撒尿娃娃里的STEAM
撒尿娃娃是一种陶瓷制作的茶宠摆件，空腔整体封闭，仅留一处小孔。内装水和空气时，在其身体上浇淋热水便会淘气地撒尿（喷出细流），给品茶者一番乐趣。如何将这个有趣的生活物品开发成一个适合学生探究的学习呢？笔者结合自己的一点实践来进行一个探索梳理，以期对有兴趣的老师有所借鉴。
一、项目可行性分析
科学探究发生在从已知向未知的探索过程中，且已知与未知交界处的知识是最能引发学生的探究行为。因此，我们基于学生的已知知识或经验作为课程教学的起点，分析素材与学科知识的关联。撒尿娃娃的原理主要是热胀冷缩，而这一知识内容在各地小学科学教材中基本都有，只是安排的学段位置不同。苏教版（旧版）四年级上册第二单元第三课中讲到了固体、液体和气体有热胀冷缩的特性，教科版则是在五年级的下册才讲到，而广东科技教育出版社版本的教材则是放在三年级下册第四单元且专门安排了三节课分别讲液体、气体和固体的热胀冷缩。在新版小学课程标准中，这一原理被定位在三四年级的知识目标中。因此，选择在三、四或五年级来开展这一教学是适应学科进度的。
学生可探究的未知是什么呢？水在热胀（或冷缩），空气也在热胀（或冷缩），而空气的热胀冷缩幅度更大，这是学生所不知道的。在现有的学校教材中，固体、液体和气体的热胀冷缩现象的实验基本上是“固体铜球穿过铜环、液体在细管中的升降和空瓶子的瓶口套着的气球受热膨胀或遇冷收缩”。其中，固体与液体的实验是微小形变的放大，而气体的实验现象本身就很明显，这其实就暗含了一个知识：气体的热胀冷缩变化要比固体和液体明显太多。这一点并没有在教材中明确给出，当然在学生头脑中也就没有意识上的显化。尽管“窗纱”未被点破，但对于他们来说又不是完全没有经验基础。也就是说，学生的已知世界与未知世界是存在交叉地带的，教学设计可以立足于这样一个交叉地带（“最近发展区”）。因此，我们将这个知识点作为探究活动的锚点。
在思维能力方面，依据笔者的教学经验和这个项目的实际尝试（主要是在三四年级）发现，三年级学生的分析思维已经表现出了一定的水平，而四年级学生的分析与表达能力又比三年级学生好一些，采用开放度比常规课堂更大一些的教学方式能进一步启发促进思维发展。同时，这个项目用到的实验材料少，加工技术简单，教师上手快，比较适合对三四年级学生动手实践能力的起始培养，也是校本科技课程可参考的初始教学内容。
从以上几方面来看，在一定的“探究活动脚手架”支持下，如亲身经历实验探索发现，借助实验材料、教师引导、同伴互助等，学生能完成这一认知活动，比较适合在三四年级学生中开展。同时，我们也可以进一步引导学生开展基于数学与技术的探究，如瓶子等相同的情况下，水与空气的比例多少最合适？或是在统一装水量时，喷射角度为多少时能使水滴喷射的最远？
二、教学目标的设计
科学知识：物体一般具有热胀冷缩的特性（已知）；空气的热胀冷缩程度比液体大很多（未知）。
科学探究：面对有趣的情境提出猜想，猜测是水膨胀还是空气膨胀导致“撒尿”；建构模型，分组或全班讨论娃娃内部发生的物理过程；亲自制作一个撒尿娃娃来验证自己的猜想。
技术探究：控制变量法（在自己制作的撒尿娃娃模型基础上即确定了瓶子和喷射管的位置后，寻找能使喷射效果最远的水与空气比例或是寻找最佳水位线）。
工程实践：1.集体讨论与分析影响喷射远近的因素；2. 寻找能使喷射效果最远的角度值，包括提出喷射的实验模型，并进行实验模拟。3.选择原有的同种瓶子，重新制作一个撒尿娃娃，并与原先的作品进行对比。
数学应用：1.在“寻找能使喷射效果最远的水与空气比例或最佳水位线”实践时，学习应用直尺、量杯、装水量与射程关系坐标等来为自己的撒尿娃娃确定一个最优“最佳水位线”，并在瓶子上做好标记。2. 在进行喷射的实验模型模拟时，运用数据记录表格以及角度与射程关系坐标，并尝试从图上分析确定最优值。
艺术发挥：主要表现在科学展板的设计上，给学生们提供一个运用自己学过的如绘画等技能来生动表达科研成果的机会。
科学态度：合作分享，敢于交流表达，探究兴趣浓厚。
应用拓展：生活中的热胀冷缩现象（包括广泛应用与危害预防）。
以上目标，除了新知识外，扩展了很多其他方面，比如面对情境中的“暗盒”去构建一种解释模型；对数学最优解的理解；技术工具的使用上，则有量角器的真实场景应用、胶枪的使用、材料的认知等；工程与艺术方面也有涉及。我们期待通过这些，能引起学生认知结构上的变化。
三、教学实施
教学过程可以嵌套“5E教学法”来进行。5E教学模式分别是“吸引（Engagement）”、“探究（Exploration）”、“解释（Explanation）”、“迁移（Elaboration）”和“评价（Evaluation）”。需要注意的是，在每个阶段我们要为每组学生尽量拍些照片，以便后面学生制作展示海报或成果宣讲时能有活动场景素材。
第一步：吸引（Engagement），也即是构建情境让学生参与进来。
先用历史上的著名的撒尿小英雄于连的故事开篇，引出我们课的主题活动——陶瓷娃娃撒尿的探究。
第一次课——
师：大家了解了比利时小英雄于连勇敢机智的故事，他利用撒尿浇灭火药导火索从而挽救了城里的百姓，人民就把他撒尿的形象做成雕塑来纪念（故事也可以让了解这一段历史的学生来讲给大家听，以提升课堂参与度）。今天，老师给大家带来了几个也会撒尿的小娃娃，请各小组组长上台来领。
教师提出问题：怎么样能让陶瓷小娃娃撒尿呢？
经过一番讨论后，老师说出“浇热水”的秘密，并邀请坐姿好、上课积极认真的小朋友上台操作（当然，为安全起见，需要在老师的监督下进行）。
陶瓷小娃娃喷水的趣味演示引起学生不断地哈哈大笑，调皮大胆一些的学生还跑上来用手接“尿”。这样，学生们就被吸引到教学情境当中了。当然，这还不够。为了让这种兴趣能持续下去且向学习目标进发，还需要点外界刺激来强化。
师：同学们，好玩儿吗？想不想得一个娃娃？
生：想！老师，我要那个蜡笔小新造型的。
师：嗯，好，可以啊，那就看看上完咱们这个项目的课后，哪个小组的同学表现得好，最认真，老师就奖励给这个小组每人一个。
第二步：“探究（Exploration）”，即开展实验，收集数据或证据。
完成了喷水实验，接着就要提出核心问题——浇上热水娃娃就会喷水，这是什么原因导致的？给每个小组再次发放装好水的娃娃，并在各个小组桌子上浇热水，让学生仔细观察（浇水由教师完成）。学生在小组内进行讨论交流五分钟，然后进行全班讨论
师：哪个小组来说一说，娃娃撒尿可能的原因是什么？如果你们组不只一个想法，可以都讲给大家听。
生1：老师，我们组发现，娃娃身上有很多小眼儿，热水从这些小眼儿里进去然后就喷出来了？
（有些陶瓷略粗糙一些，显得有些小点点。）
师：小眼儿？大家看看，水能不能从小眼儿进去？
众：不能，这些点点不漏水的。
师：老师这里正好一个摔破的娃娃，大家看看，它里面一层其实挺光滑的不漏水。（给学生看破的娃娃内部结构，一方面是展示不漏水的结构，一方面也是暗示学生聚焦到对水和空气变化的思考）。
生1：老师，我们组认为是里面的水受热以后就喷出来了。
师：你们觉得应该是里面的水喷出来的，不是外面的水进去后喷出来的。其他小组同意吗？
众：同意！
师：那为什么里面的水会喷出来呢？
生2：老师，我们组认为是浇上热水后，娃娃肚子里温度太高太热了，水就喷出来了。
师：你们认为是里面的水受热温度高就出来了，这好像我们科学课上学过一个什么原理……
众：热胀冷缩！
师：哦，热胀冷缩。这次发生的是热胀。是水热胀了导致水喷出来了吗？
生2：是的。
师：那娃娃肚子里除了水，还有没有其他东西？
（学生往往想不到空气的存在，比如问：把火柴从火柴盒里倒出来，盒里是空的吗？学生一般的反应是空的。如果强调性的多问一句：真的是空的吗？他们才会想到空气。所以，这里有意识地引导他们想到空气的存在。）
生3：有空气！老师，我觉得还有空气。
师：你们怎么知道还有空气？（引发证据意识）
生3：我拿着娃娃摇晃过，听见水在里面晃荡，水上面有空间。我把娃娃头朝下脚朝上，水在小孔的下面了，所以一定是有空气可以进去。
师：还有什么证据可以说明里面有空气存在？
生4：老师，我有。我发现娃娃喷水结束时，还在向外喷气，小孔周围的水都冒泡儿了。
师：嗯，你观察地真仔细。他们俩刚才讲的这些，能不能说明里面有空气？
众：能。
师：是的，如果没有很好的科学仪器我们是很难做到真空环境的。所以，在一般条件下空气都是占据空间。浇上热水后，空气会不会热胀冷缩？
众：会的。
师：（提出核心问题）娃娃从肚子里喷出的水是水自己受热膨胀而喷出来的还是空气受热膨胀而把水喷出来的？
众：是水自己膨胀的/是空气膨胀挤出来的（立场不一）。
师：好的，好的，大家安静，我们通过举手调查一下吧——同意是水膨胀的举手？（这个比例一般会超过60%）。认为是空气膨胀把水挤出的举手？
看来我们有两种科学观点了。现在，老师给大家一幅画，就是娃娃的轮廓图，你可以用大点的圈圈代表水，小圈圈或小点点代表空气，按照你的想法，来分析一下水为什么会从娃娃肚子里喷射出来（构建模型）？
学生运用模型，动态地分析水或空气在娃娃内部的变化。随后选几位同学，在黑板上画图来向全班展示。尽管给学生看过破的娃娃，但空气是看不到的，空气或水的变化过程更是看不到的，这就相当于未知的“暗盒”，而科学就是要利用人的思维建构模型或借助实验探测变化来破解“暗盒”的秘密，如伽利略利用角度改变的斜坡探寻自由落体的规律，卢瑟福从a粒子轰击金箔的实验中观察到的现象来探寻原子结构。
第二次课——
接下来，通过实验来验证同学们的猜想，看看结果更支持哪一方的推理。模拟实验是用热熔胶将中性笔芯封入塑料瓶中，再浇热水。材料很简单：塑料瓶（硬点的较好，不易烫变形）、中性笔芯（去除珠子或直接用管也凑合）、热熔胶枪（只用胶棒和蜡烛也可以）、工字钉、暖壶（安全起见，最好是摁压才能打开的保温壶），组装如下。
视频.学生制作与比赛场景：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUxMjEyMTI1NQ==&mid=2247483959&idx=1&sn=01b3454b9389570efd5d3bf878501e0a&chksm=f96802ffce1f8be94dfa6ec22a1f93cffd19aea96729c0fead3d20c8a9944387cf01024e8c7f&token=557138834&lang=zh_CN#rd
（注意看，一个小组学生把水装得满满的，我心里一阵窃喜。）
展示验证环节，以“比比谁的娃娃喷得远”为游戏展开。
第三步：“解释（Explanation）”，即学生根据实验结果，尽量用自己的话对现象进行解释。实验结束后全班总结，是娃娃肚子里的水主导了喷水还是肚子里的空气？通过各个小组的经验分享与实验对比，学生们领悟到了是空气的膨胀起到了关键性的作用。此时，教师可再次呈现常规科学课上做过的实验——
同学们再次对喷水的原因做出解释：气体的膨胀要比液体大很多，产生的力气也就很大。
总结：液体比如水，一般情况下受热膨胀时体积变化很小，我们肉眼几乎看不出来。而在相同情况下，气体受热膨胀时体积的增大值要远远超过液体。因此，娃娃肚子里的水正是受到了来自空气膨胀时的强大压力，水才喷射出来了。
（注：这里并没有给学生讲到遇冷收缩时的情况，这个留给后面学生在家自主探索。）
第四步：“迁移（Elaboration）”，即给学生机会去进一步加深对知识的理解与应用。
第三次课——
任务大挑战——各小组研究自己的撒尿娃娃模型，找到喷水喷得最远时的水位线，表现好的小组每人将会获得一个陶瓷娃娃。
具体任务是在上次制作的瓶子模型基础上，利用烧杯、量筒、卷尺、记号笔等不断测试，寻找喷射最远时的水量。同时，要将每次的装水量和喷水距离的数据填写到表格中。
在各组开始行动前，要先教会学生认识和使用烧杯、量筒、卷尺等工具，以及如何填写表格。更重要地还要提示他们进行组内分工，如装水、读水量和射程的数据，填写数据等（浇热水的权力仍要在老师的手里）。
（注：以下内容只是教学设计，还未进行教学实践。）
在所有小组都完成在自己瓶子上标出最佳水位线后，老师不妨采用一个组的数据，用坐标描点来引导同学们看看有什么规律。
也许，老师在把红点摆上去后就能和孩子们一起有点儿发现，也许能从趋势中找到更为精确的最优值在哪里。
如果觉得必要，老师可以利用动画或是板书对热胀冷缩原理进行比较生动的微观解释：热胀是因为在温度高的情况下，组成物质的小微粒（分子、原子或离子）之间的热运动加剧，互相碰撞，达到平衡时，彼此之间的距离(排斥和吸引的平衡)增大而导致体积膨胀。反过来，在冷却的情况下，组成物质的小微粒（分子、原子或离子）的热运动减弱，互相碰撞的能量也跟着减小，达到平衡时互相之间的距离减小，而收缩。
第五步：“评价（Evaluation）”，包括物质的及时奖励，采用表现性评价的方式来展示学生的学习成果等。
我们以小组为单位，向孩子颁发礼物——撒尿陶瓷娃娃，并留下一个小任务：新发的娃娃是没有水的，你能想办法让它里面装上水吗？如果你成功了，可以在下次课上与大家分享，记得一定要在家长的帮助下完成（可以在家长群里说明一下安全事项）。
是否向学生展示举例生活中常见的热胀冷缩及现象，比如铁轨的设计、路面的裂痕、冬天里打上热水的杯子放置一段时间后却很难拧开盖子等，特别是伽利略发明了第一支空气温度计的故事。因为在常规科学课上已经学习过，教师可以酌情决定。
教师给小组发放三面纸板和一些卡纸，制作一个科学研究活动展示板，类似如下图——
（注：图片来自微信公众号“美国小学的日常”。）
展板上几个板块内容的参考格式可以是：
第一板块——提出或发现问题：今天老师带着我们做了一个“撒尿娃娃喷水”的实验。给陶瓷娃娃浇上热水后，它肚子里的水竟然可以像广场的喷泉一样射出来，太好玩儿了。所以，我们的问题是“为什么它会喷水呢？”
第二板块——做出假设：关于陶瓷娃娃喷水的原因，我们班同学提出了两种说法。第一种说法认为，由于娃娃肚子里的水受热后体积膨胀很大，所以就喷射出来了。第二种说法认为，主要是娃娃肚子里的空气受热膨胀把水挤出来，我们才看到喷射。当然，也有同学认为是水和空气都膨胀了，共同导致的喷射。我们小组的假设是第一种，即肚子里的水受热膨胀导致了喷射（简洁些的话，只要最后一句也可以）。
第三板块——模拟实验和数据采集：为了验证我们的猜想，老师带领我们做了一个模拟实验。材料有矿泉水瓶、工字钉、废旧中性笔芯、胶棒、保温壶、米尺等。做实验过程中，老师帮我们浇热水。有的小组作品喷射的很远，而有的却几乎喷不出来，原来他们的水装得很满。对比来看，有空气的瓶子水会喷射得远，而水太多却不行。
第四板块——数据记录：我们又做了“寻找能使娃娃喷射最远的最佳水位线”的实验，并把实验数据记录了下来，如下表所示。
第五板块——数据整理：老师用第X小组的数据制作了一个坐标统计图，让我们看看那些点连起来后的情况。我们小组也尝试着做了一个这样的统计图（如下图所示）。
第六板块——得出结果：从图上我们发现这样的趋势，就我们小组的瓶子而言，空气越多，喷射的会……（或其他结果）。我们原先所标的最佳水位线不一定是最好的位置。其他小组也有这样的发现。老师通过以前的实验告诉我们，一般来说，气体受热膨胀时体积变化很大，封闭空间里就会产生很大的压力，而液体受热时体积变化却很小。老师又奖励给我们每人一个空的陶瓷娃娃，让我们回家后试着给它灌水。下面的流程图是我们想出的给娃娃灌水的办法。
从有趣的现象中发现问题能激发兴趣；从猜想中确定一个假设是决定研究方向；设计并开展实验获得数据是为了得到证据（检验假设，证伪或证实）；数据整理并进行统计分析是发现现象背后可能的规律；展示结果能更清楚地厘清关系，向别人进行有说服力的说明。所以，在制作科学展板的过程中，我们才比较明显地把科学研究的范式（或叫方法、模式、套路）呈现给学生。
至此，三年级的教学基本结束。
如果是三年级以上的学段，我们可以提升一些挑战难度，考虑接着进行下面环节的教学。
第四次课 ——
提出新挑战：统一塑料瓶、水位线和笔芯种类，设计并制作一个喷得最远的“撒尿娃娃”，以比赛谁能喷得远而获得老师的奖品来驱动学生进行对喷水仰角的探究。
第一环节：分析影响因素。先在小组内进行讨论，教师巡视参与各组讨论。随后组织大家进行全班讨论。主要围绕空气与水的比例、笔芯仰角、出口位置（打孔处）等影响因素展开。最后聚焦到笔芯仰角的讨论上——角度多大才是最合适的呢？
在复习量角器的使用方法后，将下面的表格发放给各组，自主讨论实验设计方案。
这里显然会存在一个问题——角度重新调整，势必要重新把胶撕开再将笔芯进行调整，或者是每组设计多个瓶子（具体多少不能确定），我们需要将这样的问题抛给学生，引发他们对成本控制和工程效率的思考：
如果是盖一栋大楼，或是造一座桥，我们直接用材料进行建造可不可以？如果直接施工会造成什么的问题？针对我们的实验挑战，我们应当先进行什么然后再制作我们的最终比赛作品？
经过问题的讨论，师生达成一致：在正式施工前，应该我们需要在正式开工之前进行工程模拟实验，或者是在正式确定参赛作品前，应该先多做几个不同角度的“娃娃”来比较从而最终确定方案。
方案1：针对角度模拟实验，在此提一个不见得成熟的方案：用弯头吸管和洗耳球做实验材料。先确定一个发射角度值，通过每次利用相同的力量吹出相同质量水滴，测量发射点离落地点的距离。然后再更换角度，重复实验，以此来比较不同发射角度值时水滴喷出的距离。需要注意的是，每次压气的力量大小应一致。当然，如果有其他简便的方法使水滴发射时的初速度相同则更好。因此，这一方案可能比较吃力不讨好。
（注：图片来自网络）
方案2：教师给每个组发放一个超大瓶子（如1.5L容量以上），但是提醒他们：这是用来制作最终比赛产品用的，所以不能轻易使用这个瓶子，启发他们利用自己带的小矿泉水瓶来模拟。这样，让小组内多做几个不同角度的“小撒尿娃娃”模型，人人就都有事做。组员们需要商讨分工：确定要测试哪些角度值、怎么测量（如用细铁丝弯出角度），谁负责制作哪个瓶子、谁主抓测量和汇报数据等等，这样看起来是不是显得比较有组织性和系统性。
小学阶段，我们只需要学生根据实验采集到喷水距离与喷射角度的数据即可。如果学生有兴趣，仍然可以用到前面的统计图来寻找最优的角度值。
如果学习对象是高中生，则可进一步让他们运用物理上运动的合成与分解来推算最佳角度值。高中物理上的计算如下：
设初速度为V,发射角度为θ,飞行时间为T
水平距离为S=V×cosθ×T
飞行时间为T=2V×sinθ÷g,代入水平距离方程有
S=V2×2sinθcosθ÷g=sin(2θ) ×V2÷g 所以最大角度为2θ=90°，θ=45°（以上不考虑空气阻力影响，否则会有差异）。
从几何来看，接近45度的抛物线，顶点高，跨度长。
这样，我们就有意识地通过一个简单的实验将工程思维与数学工具传递给学生了。
完成任务后，我们也可以让学生像前面那样制作科学展板。
四、结语
尽管以上还是一个未完全进行实践的教学设计，但也想努力表达一些关于科技探究活动和STEAM课程的想法。
首先，本案例所呈现的科技探究活动可能并不算是一种完全的STEAM项目，但可以作为基础性的STEAM教学工作。何为基础性？比如，在科学研究方法方面，让学生进一步地巩固控制变量法的实验设计思想，初步训练数据采集和统计分析能力，明确证据的重要性；在培养学生的动手实践能力方面，常用工具的使用方法、操作流程和安全注意事项等需要给学生更多频次的使用机会；在合作交流学习方面，团队分工与协作、学术研讨、成果表达与分享等需要学生亲自体验，要帮助他们成立良好的学习共同体……这些铺垫也是参考，将为后续良好顺畅地开展正式的STEM项目提供保障。若一开始就直接整体迁移欧美式的STEAM项目或周期性较长的研究学习，可能会有水土不服情况，如给学生补充相关的知识与技能、学生小组默契度的培养等可能会耗费时间，同时考虑当下中国教育的大环境的支持度，实现起来可能会吃力。
其次，很多科技探究活动具有“小而美、细而全”的特征，科学、技术、工程、数学、艺术等等也可以渗透到这些活动中。由于短小精干，可以灵活地与学生的其他学科学习进度相适应，可以利用综合实践活动课、选修课、小学的第二课堂等开展，比较容易普及开来，效果也能较快呈现。退一步讲，即使后续没有开展起“大而全”的STEAM项目，这些小项目的开展也能给学生带来基础性能力提升，丰富他们的校园生活，让其保持对科技的学习热情。
最后，在这些科技探究活动中，STEAM中的工程教育的某些要素是否可以考虑先以分散的形式出现？就像我们不强调科学探究的各个环节要素在同一个教学活动中全部体现一样，工程设计的理念和要素也可逐步地让学生逐渐领会，如系统、流程、设计、模型或模拟、产品说明等，为后面实行整体性的STEAM课程体验做好积累。
