美国STEM课程案例:纸造型设计——初识材料与受力

丰富多彩的大千世界是由各种各样的材料组成的。材料在我们的生活中无处不在。每个人的身边都会有诸如金属、橡胶、塑料、半导体等众多材料，小到一根针、一张纸、一双鞋子，大到交通工具、医疗器械、各类建筑，处处都有材料的身影。可以说，材料关系到每一个人的生活，材料科学关系到每一个国家的发展。

光有材料还不够，不同的材料有哪些性质？这些性质如何应用到我们的生活中？因此，我们不但要研究材料的组成、结构、加工工艺，还要研究材料的物理和化学性质，研究各种条件下的力学、电学、磁学以及分子性能。事实上，人类文明的发展史就是一部如何更好地利用材料和创造材料的历史。时至今日，一些特种功能材料在高精尖领域的制造和应用成为大国竞争力的体现。基于这样的现实，我们需要让学生从身边最简单的材料出发，理解材料的力学性质，进而学会把这些力学性质应用到身边的世界中。此外，认识材料对于学生了解立体几何的有关知识并理解力学理论很有帮助。

物理、数学、工程。

一年级。

105分钟。

学生通过直观感受不同的材料，了解材料的一些性质，尤其是部分力学性质；观察和记录不同材料的不同受力表现；在此基础上猜测各类力学性质的用途。

1. 了解身边的材料（5分钟）

教师可以随意说一件物品，让学生立刻说出其构成材料。物品举例：水杯、校服、课桌、钥匙、计算机、电饭锅、铅笔、文具盒等。

2. 让学生进行头脑风暴（10分钟）

分组使用工作单1（见附件1-6-1），汇总教室、家里、校园、医院中的各类物品是由哪些材料构成的。我们身边的常见材料有：木头、塑料、各种金属、玻璃、石头、陶土、纤维等。

教师可以让小组之间汇报头脑风暴的结果。

3. 进阶提问（5分钟）

教师可以视学生表现提出几个进阶问题，让学生思考并回答。

（1）教室、家里、校园、医院中，是否存在一个地方有而其他地方没有的材料？（例如，医院里有酒精，而教室里通常没有。）

（2）哪些是天然材料？哪些是人造材料？（例如，木头是天然材料，塑料是人造材料。有一些材料则不那么明确，例如，陶土是天然材料，而陶土烧制成的陶瓷是人造材料。）

（3）水是不是一种材料？（视情况而定—看用途。用来喝的水不是材料，但是做冷凝剂的水就是一种材料。水凝固后结成的冰也是制作冰雕的材料。）

教师拿出三种材料，让学生测试并记录材料受不同方向力时的表现。教师给每组一根橡皮筋、一支粉笔、一根木棍，让学生分别尝试拉伸、压缩、弯折这三种材料，同时从工作单2（见附件1-6-2）所列的选测项目中任选三项作为补充，将每种材料的六种测试结果仔细记录到工作单2中。教师可以先让学生拿出橡皮筋，教给学生如何进行拉伸、压缩、弯折性能测试。

用一个拼图式合作学习模式来汇总、收集和完善实验结果，操作方法如下。

（1）每小组四名同学，职责分工如下：一名组长负责监督组员完成实验，检验每名组员的实验结果，监督组员完成工作单2；三名组员分别负责测试不同的材料的性质，测试后填写工作单2。注意，每名组员使用不同颜色的笔记录。

（2）测试实验完成后，各组负责橡皮筋实验的同学组成橡皮筋研究组，负责粉笔实验的同学组成粉笔研究组，负责木棍实验的同学组成木棍研究组。各组组长到各研究组倾听研究收获汇报。

（3）所有同学回到原始组，向组长汇报新获得的信息，填入工作单2内。

以原始组为单位，各组派代表在全班汇报结果，教师可以就学生的测试结果随机进行提问，例如：

·针对橡皮筋可以拉伸的性质，举一个生活中利用这种性质的例子。

·针对粉笔容易磨损的性质，举一个生活中利用这种性质的例子。

·针对木棍不易折断的性质，举一个生活中利用这种性质的例子。

1. 出示任务（10分钟）

任务：使用一张纸和胶带制作一个立体造型，可以支撑住一本书离桌面5厘米至少10秒钟。

材料：每组1本书，书大小、形状、薄厚、重量等均一致、A4打印纸、宽胶带、剪刀、计时器、尺子。

2. 理解关键信息（10分钟）

在学生正式开始制作前，教师带领学生认真审题，并提炼出关键信息，学生说出如何理解这些关键信息。选取的关键信息如下。

·立体造型：强调三维空间造型。

·支撑住：禁止用纸提拉来完成任务。

·离桌面5厘米：重点教学生测量高度。

·至少10秒钟：重点教学生测量时间。

3. 出示评价量规（10分钟）

在学生动手制作前，教师出示评价量规（见表1-6-1），也可以教师与学生共同设定评价量规。小组合作构思并设计，在制作结束后，用表演或讲解的形式向全班展示成果。

4. 制作造型（15分钟）

学生以小组为单位制作立体造型，使可以支撑住一本书离桌面5厘米至少10秒钟。

总结和反思可以与学生的展示共同进行。教师可以要求学生在展示的时候附带回答以下问题中的一个问题，以完成本环节。

·你们组在解决问题的过程中谁的贡献最大？为什么？

·你们组成功地完成了任务，能详细介绍一下你们的设计原理吗？

·你们组有没有从其他组借鉴一些做法？借鉴了什么？为什么？

·你们组没有完成挑战的原因是什么？如果让你们再做一次，会有哪些改变？

·如果给你8张A4纸，能否把一名同学（体重为20~25千克）支撑起来，离地3厘米？你有什么方案？

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