王東

基于STEM教育理念及以工程設計整合跨學科學習的思想，我們對蘇教版四年級《擺》一課的內容進行拓展、改造，自編了《制作秒擺》一課。本課的基礎任務是探究擺的等時性，其挑戰(zhàn)性任務是嘗試制作一個秒擺。

問題與聚焦——明確制作秒擺任務

課的開始教師向學生介紹道，從古老的擺鐘到小巧的手表，盡管式樣繁多，卻都有個擺。在人類計量史和物理學史中，擺的發(fā)明是個重大的歷史事件。

在學生充分交流對擺的了解與問題后，教師引導他們觀察教室里的座鐘，發(fā)現：座鐘的鐘擺每分鐘都擺動30次，并且在相同時間里擺動次數是相等的，揭示出秒擺的概念——每2秒鐘擺動1次的擺。

在了解了秒擺的概念和特點后，教師調動學生探究熱情，明確本課的主要任務：制作一個秒擺。

調查與研究——探究擺的等時性

為什么要設計“探究擺的等時性”的探究活動？引導學生探究發(fā)現擺的等時性，相機滲透科學史教育，就是讓學生重復科學家的探究過程，讓他們意識到科學研究需要堅持不懈、嚴謹求實的科學態(tài)度，從而體驗科學技術改變了人類生活。

科學強調學生動手、動腦學科學。STEM學習重視科學思維的培養(yǎng)，強調在掌握相應經驗的基礎之上進行思考或設計，之后再動手實踐，最后檢驗設計的可行性和合理性。

首先，教師引導學生觀察同一個擺1分鐘的擺動次數，經過3次觀察和測量活動，學生發(fā)現同一個擺每分鐘擺動的次數是相同的。

然后，觀察同一個擺在不同時段的擺動次數。學生發(fā)現同一個擺在連續(xù)擺動時，擺動幅度會越來越小，速度會越來越慢，產生“前一段與后一段的相同時間內，擺動次數會不會改變”的疑問，從而激發(fā)學生繼續(xù)探究的熱情。學生經過分組實驗后得出結論：同一個擺在連續(xù)擺動過程中，每擺動一次的時間都是相等的，即單擺的等時性規(guī)律。

在上述觀察和測量活動中，要做到準確計量并得到有效的數據，涉及很多因素，如學生的操作能力、觀測能力、合作能力、器材裝置的改進等，體現了技術在實驗中的重要性。

設計與制作——嘗試制作一個秒擺

科學課要使學生學會科學地看問題和想問題，意識到對事物不僅要有質上的認識，更要從量上分析得出結論。教師要善于運用數學方法引導學生采集數據、統(tǒng)計、計算、分析整理數據，進而發(fā)現規(guī)律。讓學生在動手制作之前進行整體性的思考和設計，是工程思維的具體體現之一。

1.探究擺的快慢規(guī)律，掌握設計的方法

各組用于研究等時性的擺的擺長確定并測量后，將不同擺長的擺掛到黑板上，記下各組的擺長和1分鐘擺動的次數，觀察這些不同的擺，學生發(fā)現擺的快慢與擺長有關，擺長越長，擺得就越慢，反之擺得越快。擺長和擺動次數之間有沒有一定的規(guī)律呢？教師引導各組對數據進行觀察和分析（如表1）。

對四年級學生來說，發(fā)現數據之間的關系具有比較大的難度，教師通過課件輔助，用直觀形象的方式，把相對應的數據用同樣的顏色標注出來，并且將對應的數據生成條形圖，引導學生對這些數據進行比較觀察。學生經過小組討論、交流后，發(fā)現了如果擺長是原來的4倍，1分鐘擺動次數就減少為原來的一半——教學實現了信息技術與科學學習的有機整合。

設計秒擺是對教材《擺》部分活動的深化探究，是在學生已經認識到“擺的快慢與擺錘輕重、擺角的大小無關，與擺線長短有關”，并具備了較好的測量擺在單位時間內擺動次數的技能的基礎上，通過測量和比較的方法，進一步探究擺的快慢規(guī)律。如果教學還停留在教材中“反復調整擺線長短做出秒擺”的能力水平上，其意義和價值不大。綜合運用數學、工程等跨學科知識解決問題，從“反復調整”變?yōu)椤案鶕l(fā)現的數據之間的規(guī)律”來設計擺長，不僅體現了科學與數學的融合學習，也符合“重視過程中數據資料的搜集與積累”的學習要求。

2.根據發(fā)現的數據關系，嘗試制作秒擺

要想制作1分鐘擺動30次（即每2秒鐘擺動1次）的秒擺，能不能從剛才發(fā)現的數據關系入手設計秒擺的擺長呢？

學生根據擺長和擺動次數變化之間的數量關系，就能設計出用“1分鐘擺動60次的擺的擺長乘4”的方案，即秒擺的擺長應該為1米。

接下來，學生可以根據發(fā)現的數據關系制作秒擺。

測試與改進——制作符合標準的秒擺

學生對制作的秒擺進行測試，對數據進行分析整理，得出實驗結論。在實驗的過程中，學生細致地調整實驗裝置上的擺繩長短并測量、改進和優(yōu)化，制作出符合要求的秒擺，發(fā)展了技術能力和工程迭代思維。學生通過測量驗證、匯報交流后發(fā)現，秒擺的擺長為1米時，每2秒鐘擺動1次，再來測量教室里座鐘鐘擺的擺長，發(fā)現其擺長也為1米。

科學研究常常會運用到大量的數據分析，科學家善于把隱藏在一大堆看似雜亂無章的數據背后的信息提煉出來，總結出研究對象的內在規(guī)律，從而改進生活、造福人類。科學探究中的數據處理、模型建立離不開數學，在探究過程中，教師要盡可能引導學生應用數學知識和數學思維。

小結與反思——激發(fā)繼續(xù)探究的興趣

科學教育開始重視STEM，我認為至少有以下幾點積極的變化：

1.關注深度學習

STEM不僅是一種新的課程形態(tài)，也是一種新的學習方式，其建立在現代學習理論基礎上，以學習者為中心，基于項目學習，基于問題解決學習，基于綜合學習，是需要較高水平的學習策略作為支持的深度學習樣式。項目創(chuàng)作、課題研究是深度學習的兩種基本方式。在設計、制作秒擺的學習任務中，學生需要靈活提取科學、數學、工程、技術等各學科知識，經歷科學探究和工程實踐的學習過程。這有利于培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力，有利于學生學科核心素養(yǎng)的形成，能促進學生深度學習。

2.關注工程設計取向

STEM教育和以往的科學教育相比，更關注學生綜合運用知識解決真實世界中的問題，通常需要制作出完整的作品或設計出方案。STEM學習通常開始于一個可測量的目標，設計任務包含了明確、可知的規(guī)格或標準。

STEM學習是將任務置于豐富情境下并提出明確目標，要求學生解決若干問題，通過學生完整的作品展示，來考量學生對STEM所涉及的各個學科概念的掌握情況。工程設計是STEM學習的基石，有利于發(fā)展學生的整體性思維，有利于提高學生解決問題的能力。教師進行STEM課程設計時，要了解工程設計中“識別問題和制約因素—調查研究—形成概念—分析觀點—建立模型—測試和優(yōu)化—溝通和反思”的基本步驟，了解工程師們是怎樣設計解決問題的方案和控制設計風險的，從而讓學生了解工程設計的流程和思想。

3.關注課程開發(fā)

長期以來，一線教師只關注如何教，怎樣教好，很少去思考為什么教，普遍缺少課程開發(fā)意識。STEM教育重視培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，但STEM項目從哪里來？本課制作秒擺就是對國家課程的合理改造和設計，涉及課程資源的開發(fā)和設計問題。

基于STEM理念的小學科學教學設計，需要教師熟悉STEM教育理念，了解項目學習的歷史背景、實施原則和主要途徑，熟悉問題解決學習的基本模式和主要形式等，這樣才能去拓展、改進、完善教學內容和教學設計。這就要求教師樹立課程意識，關注課程開發(fā)，更多地從課程開發(fā)的視角審視科學教育、現有科學課程學習、學生科技活動、學生日常生活等。