李白靈 郝星宇 楊曉梅

摘? ?要：STEM教育理論下的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)有利于通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)和問題解決的方式培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。文章以“風(fēng)力發(fā)電”項(xiàng)目為例，結(jié)合物理學(xué)科的特點(diǎn)，從教學(xué)準(zhǔn)備、探究學(xué)習(xí)過程、教學(xué)評(píng)價(jià)三個(gè)方面設(shè)計(jì)了教學(xué)實(shí)施流程，并探討通過該項(xiàng)目的實(shí)施培養(yǎng)學(xué)生思維創(chuàng)新能力的可行性，以期為中學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的開展提供參考。

關(guān)鍵詞：STEM;項(xiàng)目化學(xué)習(xí);風(fēng)力發(fā)電;教學(xué)流程

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）11-0076-4

STEM教育是一種通過整合科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）和數(shù)學(xué)（M）領(lǐng)域內(nèi)容和方法進(jìn)行項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的教育方式[1]。這種整合既不是對教科書知識(shí)的簡單疊加，也不是各學(xué)科知識(shí)之間的無意義交融，而是在項(xiàng)目工程實(shí)施過程中為有效達(dá)成任務(wù)、解決問題，學(xué)生自主地調(diào)動(dòng)全學(xué)科知識(shí)而形成的整合。本文以“風(fēng)力發(fā)電”項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)為例，從教學(xué)準(zhǔn)備、探究學(xué)習(xí)過程、教學(xué)評(píng)價(jià)三個(gè)方面，探討通過該項(xiàng)目的實(shí)施培養(yǎng)學(xué)生思維創(chuàng)新能力的可行性，提出可供中學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)參考的探究實(shí)施流程。

1? ? STEM教育理論下的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)

STEM教育理論中基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)為學(xué)生提供真實(shí)的情境和特定的教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生制定計(jì)劃，綜合運(yùn)用所學(xué)的多學(xué)科知識(shí)和技能，有效利用各種資源，解決一系列相互關(guān)聯(lián)的現(xiàn)實(shí)問題，最終以產(chǎn)品或研究報(bào)告的形式結(jié)束。基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)在活動(dòng)過程和活動(dòng)結(jié)束之后產(chǎn)生人工制品[2]，產(chǎn)生人工制品是現(xiàn)階段開展STEM學(xué)習(xí)最主要的成果，也是我們設(shè)計(jì)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)流程的出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)。

結(jié)合物理學(xué)科的特點(diǎn)，我們從教學(xué)準(zhǔn)備、教學(xué)實(shí)施、教學(xué)反饋三個(gè)階段提出了如圖1所示的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)流程圖。

2? ? 風(fēng)力發(fā)電機(jī)項(xiàng)目的探究學(xué)習(xí)過程

2.1? ? 確定項(xiàng)目目標(biāo)

風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目是基于現(xiàn)實(shí)生活的復(fù)雜工程型問題，融合了多學(xué)科知識(shí)。其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)涉及了物理學(xué)中力學(xué)和電磁學(xué)等多個(gè)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，有利于學(xué)生深化物理知識(shí)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。從產(chǎn)品制作的角度來看，其可實(shí)現(xiàn)性高，且與社會(huì)和生活關(guān)系密切。

“制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)使二極管發(fā)光”的教學(xué)目標(biāo)可描述為：“學(xué)生通過參觀考察、文獻(xiàn)查閱等方式了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展歷史與前景;通過科學(xué)探究，學(xué)習(xí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)涉及的基本原理;通過設(shè)計(jì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、制作小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，體會(huì)工程設(shè)計(jì)與制作的過程;能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)思維解決真實(shí)情境中的計(jì)算問題?！痹敿?xì)分解見表1。 [1]

2.2? ? 制定跨學(xué)科知識(shí)和方法細(xì)目表

具體內(nèi)容見表2。

2.3? ? 制定學(xué)習(xí)活動(dòng)細(xì)目表

具體內(nèi)容見表3。

2.4? ? 探究環(huán)節(jié)

2.4.1? ? 提出并界定問題

我們能否在家庭或?qū)嶒?yàn)室里設(shè)計(jì)出小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)呢？教師引導(dǎo)學(xué)生思考：風(fēng)力發(fā)電的原理是什么？制作風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要什么樣的材料和工具？風(fēng)力發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能如何處理？

2.4.2? ? 工程分解，明確工作機(jī)制

學(xué)生通過查閱資料、實(shí)地調(diào)查了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行 “頭腦風(fēng)暴”發(fā)散思維，歸納出有關(guān)風(fēng)力發(fā)電工作機(jī)制的諸多問題，教師可引導(dǎo)學(xué)生將有關(guān)問題梳理為如圖2所示的問題框架。

2.4.3? ? 搭建學(xué)習(xí)支架，建立物理模型

在圍繞產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行“頭腦風(fēng)暴”后，復(fù)雜的原始問題將被分解成若干個(gè)基礎(chǔ)問題。教師則需要引導(dǎo)學(xué)生圍繞這些問題采用文獻(xiàn)調(diào)查、科學(xué)探究等方式解決問題，并建立物理、數(shù)學(xué)模型。

通過學(xué)習(xí)學(xué)生將建立以下物理模型：

①受力分析——傳統(tǒng)風(fēng)車發(fā)電中風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn)原理：選取風(fēng)葉的中心點(diǎn)作為研究對象，如圖3所示，風(fēng)葉所受到的力可分解為徑向和切向兩個(gè)方向的力，其中徑向力不做功，切向力推動(dòng)風(fēng)車旋轉(zhuǎn)。

②流體流速模型——現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)原理如圖4所示[3]。圖示為扇葉的橫切圖，v表示風(fēng)速和方向，葉片上方的流速大壓強(qiáng)小，下方的流速小壓強(qiáng)大，從而產(chǎn)生一個(gè)向上的升力Fy，同時(shí)風(fēng)對葉片會(huì)產(chǎn)生水平推力Fx，兩個(gè)力的合力為F，方向如圖4所示。在該力的作用下，風(fēng)葉開始旋轉(zhuǎn)。

③法拉第電磁感應(yīng)定律，如圖5所示，閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比，即E=n （其中，n表示線圈的匝數(shù)，Δφ表示Δt時(shí)間內(nèi)的磁通量變化，E表示Δt時(shí)間內(nèi)的平均感應(yīng)電動(dòng)勢）[4] 。

④閉合線圈置于勻強(qiáng)磁場，繞垂直于磁場方向的軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈中將產(chǎn)生正弦規(guī)律變化的交流電，電壓方向隨時(shí)間做周期性變化，如圖6所示。

2.4.4? ? 工程設(shè)計(jì)，技術(shù)制作

學(xué)生在掌握產(chǎn)品的基本原理后，根據(jù)需要確定風(fēng)葉的形狀，設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能繪制圖樣、注明各元件的材料與參數(shù)，選擇工具。該圖紙需要滿足功能性、美觀性、實(shí)惠性、操作性等多項(xiàng)可行性條件，獲得最優(yōu)方案。在繪圖時(shí)可選用電腦繪制，也可手繪，但要求清晰、直觀，因?yàn)樵搱D樣是下一步進(jìn)行技術(shù)制作的指導(dǎo)性材料。學(xué)生以小組為單位繪制圖樣，教師組織各小組展示自己的設(shè)計(jì)圖紙并提出指導(dǎo)。圖7、8示例參考圖紙。

2.4.5? ? 項(xiàng)目成品展示，交流反思總結(jié)

產(chǎn)品制作完成后，學(xué)生以小組匯報(bào)的形式展示其運(yùn)作效果，并制作PPT從以下幾個(gè)方面進(jìn)行展示：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理、小組分工情況、制作過程中的收獲和面對的問題、真正使用風(fēng)力發(fā)電還面臨哪些困難、風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用前景、節(jié)約能源的必要性（如圖9）。

在學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)束后，教師應(yīng)對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，基于STEM 理論的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)以對學(xué)生的形成性評(píng)價(jià)為主，重視學(xué)生在產(chǎn)品制作過程中的整體表現(xiàn)。評(píng)價(jià)將由學(xué)生的自我評(píng)價(jià)和教師的客觀評(píng)價(jià)綜合組成，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，從情感體驗(yàn)、能力培養(yǎng)、科學(xué)知識(shí)等多方面展開。近年來，我國有多名學(xué)者融合國外STEM評(píng)價(jià)體系從課堂環(huán)境、課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生表現(xiàn)等方面編制了行之有效的評(píng)價(jià)體系，因此我們引入該評(píng)價(jià)體系對教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]。

3? ? 結(jié)? 論

STEM理念下項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的最終學(xué)習(xí)成果是產(chǎn)生人工制品，圍繞這個(gè)特點(diǎn)，我們從物理探究學(xué)習(xí)的角度設(shè)計(jì)了教學(xué)開展的流程。通過制定項(xiàng)目目標(biāo)、解決方法和學(xué)習(xí)活動(dòng)的細(xì)目表，有效地將跨學(xué)科學(xué)習(xí)依據(jù)問題解決的模塊設(shè)置成教學(xué)活動(dòng)。并通過風(fēng)力發(fā)電的項(xiàng)目探討了問題提出、工程分解、模型建立和技術(shù)制作等幾個(gè)環(huán)節(jié)的具體操作方法，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位，有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

物理知識(shí)與項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的有效結(jié)合，不僅能促進(jìn)學(xué)生對基礎(chǔ)知識(shí)的理解，還有助于學(xué)生通過實(shí)踐探索的方式掌握物理建模的思想。同時(shí)，工程制作對提升學(xué)生的動(dòng)手操作能力和統(tǒng)籌規(guī)劃能力有重要作用。有關(guān)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)在物理學(xué)科的應(yīng)用我們需要研究的還有很多，只有多種資源的充分調(diào)動(dòng)和整合才能推動(dòng)STEM教育的長遠(yuǎn)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]李克東，李穎.STEM教育跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)5EX設(shè)計(jì)模型[J].電化教育研究，2019，40（4）：5-13.

[2]楊彥軍，饒菲菲.跨學(xué)科整合型STEM課程開發(fā)案例研究及啟示——以美國火星教育項(xiàng)目STEM課程為例[J].電化教育研究，2019，40（2）：113-122.

[3]吳斌，劉耀昌，田冰濤，等.自制風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其特性研究[J].物理通報(bào)，2012（10）：23-24，28.

[4]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-2 [M].北京：人民教育出版社，2010：15.

[5]李艷燕，董笑男，李新，等.STEM教育質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2020，32（2）：48-55，72.

（欄目編輯? ? 李富強(qiáng)）