摘要：STEM教育以科學(xué)與工程問題的課程為主線，為學(xué)生提供一系列有一定關(guān)聯(lián)程度的學(xué)習(xí)經(jīng)歷的教育方式或教育模式.以開發(fā)的基于STEM的項目式學(xué)習(xí)案例“鉆木取火”為例，闡述了STEM主題課程的開發(fā)設(shè)計、學(xué)習(xí)目標(biāo)的確定、教學(xué)實踐和教學(xué)反思等，重點展示了項目式學(xué)習(xí)實施的具體過程和遇到的困難以及突破的方法，以此說明：正是通過基于工程的項目式學(xué)習(xí)的過程，運用數(shù)學(xué)、科學(xué)的知識解決方案和技術(shù)達(dá)成目標(biāo)，從而最終實現(xiàn)達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新人才的根本目的.

關(guān)鍵詞：STEM；項目式學(xué)習(xí)；鉆木取火

基金項目：全國教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題，2017年度教育部重點課題“基于STEM的高中物理實驗教學(xué)研究”（項目編號：DHA170401）.

作者簡介：韓敘虹（1971-），女，教育碩士，中學(xué)特級教師，正高級教師，兼職教研員；碩士生導(dǎo)師、客座教授，“國培計劃”課程專家，中央電視臺科教頻道欄目顧問和節(jié)目策劃等.

研究方向：物理教學(xué)設(shè)計的實踐和研究.

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的簡寫，它將原本分散的學(xué)科形成一個整體.與常規(guī)的分學(xué)科教學(xué)不同，STEM教學(xué)強調(diào)為學(xué)生提供逼近真實，且富有現(xiàn)實意義的問題情境，讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、合作式學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)方式，整合內(nèi)化碎片化的、教科書式的知識，協(xié)作發(fā)展STEM素養(yǎng).STEM教學(xué)強調(diào)將學(xué)生學(xué)習(xí)到的零碎知識與機械過程轉(zhuǎn)變成一個探究世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的過程.筆者在從事學(xué)科教學(xué)之余，還兼任學(xué)?？萍继剿魃鐖F(tuán)的輔導(dǎo)教師，指導(dǎo)學(xué)生開展物理研究性學(xué)習(xí)， 通過基于工程的項目式學(xué)習(xí)，運用數(shù)學(xué)、科學(xué)的知識解決方案，通過技術(shù)達(dá)成目標(biāo)，來訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，從而最終實現(xiàn)達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新人才的根本目的.

本文以開發(fā)的STEM的項目式學(xué)習(xí)的具體案例《鉆木取火》為例，具體闡釋基于STEM的項目式學(xué)習(xí)的教學(xué)實踐和探索.

1案例背景分析

11開發(fā)緣由

筆者兼任中央電視臺科教頻道《走近科學(xué)》的欄目顧問，受邀擔(dān)任2018年改版的新節(jié)目《解碼科技史》的節(jié)目策劃，新欄目要制作一期《誰發(fā)現(xiàn)了氧氣》的節(jié)目，應(yīng)央視編導(dǎo)的要求，節(jié)目中需要錄制一段《鉆木取火》視頻，視頻內(nèi)容為現(xiàn)代人模仿古人進(jìn)行鉆木取火，這個科學(xué)實驗的任務(wù)就落在了筆者及學(xué)校的科技探索社團(tuán)的同學(xué)肩上.

12學(xué)習(xí)者分析

擔(dān)任此次錄制任務(wù)的學(xué)生系北京市某重點中學(xué)的科技探索社團(tuán)的高二學(xué)生，他們學(xué)習(xí)基礎(chǔ)好，物理學(xué)習(xí)能力強，基本掌握了初高中物理、化學(xué)等學(xué)科知識，在知識儲備方面，完全能勝任完成“鉆木取火”任務(wù)，且有科技背景，有較強的動手能力和解決實際問題能力.“紙上得來終覺淺”，筆者期待借助工程思想理念的項目式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在實驗的創(chuàng)新和設(shè)計能力上得到有效的鍛煉，另一方面，通過項目式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體會到科學(xué)的來之不易，即便是像“鉆木取火”這樣一個似乎毫不費勁的科學(xué)任務(wù)，但在實現(xiàn)的過程中仍艱辛無比，事實也證明如此.

2主題課程設(shè)計

21基于STEM的項目式學(xué)習(xí)的教學(xué)目標(biāo)分析

科學(xué)知識層面，主要以高中物理力學(xué)知識和化學(xué)學(xué)科中有關(guān)燃燒的知識為依托，主要有：運用物理的運動與相互作用觀念，對木棍進(jìn)行受力分析和平衡條件的分析；運用物理的能量觀念，分析鉆木取火過程中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系；分析燃燒的條件，經(jīng)歷完整的鉆木取火的科學(xué)探究過程，培養(yǎng)解決實際問題的能力；學(xué)會與他人合作，合理分工、協(xié)作，共同完成學(xué)習(xí)任務(wù).技術(shù)與工程層面，主要是經(jīng)歷信息的搜索和整合，進(jìn)一步理解鉆木取火的原理和燃燒的條件；從實際生活中，尋找合適的可燃物和可燃器材，利用學(xué)校的通用技術(shù)實驗室的先進(jìn)技術(shù)，自行研制鉆木和鉆木輔助裝置等；而項目本身就是一個工程問題，工程問題及問題的解決都體現(xiàn)了問題驅(qū)動下的STEM理念.在數(shù)學(xué)層面上，將數(shù)學(xué)作為有效的測算工具，主要完成鉆木輔助裝置的參數(shù)計算，以及實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的精確測算等.

22主題課程的設(shè)計思路

本STEM的主題課程，以完成鉆木取火的實驗任務(wù)的項目式學(xué)習(xí)展開，以小組合作學(xué)習(xí)的方式，通過基于工程的學(xué)習(xí)，運用數(shù)學(xué)及科學(xué)探究，設(shè)計解決方案，親自動腦動手，通過技術(shù)達(dá)成目標(biāo).

3主題課程的具體教學(xué)過程

31第一階段：鉆木取火原理釋析和燃燒條件分析

（1）課題引入，播放網(wǎng)上野外生存短片——鉆木取火.

旁白：用一根木棍，通過雙手用力往復(fù)旋轉(zhuǎn)，持續(xù)摩擦木板，不久接觸處就會冒煙，木板燃起火星后，就得到火種，利用火種就可以引燃易燃品，從而完成鉆木取火的過程.

（2）以小組競爭的形式，將參與實驗的學(xué)生分成兩小組，任命小組長，布置鉆木取火的實驗任務(wù)，準(zhǔn)備時間為一周，一周后以比賽的形式，看哪一組先完成實驗任務(wù)——生火.要求采取小組合作學(xué)習(xí)的方式，通過觀看視頻和網(wǎng)上檢索等，了解鉆木取火的原理及詳細(xì)的取火步驟，制定本組的實驗方案，準(zhǔn)備實驗器材.

（3）兩小組展開熱烈的探討，統(tǒng)一小組意見，得出燃燒的3個關(guān)鍵條件：易燃品，氧氣，摩擦達(dá)到著火點（即燃點），三個條件缺一不可.

（4）針對以上3個關(guān)鍵條件，小組設(shè)計實驗方案.

設(shè)計意圖：通過互聯(lián)網(wǎng)強大的信息檢索功能，分析鉆木取火的原理以及針對取火步驟分析燃燒條件，探討實驗成功的關(guān)鍵點，繼而再根據(jù)關(guān)鍵點開始設(shè)計實驗方案，讓學(xué)生體會要完成一個項目需要經(jīng)歷的一般流程，特別是從關(guān)鍵點切入是科學(xué)分解項目的依據(jù)和實驗成功的保障.

32第二階段：鉆木工具的研制和準(zhǔn)備

這個階段歷時1周，各小組學(xué)生在查找文獻(xiàn)等參考資料的基礎(chǔ)上，在運用物理知識進(jìn)行受力分析和平衡條件分析之后，同學(xué)們還就怎樣更容易燃燒，請教化學(xué)老師，化學(xué)老師給出的建議是：氧氣是助燃?xì)?，一定要留一個進(jìn)風(fēng)口，既能讓氧氣進(jìn)到里面，還能提高氧氣的濃度，從而保證充分燃燒.

兩小組最終確定完成實驗所需的器材及材質(zhì)：木板用材質(zhì)比較軟的一大塊松木（在松木表面鑿出一處凹陷作為鉆眼），如圖1甲所示，學(xué)生給它鉆孔；在制作鉆木用的木棍時，如圖1乙所示，先用小刀削尖，呈錐形，再把棍的前面的頭稍微磨鈍點，好讓它跟木板的摩擦更充分，也讓摩擦力變得更大.學(xué)生們還找來了很多易燃物以做引火用，有涂了乙醚的棉花、報紙，還有用鐵鋸鋸出的松木屑，如圖1丙所示.為了固定木棍，第一小組還自己制作了一個輔助工具，如圖2所示，讓木棍插在輔助工具的孔里，以保證木棍在鉆的過程中不會左偏右倒.

設(shè)計意圖：這是一個讓學(xué)生運用物理和化學(xué)的原理，借助數(shù)學(xué)工具，親自動腦動手制作實驗器材的過程.一方面要求學(xué)生理解古人鉆木取火的原義，學(xué)習(xí)運用科學(xué)知識于實際問題中，完成器材的制作；另一方面，這個過程也有助于培養(yǎng)學(xué)生實驗操作的能力和分工合作的精神.

33第三階段：鉆木取火實驗及改進(jìn)

在一個極其寒冷的冬日的上午，兩小組同學(xué)開始了鉆木取火實驗競賽.兩小組都派出了力氣最大的“大力士”同學(xué)直接用手鉆木，如圖3所示，但用力過猛，木棍從中截斷，換上準(zhǔn)備好的新木棍再來，兩小組不斷地?fù)Q人，參加實驗的同學(xué)都盡可能用最大的力，最快的速度，但都沒有任何效果，在經(jīng)歷了2個多小時的手鉆之后，第一次鉆木取火實驗以失敗告終.

面對如此嚴(yán)峻的實驗形勢，兩組同學(xué)決定化對手為合作伙伴，聯(lián)手共同克服困難.同學(xué)們分析失敗的原因主要是力氣不如古人大，一組的組長提議研制新的鉆木器材，對工具進(jìn)行升級改良.一番分工后，兩組同學(xué)投身到學(xué)校通用技術(shù)實驗室里各司其職，他們運用3D激光切割機等先進(jìn)的工程技術(shù)研制出了“陀螺式”鉆桿，如圖4所示.“陀螺式”鉆桿是一個很精巧的機械裝置，它類似于陀螺的原理，使鉆木鉆得更快，即使手已經(jīng)停下來的時候，它還能繼續(xù)鉆，可以獲得穩(wěn)定而持續(xù)的旋轉(zhuǎn).

學(xué)生制做了松木板、鉆桿和固定鉆桿等輔助工具，至此，升級版鉆木器件準(zhǔn)備就緒.有了“陀螺式”鉆桿的助陣，再做鉆木取火實驗時，同學(xué)們戴上白手套，鉆木架勢十足，如圖5甲所示，尤其在轉(zhuǎn)速和持續(xù)時間上，都有明顯的增加.果然，沒過幾分鐘，就聞到了焦糊的松香味，加快鉆木后，就看到煙不斷地冒出來，如圖5乙所示.同學(xué)們興奮地從旁遞上木屑，棉花、報紙，多管齊下，……實驗又持續(xù)了幾個小時，在冒煙的基礎(chǔ)上，即使鉆桿從中間硬生生磨斷了3根，但都沒能把火點起來.但即便如此，每次看到木材冒煙，都讓同學(xué)們歡欣鼓舞，激動不已.

實驗結(jié)束后，同學(xué)們分析為什么只見冒煙，不見火光，他們認(rèn)為有兩大可能原因：最大可能是進(jìn)風(fēng)口太小，冒煙后，由于拼命往里添引火物，導(dǎo)致氧氣進(jìn)入不夠或者進(jìn)風(fēng)口被引火物給堵死了；第二種，還是氣溫太低的原因，當(dāng)天環(huán)境溫度在0℃以下，摩擦后獲得的熱量不夠，溫度達(dá)不到著火點所致.

設(shè)計意圖：本階段屬于典型的科學(xué)探究實驗過程：實驗，觀察，質(zhì)疑，解釋；再實驗，觀察，解釋，……在一輪又一輪的實驗改進(jìn)探索中，學(xué)生的熱情高漲，思維的火花不斷被激發(fā)，不斷激勵著學(xué)生勇于探索、大膽嘗試；另一方面，經(jīng)歷了這個過程，同學(xué)們深深體會到科學(xué)的艱辛和來之不易，很多時候，我們只能非常接近成功的大門，而不能真正成功.但經(jīng)過科學(xué)“洗禮”的學(xué)生更能感受到科學(xué)有著如此美好的秉性，從而更加鐘愛科學(xué)，更有激情地去學(xué)習(xí)科學(xué).

4教學(xué)反思

STEM教育是注重體驗性的.我們第一次如此深刻地理解了什么是科學(xué)？什么是真理？正如同丁肇中所說：“所有的自然科學(xué)都是實驗科學(xué).實驗可以推翻理論，而理論永遠(yuǎn)無法推翻實驗.因此實驗對于自然科學(xué)來講非常重要.” 對之前的猜想進(jìn)行驗證，正是基于一次次的科學(xué)探索，一次次實驗論證，在一輪又一輪的實驗改進(jìn)中，從而更真實地接近科學(xué)的真相.

有人說，STEM教學(xué)強調(diào)的是培養(yǎng)學(xué)生“帶走的能力”，而不是“背不動的書包”，這正是STEM教育的意義之所在.通過項目式的學(xué)習(xí)過程，基于問題的模式的運用，是提高學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑.一方面，使學(xué)生積極主動地參與到學(xué)科教學(xué)和社會實踐中來，培養(yǎng)他們的主觀能動性，學(xué)會獨立思考，勇于探究.另一方面，培養(yǎng)學(xué)生運用工程的理念去分析、處理實際問題，來訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和質(zhì)疑精神.基于STEM的項目式學(xué)習(xí)是在學(xué)科教學(xué)的基礎(chǔ)上，以設(shè)計STEM的生活或工作的項目來推動學(xué)科教學(xué)的STEM的教育轉(zhuǎn)型.

參考文獻(xiàn)：

[1]韓敘虹.基于物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的STEM教學(xué)的實踐與探索[J].中學(xué)物理，2018（3）：2-6.

[2]趙玉婷，王卓玉.初中《研究性學(xué)習(xí)》的課程設(shè)計與實施策略研究[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2017（4）：38-43.

[3]謝麗，李春密物理課程融入STEM教育理念的研究與實踐[J].物理教師，2017（4）：2-4.

[4]王玲玲基于STEM的小學(xué)科學(xué)課程設(shè)計研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2015.