《义务教育小学科学课程标准》关于技术与工程领域作了如下描述：“对科学加以巧妙运用以适应环境、改善生活而产生技术，技术的核心是发明；人类为实现自己的需要，对已有的物质材料和生活环境加以系统性的开发、生产、加工、建造等，这便是工程，工程的核心是建造。”遵循这个原则，我尝试用科学与工程技术整合的教学方法设计了《吹气球“神器”》这节课，用科学知识与规律来解决生活中的实际问题，设计并制作出让学生满意的新产品，从而培养他们的创新能力与实践能力。
　　吹气球“神器”就是利用废弃的塑料瓶，通过解决向瓶内补充空气的问题，并在瓶口设计制作一个单向阀，从而达到吹大气球的目的。我将本课的教学流程设计成四个板块：问题与聚焦—设计与制作—展示与评价—拓展与延伸。下面我就把这四个板块的内容和大家分享一下。
　　问题与聚焦
　　工程挑战通常是由学生的愿望、需要或问题引发的。所以一上课我就明确要求学生用塑料瓶吹气球，学生首先想到的就是去掉瓶盖并在瓶口套上气球，挤压瓶子吹气球的办法，为了验证这样能否吹大气球，学生在小组内初次尝试，并观察到气球吹不大。通过交流，学生明确气球吹不大的原因：一是瓶内空气有限，需要想办法补充；二是吹进气球里的空气会回流，需要想办法不让吹进气球里的空气回流。从而明确了本节课要解决的问题是什么，也初步明确了面临的限制和挑战。
　　设计与制作
　　项目学习需要体现多种学习策略。围绕“空气不足”和“回流”两个问题的探究与设计，按学生最近发展区的需求，通过“活动一：如何解决瓶内空气不足的问题”和“活动二：如何实现自动控制空气流动”来帮助学生建立“单向阀”的概念，体现支架式学习的策略。尤其是第二个问题的解决更是本课的难点，所以这一部分又细化为两层设计：先请学生完善在瓶口设计“单向阀”的初始想法；再在此基础上引导学生就材料选择与粘接方式展开具体化设计。在问题的解决过程中，教师以建构主义的学习理论支持教学行为，不断鼓励学生通过小组合作，主动探究，反复尝试与分析，得出最优的解决方案，获得真正属于学生自己智慧的“成果”。
　　活动一：解决瓶内空气不足的问题。解决瓶子里空气不足的问题相对来说比较简单，教师直接把问题抛给学生，让学生小组内讨论一下，在设计单上画出组内设计。学生的设计大同小异，都想到了在瓶身上开一个口子，只是口子的位置、大小、形状不同。设计不难，但设计后带来的问题很多：口子开多大合适？到底哪个位置是最优方案？等等。这时，教师要避免走入“探究”的老路，将“设计”一以贯之，让学生在后续的设计中自己改进。在这个环节中，有一部分思考深入的学生还发现了一个问题：挤压瓶身，瓶子里的空气会从开口处往外跑，需要用手指堵住。
　　活动二：解决气球内空气回流的问题。相对于解决瓶内空气不足的问题而言，解决气球内空气回流的问题就复杂多了。所有复杂的问题都没有明显的正确答案，而且一般会有许多有效的解决方法。对于这个复杂问题，我将它分解成一个个小问题，再对每个问题进行头脑风暴，以寻求解决方案。在这个过程中，可以让学生思考一些合理的解决方案，但大部分时间应在小组内进行集体头脑风暴，进行集体设计，弱化竞争意识，强化合作意识。
　　师：我们解决了第一个难题，那怎样让气球里的空气不跑回瓶子里？你们有什么办法？
　　生：用手指捏住气球口。
　　师：一直捏着？
　　生：捏瓶子的時候，手松开，让空气通过，然后手捏住气球口，不让空气跑回瓶子。
　　师：真会举一反三！这样就解决了空气回流的难题！但这样一手捏瓶子，一手捏气球，操作起来可不容易。我们能不能想个办法，把捏气球的手解放出来？也就是说，我们需要在瓶口处想办法，在瓶口设计一个装置，让它代替我们的手来控制空气的流动。如果真有这样一个装置，你希望它能起到怎样的作用？
　　生：这个装置要有两个作用，它能让空气进入气球，进入后，它又能关上。
　　师：真像个小设计师！那这个装置怎么设计呢？貌似很有挑战性哦。下面，你们小组内好好讨论一下，在设计单的瓶口处画出你们组的设计，表达不清楚的时候也可以用文字作简单的说明。
　　学生汇报的初步设计五花八门，他们想出了各自的办法，教师要多加肯定和鼓励，并在此基础上概括出大家方案的共性。
　　师：我们班的同学个个都像小设计师，设计很有创意，设计一扇门或者一个盖子，挤压瓶子的时候，压缩空气把门或盖子挤开，松手后，压力消失，门或盖子自动关上。想法不错，但要把它做出来也不容易，你们打算用什么材料制作？
　　生：剪一块大小差不多的圆形纸片盖上（如图1）。
　　师：你们觉得纸片可行吗？
　　生：我觉得不行，因为纸片漏气，不能盖紧。
　　师：有道理，还有谁想说说自己的想法？
　　生：我觉得最好用塑料的，就像密封瓶瓶口那样，有一圈塑料的皮筋。
　　师：真善于观察，你的想法给我们提供了很好的思路，大家觉得呢？
　　生：可以试试。
　　师：好，我们手边现在有没有合适的材料，类似于皮筋那样的材料？
　　生：气球，气球的皮很有弹性。
　　师：你们都认可吗？
　　生：认可。
　　师：你们都认为气球皮可以做门或盖子把瓶口盖上，那怎样盖，盖多少呢？这就需要你们这些小设计师继续出马了，在设计单上细化你们的设计，使它能让空气进入气球，同时又能把瓶口堵上。为了帮你们降低难度，老师把瓶口变小一些。看，老师这里有个秘密武器（如图2），这是什么？
　　生：瓶盖，打了孔的瓶盖。
　　师：我们把这个瓶盖盖在瓶口，这样瓶口就变小了，空气只能通过这个小孔流动。这有什么好处？
　　生：这样空气回流的速度就慢了。
　　师：是的，还有一个好处，刚刚我们需要用气球皮把整个瓶口堵上，现在呢？ 　　生：只要堵瓶盖上的小孔。
　　师：是呀，真是一举两得。
　　学生小组内在设计单上瓶口位置的方框内继续细化设计。交流环节，采用集体评价的方法，继续以整个班级为单位进行头脑风暴，评价每个设计的优势与缺陷，提出修改意见。
　　有了设计方案和图纸，接下来的环节就是让学生测试自己设计的解决方案，按设计图纸制作产品。
　　固定橡皮膜的方法有很多，教师选择几样常用的材料供学生挑选，但不能帮学生包办，在这之前要让学生发散思维，说说自己组的固定方法。
　　展示与评价
　　展示与评价是科学与工程技术整合课程中对学生能力培养非常重要的环节。本环节主要引导学生展示吹气球装置的效果，交流制作经验，并从中受到启发，学会客观地评价自己的作品，发现作品中需要改进的地方，由此进行方案的完善与产品的改进。
　　拓展与延伸
　　在课堂接近尾声时，让学生体会自己制作的吹气球装置的神奇，并为这个装置取个名字。制作“神器”最关键、最难的部分就是设计、制作瓶口的控制空气单向流动的装置，教师通过介绍生活中常见的具有相同装置的物品，引出单向阀的概念，并鼓励学生课后继续改进自己的设计，为瓶身上的小孔也设计一个单向阀，使吹气球“神器”不断改进，臻于完美。
　　这个环节，要让学生认识到工程设计过程具有反复性，它是一个散乱而非线性的过程，一节课结束，但工程设计并没有结束。在课堂上对某個方案进行测试不应是设计的终点，课后，学生要尽可能地去优化自己的设计，使之趋于完美。
　　教学反思
　　《吹气球“神器”》是科学与工程技术整合的自编教材，是响应江苏省教育厅大力推行STEM教育的一次有益尝试。本项目学习旨在将工程活动融入科学课程，引导学生体验整合后项目学习的乐趣，这种基于设计的项目学习更为学生成为批判性的思考者和真实问题的解决者提供了良好的载体与发展的平台。多次教学实践发现，在一节课内完美做出成品的小组不多，但项目设计的魅力就在于此，学生像设计师、工程师那样反复设计，越来越接近成功。最值得一提的是，整节课，学生是主体，整个设计过程，每个学生都是一个小设计师，几人又组成一个设计团队。设计过程尤其需要发挥集体合作精神，合作就离不开交流。课堂上给学生提供了广泛的交流机会，让每个学生都能分享自己的想法。在“问题与聚焦”环节，学生分享了自己对于情境、限制条件的理解；在“设计与制作”环节，学生分享了自己组的设计并且评价了其他组的设计；在“展示与评价”环节，学生分享了自己的测试结果、关系到改良设计方案的决策；在“拓展与延伸”环节，学生分享了自己组让设计臻于完美的方案。
　　导师点评
　　本案例是刘君丽老师参加2017年江苏省优质课评比的教学设计，获得了江苏省优质课评比一等奖。科学与工程技术整合是一种以学生参与活动、解决问题为基础的体验式学习，也是一种能够激励学生并支持其深度学习的教学方法。因此对于本课来说，教师引导学生聚焦“如何制作一个省力的吹气球装置”这一问题，通过头脑风暴式的交流，形成多种合理的解决方案，继而通过建模、测试、评估等手段，帮助学生对自己的吹气球装置进行改进与优化。也正由于问题是基于学生的认知水平，产品是学生思维、技能的综合显现，因此“设计”是整个活动的核心所在。教师运用支架式的教学策略逐层深入，引导学生对吹气球装置进行三次方案设计。同时教师也让学生们意识到，对某个解决方案进行测试不应是设计的终点，还需不断地改进自己的方案，使产品变得更加完美。当然，教师对学生的动手操作能力也需有清晰的定位，要对学生的项目模型有期待，但不能过高；不管外观与性能的优劣，都需要对学生智慧的“成果”给予鼓励与认可，激发其在科学实践活动中持续并深入探究的热情。
　　江苏省宜兴市官林实验小学（214200）
　　江苏省宜兴市东坡小学
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