

引导学生奇思妙想，设计自己的灯。通过设计意图、设计图纸、展示等方面进行设计。

通过评价方案进行评价：

A：设计书完整，小组成员分工明确，制作过程和谐，团结。

作品美观、有创意，展示环节内容完整。

B：设计书基本完整，小组成员分工基本明确，组内基本团结，作品完整，展示环节较完整。

C：设计书完整，小组成员分工基本明确，作品完整，但是创意略显不足，展示环节完整。

学生会利用电池、电线、Arduino板、各类耗材（黏土、纸板、彩纸、扭扭棒灯）制作心目中的灯。建议学生通过灯的外形、功能等方面对灯进行创意制作。

（学生通过设计制作灯，将所学应用到实际生活中学以致用，提高创新能力和动手能力）

（六）总结评价

教师根据全班学生的整体进行评价，包括优点和需要改进的方面。各小组学生派代表发言，展示小组收获。

（通过合作、制作、交流、展示，学生的设计能力、表达能力、创新能力都会有一定提升）

造一座纸桥——基于STEAM理念的教学设计

本次STEAM教育实践选自高中《通用技术》课程必修一第一单元《结构与设计》第四节《纸桥的设计》，将STEAM教育跨学科融合的理念融入课堂，科学（S）解释“是什么”“为什么”的问题，即建造什么结构的桥稳定性更高；技术（T）与工程（E）用来在科学知识的指导下改造世界，即在回答制作纸桥的实践中具体应该“怎样做”“做什么”的问题；艺术（A）则通过艺术的渗透，被用来满足审美需求，回答怎样做纸桥更美观的问题；数学（M）作为基础学科，是其他四门学科实现跨学科知识融合的基石。在不断地探索与实践中让学生掌握设计一座纸桥的注意事项，在小组合作中让学生体验将创意变为作品的成就感，增强学习体验，在互帮互助、共同进步的学习氛围中发展学生的核心素养。

一、明确课程主题和目标

通过情景设置和导入，明确本节课教学任务。教师介绍“魁北克大桥坍塌”例子，提醒学生设计纸桥时要注意对关键部位进行加固处理；且作为设计师要有高度责任感，发展学生社会参与方面的核心素养。学生在探究过程中理解影响结构稳定性的因素，并通过小组合作与动手实践，制作出外表美观大方、稳定性强、承重效果良好的纸桥。

二、教学活动

（一）准备阶段：复习旧知、资源选择

教师引导学生复习前几课学习的关于结构稳定性方面的知识。包括：①不同结构所受到的力不同，稳定性也不同；②影响结构稳定性的因素；③结构的受力分析方法。教师播放微视频，给学生介绍桥的类型、历史以及构造。学生要考虑用什么知识（S）以及设备（T）完成设计任务。准备阶段的实质是根据STEAM教育活动主题，完成相关知识、素材与工具准备。该阶段最好由学生独立完成，教师适当引导，帮助学生在学会应用所学知识的基础上发展独立思考、选择资源工具与解决问题的能力。

（二）实施阶段：自主探究、完成设计

实施阶段学生以小组合作形式思考用已经准备好的知识（S）和设备（T）做什么？也就是考虑要怎么将科学知识与技术应用于项目活动，预期达到的效果。学生通过动手实践，完善知识体系，培养知识应用能力以及探究创新能力。

活动1：探究不同类型桥的稳定性

（1）教师引导学生利用卡纸制作三种类型的简易纸桥（梁、深梁和拱桥），并让学生自主设计测试每一种类型的桥，进行牢固性试验。

（2）学生明确测试的自变量（测试桥的结构），控制无关变量（桥的长度、跨度），掌握科学的实验方法，对实验过程做好记录。

（3）学生分别对三种类型桥的受力进行分析，通过分析受力选择所要设计纸桥的结构。

活动2：纸桥的设计与制造

（1）设计桥模型：小组成员头脑风暴，综合考虑稳定性、承重性、构件连接方式、美观性等方面设计纸桥模型，并画出设计图纸，在图中标出每部分所用的材料，在不断地设计与改进过程中发展审美情趣与艺术素养。

（2）制作纸桥：学生综合运用科学、技术、工程、艺术和数学等知识建造纸桥，教师对制作过程进行指导，学生记录制作过程中遇到的困惑与经验，以便后续交流反思。

（三）改进阶段：自主测试、改进完善

改进阶段学生要进行桥模型稳定性及承重测试，小组成员探讨改善桥设计，建立新的模型并再测试，通过循环反复的测试、改进，提高学生的问题解决能力及交流合作能力，增强学习体验，培养批判能力和创新能力。

（四）反思阶段：知识巩固、完善认知

反思阶段学生总结学习活动全过程，讨论工程设计的过程，展示作品，并在小组间交流反思，应用了哪些技术？设计的纸桥是否符合审美要求？通过借鉴其他小组分享的经验思考在哪里能进一步改善纸桥？学生在不断反思中巩固学到的知识，完善认知结构，培养批判性思维，正确认识自己，实现自我管理。

（五）评价阶段

评价主要以过程性评价和总结性评价为主，包括教师评价、学生互评和自评。教师评价就是教师对全体学生课上表现进行评价，评估学生的问题解决能力、创新能力、参与度。具体可采用记录过程表、随堂测验等方式。学生互评包括小组成员内部评价和组间评价。学生根据实际情况填写小组成员参与度评价表及对其他小组作品的评价表。自评主要是学生对自己在课程学习中的表现进行反思，正确认识自己，在反思中寻求进步。

隐藏自己，保护色与仿生应用——基于STEAM理念的教学设计

袁野 何友明 敖昕

一、课程背景与目标

有三种常见的生物对环境的适应方式：保护色、拟态和警戒色。保护色指动物具有与环境色彩相似的体色；拟态是外表形状与其他生物或非生物非常相似；警戒色指具有报复攻击能力的动物，长着刺眼的体色，对天敌有警戒作用。对于小学中段，并不需要学生们对三种方式进行掌握，但是可以通过实验来对保护色的成因、在生物进化过程中这种能力的重要意义以及它是如何起到作用的等方面加深理解，形成自己的认识而不仅仅是机械记忆。通过设想并动手制作一种适合某生物生存的环境，学生们会深刻感受到自然界的神奇之处，并在课程中学习尝试制作生物习性研究报告，初步感受科学性研究报告的撰写过程。

二、课程领域

科学、生物、艺术、工程

三、建议年级

小学三年级

四、建议时间

40 分钟

五、材料

画图工具如彩色笔等；毛根；绘图纸；棉花球；手工棒；胶水；剪刀；纸盒；小石子；树叶；棍子或树枝；胶带

六、课程任务

教师向学生介绍，生物是如何通过各种手段在弱肉强食的大自然中保护自己的。人类也常常从各种生物中汲取灵感，例如说，迷彩服的灵感就是从动物的保护色中取得的。通过在环境中找动物、迷彩服和环境连线两个活动，进一步加深学生对“保护色”概念的理解。最后，将学生分为小组，给每个小组指定一种动物，要求学生们通过手中的材料给这种动物设想一种适合于它生存的环境，并完成项目。

七、教学过程

（一）激趣：神奇动物在哪里（3 分钟）

1.同学们，观察这张图片，你看到了什么？（树干、树纹）

2.其实图片里藏着一只动物呢，再次仔细观察图片，把它找出来吧！

3.这里还有一张图片，再来找一找吧。

4.我们今天这节课的主题就叫做《隐藏自己》。

（二）分析：什么是保护色（3 分钟）

1.观察图片的这只树蛙，他是怎么隐藏自己的？

动植物体表的颜色与周围环境颜色相似，这种颜色叫保护色。

2.你们还知道哪些动物身上有保护色？

老师为同学们做了一个微课，一起来看看有保护色的动物们吧！

（三）设计：探究式《我来帮“你”隐身》（10 分钟）

因为听说我们班的同学们特别聪明，今天动物园里的饲养员纷纷来向你们求助了。是什么事呢？原来动物园里新来了一批动物，需要给它们设计修建居住的地方。让你们来帮动物们设计居住的环境、隐藏自己、保护自己。你们愿意帮助他们吗？

好，现在《我来帮“你”隐身》项目就正式立项了。本项目需要分为6 个步骤完成，请6 个小朋友分别来读一读。

同学们，你们清楚了吗？

1.我们首先完成第一步“小组分工”，大家注意根据自己擅长的方面来进行分工，并把它写在项目学习任务单上。

2.这是本项目的评价量规，大家快速地了解一下。

3.现在请项目经理上来选取动物模型。

4.小组根据选取的动物模型，了解动物的生活习性并完成设计方案，并填写在项目学习任务单上。

5.设计完成后，小组内讨论交流并修改设计方案。

6.最终设计方案确定了的小组举手示意老师，采购员上来采购小组所需材料。

（四）制作（8 分钟）

领取材料后，小组就可以开始施工了！教师巡回指导，从孩子的角度提出易于理解、便于操作、专业性的改进建议。

（五）汇报：展示与分享（12 分钟）

1.每个小组2 分钟的时间，展示汇报本组作品和设计方案。

2.评星：各小组根据评价量规自评、他评。

（六）拓展（3 分钟）

拓展活动：《迷彩服连连看》

人类很善于向动物们学习，根据保护色的这一特性，人类研制出了迷彩服，迷彩服是一种利用颜色色块使士兵形体融汇于背景色的伪装性军服。

1.这里就是三种不同的迷彩服，哪件迷彩服是用于哪个环境当中的。

2.为什么要这么连线？

3.我们来看看士兵们穿上迷彩服之后的效果。

（七）总结（1 分钟）

下课后，请大家将此次活动中的困难和问题记录在学习单中，并提出进一步的修改方案，完善作品。

通过本节课的学习，我们了解了什么是保护色。根据动物自身的特点，通过想像并动手制作适合某种动物生存的环境，深刻感受自然界的神奇之处。老师更希望通过今天这一节课的学习，同学们能学会尊重生命及保护环境，让我们在生活中也一起为动物王国的动物们创造出一个适合它们生存的生活环境。

【注释】

[1]本文刊发于《江苏科技报·教育周刊》2017年3月14日第B05 版

[2]点评人：刘晓岩，北京市朝阳区教研员

[3]本文刊发于2018年10月第7 卷第20 期《教育观察》

[4]本文刊发于2019年第3 期《教育信息技术》

[5]本文刊发于《创新课程》