尹慶豐

(1. 常州市武進(jìn)區(qū)教師發(fā)展中心,江蘇 常州 213164; 2. 常州市武進(jìn)區(qū)禮嘉中學(xué),江蘇 常州 213176)

“有一只熊掉到一個(gè)陷阱里,陷阱深19.617m,下落時(shí)間正好2s,求熊是什么顏色的．你能算出來(lái)嗎?”是否覺得無(wú)從下手呢?

其實(shí),根據(jù)已知條件,可以計(jì)算出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=9.808 m/s2,經(jīng)過(guò)判斷,最接近這個(gè)值的地點(diǎn)在南北極,而南極沒有熊,北極熊是白色的,因此答案是白色．這道題目融合了物理、地理等學(xué)科,是一個(gè)典型的STEM問(wèn)題．

1 STEM教育的內(nèi)涵及現(xiàn)狀

科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics),簡(jiǎn)稱STEM教育, 20世紀(jì)80年代興起于美國(guó),至今已在美國(guó)中小學(xué)階段廣泛實(shí)施．[1]雖然人們對(duì)STEM教育的內(nèi)涵尚未達(dá)成共識(shí),但“學(xué)科整合”已成為其標(biāo)志性特點(diǎn)之一．STEM教育的特色是重視學(xué)科知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系,其目的是幫助學(xué)生掌握如何運(yùn)用科學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)來(lái)解決與技術(shù)、工程相關(guān)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,[2]正如開頭那個(gè)問(wèn)題．

STEM教育是世界性的趨勢(shì),我國(guó)對(duì)STEM教育的關(guān)注起步較晚,[3]且一直以來(lái),我國(guó)都是采用的分科教學(xué),一下子實(shí)現(xiàn)學(xué)科整合,存在“拔苗助長(zhǎng)”的嫌疑．針對(duì)我國(guó)教育現(xiàn)狀,STEM教育的引入應(yīng)該循序漸進(jìn)．以高中物理為例,可以原有學(xué)科知識(shí)為核心,在合適的知識(shí)點(diǎn)或滲透技術(shù)應(yīng)用、或注重?cái)?shù)學(xué)工具、或結(jié)合前沿動(dòng)態(tài)等,引導(dǎo)學(xué)生將物理與科學(xué)、技術(shù)、工程及數(shù)學(xué)逐步整合．整合應(yīng)該是廣義的整合,而不是狹義的整合,宗旨就是培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力、自主創(chuàng)新能力、深度學(xué)習(xí)能力和適應(yīng)未來(lái)的能力．[4,5]

2 STEM教育的教學(xué)方法探討

STEM教育常常采用問(wèn)題解決驅(qū)動(dòng)的、行動(dòng)導(dǎo)向的教學(xué)方法,其中基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)和基于問(wèn)題學(xué)習(xí)是目前美國(guó)中小學(xué)STEM教育中最常用的兩種教學(xué)方法．[6]

兩種教學(xué)方法都起始于一個(gè)開放的問(wèn)題或項(xiàng)目,學(xué)生通過(guò)分工合作、資料收集和數(shù)據(jù)分析來(lái)解決問(wèn)題．基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)通常讓學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)或科學(xué)原理和方法,設(shè)計(jì)一個(gè)方案或制作某個(gè)產(chǎn)品作為學(xué)習(xí)成果,[7]往往需要數(shù)周時(shí)間,并且和生活需求相關(guān)．基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)則更多的是對(duì)某虛擬情節(jié)或案例的研究,以解決方案或觀點(diǎn)為教學(xué)成果,而非實(shí)際產(chǎn)品．[8]這種教學(xué)方法的周期比較短．

針對(duì)國(guó)內(nèi)教學(xué)的實(shí)際情況,筆者認(rèn)為可以將上述兩種教學(xué)方法有機(jī)結(jié)合．在課堂教學(xué)的時(shí)候,由于教學(xué)時(shí)數(shù)的限制,以基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)為主,學(xué)生提出解決方案即可;在課后,對(duì)于有興趣繼續(xù)研究的學(xué)生,可輔以基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)方法,制作出實(shí)際的產(chǎn)品,達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新技能的目標(biāo)．

結(jié)合STEM教育要求和教育目標(biāo),筆者認(rèn)為與之相符的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)具有綜合性、開放性、動(dòng)態(tài)性、回歸性、實(shí)踐性和多樣性的特點(diǎn),[9]歸納后將課堂教學(xué)分為6個(gè)模塊,具體流程如圖1．

教學(xué)流程中,筆者加入了教學(xué)反思這一環(huán)節(jié).如果6個(gè)模塊執(zhí)行下來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)目標(biāo),說(shuō)明這節(jié)課是成功的.課堂教學(xué)還可以進(jìn)一步延伸:有興趣的學(xué)生,可以嘗試將設(shè)計(jì)方案做成實(shí)物．反之,如果沒有實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo),那么就要從源頭(提問(wèn))找問(wèn)題,教學(xué)過(guò)程中,只有不斷地反思,不斷地完善教學(xué)設(shè)計(jì),才能得到最佳的教學(xué)效果．

圖1 STEM教育課堂教學(xué)流程圖

3 高中物理教學(xué)中融入STEM教育理念的實(shí)踐探索

人教版選修3-2中“傳感器的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”這節(jié)課,[10]技術(shù)內(nèi)容十分豐富全面,突出體現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的密切關(guān)系;突出理論聯(lián)系實(shí)際的思想,能夠培養(yǎng)學(xué)生分析具體事物的能力;重視聯(lián)系學(xué)生生活、社會(huì)實(shí)踐和現(xiàn)代科技．

然而,現(xiàn)有教材中,傳感器一章提及的實(shí)例,如“勇氣號(hào)”火星探測(cè)器,一來(lái)缺乏新穎性,二來(lái)缺乏實(shí)用性,已經(jīng)不太適合科技迅猛發(fā)展的當(dāng)下．而且,教材中只是按部就班地提供了兩個(gè)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生依葫蘆畫瓢,根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)目標(biāo)．因此,筆者結(jié)合STEM教育理念,對(duì)這節(jié)課重新進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì),獲得了意想不到的教學(xué)成果．

3.1 情境整合

筆者以高中物理的內(nèi)容為核心目標(biāo),利用現(xiàn)實(shí)的工程問(wèn)題情境來(lái)推動(dòng)核心內(nèi)容的學(xué)習(xí)．

情境設(shè)置:2016年7月21日下午4點(diǎn)半許,滬昆高速公路565km處(江西弋陽(yáng)段、上饒往南昌方向)發(fā)生一起江蘇牌照貨車側(cè)翻事故．經(jīng)詢問(wèn)駕駛員得知,該貨車是由于高溫天氣輪胎爆胎導(dǎo)致發(fā)生側(cè)翻事故,如圖2所示．

此時(shí),學(xué)生會(huì)心存疑慮,這是真的嗎?直接讓學(xué)生自己答疑,通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查詢有關(guān)汽車夏季爆胎事故的新聞報(bào)道,居然發(fā)現(xiàn),每年發(fā)生在高速公路上的交通事故,46%是由輪胎故障引起,其中又以輪胎溫度過(guò)高為最．

圖2 問(wèn)題情境

圖文并茂更能激發(fā)學(xué)生的代入感,學(xué)生自然而然會(huì)提出一個(gè)設(shè)想:如果能及時(shí)知道汽車輪胎表面溫度過(guò)高,是不是就可以做好預(yù)防工作,避免交通事故的發(fā)生?

3.2 基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)

考慮到時(shí)間限制,本節(jié)課采用基于問(wèn)題學(xué)習(xí)的教學(xué)方法,所有的學(xué)習(xí)活動(dòng)都是圍繞問(wèn)題展開的．問(wèn)題是STEM教育的核心,也是驅(qū)動(dòng)進(jìn)一步研究的起點(diǎn)．所以,教師需要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容,精心準(zhǔn)備,更要根據(jù)學(xué)情分析,提出難度適中、邏輯合理的問(wèn)題．

針對(duì)學(xué)生提出的設(shè)想,結(jié)合本節(jié)課的中心內(nèi)容“傳感器的應(yīng)用”,筆者設(shè)置的問(wèn)題是: (1) 生活中,你能接觸到哪些傳感器?(2) 這些傳感器有什么樣的作用?(3) 打開你們的實(shí)驗(yàn)箱,看看這些電子元器件都認(rèn)識(shí)嗎?它們有什么樣的作用?(4) 是否可以利用這些電子元器件,根據(jù)你們剛才的設(shè)想,設(shè)計(jì)一個(gè)裝置,當(dāng)汽車輪胎表面溫度過(guò)高時(shí)報(bào)警,提醒司機(jī)呢?

3.3 分組研究問(wèn)題,收集技術(shù)、數(shù)據(jù)

在富有開放性的問(wèn)題情境中,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,這是STEM教學(xué)的關(guān)鍵步驟．在這個(gè)環(huán)節(jié)中,教師起到一個(gè)組織者的作用,指導(dǎo)、規(guī)范學(xué)生的探索過(guò)程．課堂上,允許學(xué)生自由組合,分成八個(gè)探究小組,這個(gè)過(guò)程注重培養(yǎng)學(xué)生尋求合作的團(tuán)隊(duì)精神．每個(gè)小組通過(guò)教材、教輔、計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)等方式收集資料,分工合作,既提高了課堂效率,又能夠“百花齊放”,碰撞出思維的火花．

針對(duì)上面的4個(gè)問(wèn)題,學(xué)生們會(huì)有很多聯(lián)想豐富的答案,每個(gè)答案都是一個(gè)“閃光點(diǎn)”,教師應(yīng)給予及時(shí)的鼓勵(lì),激發(fā)學(xué)生的表現(xiàn)欲,促進(jìn)創(chuàng)新思維的發(fā)展,挖掘?qū)W生探究的潛能．

3.4 引導(dǎo)學(xué)生物理知識(shí)的構(gòu)建

經(jīng)過(guò)前面的鋪墊,學(xué)生對(duì)傳感器有了基本的認(rèn)識(shí)．此時(shí),筆者將傳感器的概念、分類、原理、應(yīng)用等知識(shí)點(diǎn)梳理清楚,給學(xué)生構(gòu)建一個(gè)以傳感器為中心的知識(shí)體系．

接著,提醒學(xué)生將目光再次放回到實(shí)驗(yàn)箱,而前期的問(wèn)答過(guò)程已經(jīng)為學(xué)生做好了知識(shí)準(zhǔn)備,此時(shí)學(xué)生可以很迅速地將需要用到的電子元器件找出來(lái),并且設(shè)計(jì)合理的電路．

經(jīng)過(guò)反復(fù)論證,我們挑選了一種最簡(jiǎn)單可行的方案:熱敏電阻、斯密特觸發(fā)器、蜂鳴器、滑線變阻器、集成電路板、電池盒,設(shè)計(jì)了一種“溫度報(bào)警器”,可以實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警的功能．圖3就是學(xué)生的研究成果.

(a) 電路圖 (b) 實(shí)驗(yàn)裝置圖

傳統(tǒng)的教學(xué)到實(shí)驗(yàn)裝置連接完成就結(jié)束了,然而這樣的實(shí)驗(yàn)裝置并沒有解決實(shí)際的工程問(wèn)題,即實(shí)現(xiàn)汽車輪胎表面溫度預(yù)警．可以說(shuō),到這一步還不能最大程度激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,還沒有實(shí)現(xiàn)STEM教育的目標(biāo)．

3.5 學(xué)生分析元器件,設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的方案

核心知識(shí)掌握了,電路也接好了,接下來(lái)就應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生往教師所設(shè)定的研究方向前行了．STEM教育中,必須正確處理教師的“引”和學(xué)生的“探”的關(guān)系,既不能放任自流,讓學(xué)生漫無(wú)邊際去探究,也不能過(guò)多地牽引,反客為主．所以,在這個(gè)環(huán)節(jié),筆者追加了3個(gè)問(wèn)題.

(1) 汽車輪胎表面的警戒溫度是多少?

(2)RT的變化是如何引起蜂鳴器發(fā)聲的?

(3) 如何設(shè)置警戒溫度?

對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題,查詢資料可知,因?yàn)槠囕喬サ钠放撇煌?工作溫度各不相同,經(jīng)過(guò)討論,大家比較認(rèn)可的是:汽車輪胎工作時(shí)的溫度一般是40-80℃之間,長(zhǎng)途高速行駛可能會(huì)升高到120℃左右,這時(shí)就會(huì)很危險(xiǎn),因此學(xué)生們將汽車輪胎表面警戒溫度設(shè)定為90℃．

后兩個(gè)問(wèn)題是本節(jié)課的核心問(wèn)題,每組都設(shè)計(jì)了自己的方案,因此交流分享的教學(xué)方法更為合適．

3.6 合作交流,分享成果

合作,也是STEM教育中的重點(diǎn),合作可以讓單一性思考和求異性思維相結(jié)合,碰撞出思維的火花．同組的學(xué)生圍繞著關(guān)鍵問(wèn)題展開了進(jìn)一步討論,并根據(jù)每個(gè)人的特長(zhǎng)進(jìn)行了分工:資料收集,選擇電子元器件,設(shè)計(jì),畫圖,連線,驗(yàn)證,交流,一環(huán)扣一環(huán)．合作交流這個(gè)過(guò)程本身,就是提升學(xué)生能力的好機(jī)會(huì)．

對(duì)于“RT的變化是如何引起蜂鳴器發(fā)聲”這個(gè)問(wèn)題,雖然大家的方案各不相同,但最后的結(jié)論都很一致:因?yàn)闊崦綦娮鑂T的阻值是隨著溫度的升高而降低的,那么電路中A點(diǎn)的電勢(shì)(圖3a)就會(huì)隨之升高,當(dāng)UA上升到1.6 V時(shí),UY就突然下降到0.2 V,于是蜂鳴器兩端的電壓為4.8 V,大于蜂鳴器的觸發(fā)電壓4 V,則蜂鳴器發(fā)聲．上述數(shù)值是其中一個(gè)小組用電壓表驗(yàn)證的,得到大家的認(rèn)可．從這個(gè)驗(yàn)證過(guò)程中,學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)了斯密特觸發(fā)器的工作原理,筆者進(jìn)行了及時(shí)的表?yè)P(yáng)．

而“如何設(shè)置警戒溫度”這個(gè)問(wèn)題,大家也很明確:當(dāng)R1調(diào)到某個(gè)合適的值,RT上的溫度小于90℃時(shí),蜂鳴器不發(fā)聲;反之,蜂鳴器會(huì)發(fā)出刺耳的蜂鳴聲,提醒司機(jī)注意給汽車減速降溫．而控制溫度的方法一下子成了熱點(diǎn),學(xué)生們一個(gè)又一個(gè)“稀奇古怪”的想法就都冒出來(lái)了:用燒杯裝熱水、用電吹風(fēng)機(jī)、用蒸汽熨斗,等等．原來(lái)沒有什么想法的學(xué)生,在聽了代表交流發(fā)言后,也被激發(fā)了靈感,爭(zhēng)先恐后的發(fā)言．到此時(shí),學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被完全調(diào)動(dòng)起來(lái)了,熱情空前高漲,甚至課后還聽到學(xué)生的爭(zhēng)論．至于究竟什么方法最合適,筆者留給學(xué)生一句話——“實(shí)踐出真知”!

3.7 教學(xué)反思

如果說(shuō),前面3個(gè)步驟是“放”,讓學(xué)生有足夠的發(fā)散思維,激發(fā)他們的創(chuàng)造能力,那么,后面3個(gè)步驟就是“收”,引導(dǎo)學(xué)生往解決問(wèn)題的思路上走,設(shè)計(jì)出實(shí)際方案,實(shí)現(xiàn)“學(xué)以致用”,提升學(xué)生的成就感．此教學(xué)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了STEM教育的基本要求．

課堂最后獲得的解決方案雖然不唯一,但是將物理與生活,問(wèn)題與工程有機(jī)地聯(lián)系了起來(lái)．學(xué)生在整節(jié)課中,涉及到了信息查詢、性能了解、電路作圖、實(shí)驗(yàn)制作、參數(shù)確定等技能,很好地感受到科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)4大領(lǐng)域的緊密關(guān)系,也提高了他們?nèi)嬲莆罩R(shí)和靈活運(yùn)用的能力．到這里,可以說(shuō),這節(jié)課已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)教學(xué)目標(biāo)．

更讓人驚喜的是,幾周后,一些感興趣的學(xué)生將設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了應(yīng)用改進(jìn),制作成了一個(gè)實(shí)物作品,雖然簡(jiǎn)陋,但是具備基本

的預(yù)警功能．課堂教學(xué)得到了延伸,基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)被拓展為了基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí),學(xué)生有了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與自發(fā)性．

4 結(jié)束語(yǔ)

STEM教育理念的引入,為高中物理課堂注入了一股新的活力．通過(guò)“傳感器的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”這個(gè)教學(xué)實(shí)例,筆者發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)教學(xué)相比,STEM教育基于真實(shí)問(wèn)題的研究過(guò)程,更能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,對(duì)培養(yǎng)他們?nèi)诤稀案裎镏掠谩迸c“格物致知”的能力起到潛移默化的作用．