賴樟新

摘? ? 要：以STEM教育理念作為初中科學(xué)復(fù)習(xí)課的核心，就是尋找在一個(gè)真實(shí)的情境下，通過將其簡(jiǎn)化為若干個(gè)問題，提煉出實(shí)踐性強(qiáng)的“目標(biāo)模型”，通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)，完成“目標(biāo)模型”的構(gòu)建，同時(shí)，在此過程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)的構(gòu)建、思維的訓(xùn)練、能力的提升。

關(guān)鍵詞：STEM;復(fù)習(xí)課;構(gòu)建式;目標(biāo)模型

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）11-0015-4

初中科學(xué)復(fù)習(xí)課引入STEM教育理念，將科學(xué)與技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)進(jìn)行全面融合，不僅能在復(fù)習(xí)科學(xué)知識(shí)的過程中對(duì)復(fù)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行查漏補(bǔ)缺、織線成網(wǎng)，還能溫故知新，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，特別是在批判性思維、問題解決能力以及創(chuàng)造性能力上都獲得有效的培養(yǎng)[1]。基于STEM教育理念的“模型建構(gòu)式”復(fù)習(xí)課以實(shí)際問題或情境為切入點(diǎn)，提煉簡(jiǎn)化為課堂操作性強(qiáng)的“目標(biāo)模型”，在“目標(biāo)模型”構(gòu)建中，將富有創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)過程作為教學(xué)的核心，將技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)整合到科學(xué)復(fù)習(xí)內(nèi)容當(dāng)中來，借助“目標(biāo)模型”構(gòu)建起科學(xué)知識(shí)與現(xiàn)實(shí)世界的相互聯(lián)系，并且鼓勵(lì)學(xué)生自主探索。基于STEM教育理念的“模型建構(gòu)式”復(fù)習(xí)課有自身的特征，這些特征不同于一般的常規(guī)復(fù)習(xí)課，兩者對(duì)比如表1所示。

1? ? 基于STEM的復(fù)習(xí)課模型構(gòu)建

現(xiàn)以“浮力專題復(fù)習(xí)”為例，分析基于STEM教育理念的“模型建構(gòu)式”復(fù)習(xí)課的操作方法：

1.1? ? 提煉“目標(biāo)模型”

情境：蛟龍?zhí)栞d人潛水器是一艘由中國(guó)自行設(shè)計(jì)、自主集成研制的載人潛水器，2012年6月，在馬里亞納海溝創(chuàng)造了下潛7062米的中國(guó)載人深潛紀(jì)錄，也是世界同類作業(yè)型潛水器最大下潛深度紀(jì)錄。

任務(wù)：學(xué)生觀看蛟龍?zhí)枬撍^程的視頻，思考蛟龍?zhí)枬撍髟谒幸樌ぷ髟谪Q直方向應(yīng)該具備幾種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)過程。

以蛟龍?zhí)栞d人潛水器為情境引入，一是蛟龍?zhí)枬撍魇歉×?yīng)用的典型實(shí)例，其下潛、上浮過程與物體的浮沉條件有密切聯(lián)系;二是蛟龍?zhí)栞d人潛水器是我國(guó)自主研制和集成的，在世界同類作業(yè)型潛水器中屬于領(lǐng)先地位，能激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)情懷。

影響蛟龍?zhí)枬撍鬟\(yùn)作的因素非常多，涉及到的知識(shí)面非常廣，分析和設(shè)計(jì)起來非常困難。讓學(xué)生在觀看視頻的過程中思考潛水器在豎直方向應(yīng)該具備的幾種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)過程，將眾多的因素聚焦到“什么因素影響潛水器浮沉”這一問題上，構(gòu)建學(xué)生已有知識(shí)與實(shí)際情境間的認(rèn)知橋梁，找準(zhǔn)目標(biāo)模型構(gòu)建的切入點(diǎn)，具體內(nèi)容如表2所示。

問題1：一般的潛水器是如何實(shí)現(xiàn)上浮或者下沉的？

綜合學(xué)生的答案，主要如下：

（1）通過吸水和排水改變自身重力來實(shí)現(xiàn)上浮或下沉;（2）通過改變潛水器上的壓載鐵來實(shí)現(xiàn)上浮或下沉。

綜合學(xué)生的答案與影響物體浮沉的條件，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)潛水器在豎直方向上的受力情況進(jìn)行進(jìn)一步分析，梳理物體的浮沉條件在潛水器中的應(yīng)用，拓展其在物體浮與沉中的現(xiàn)實(shí)意義，提煉出“構(gòu)建簡(jiǎn)易潛水器”這一“目標(biāo)模型”。

圖1為由“蛟龍?zhí)枬撍鳌钡健昂?jiǎn)易潛水器制作”的模型提煉流程圖。

真實(shí)的問題或情境往往會(huì)因空間、技術(shù)、資源、安全、教學(xué)時(shí)間等因素的限制，而無法身臨其境，但將真實(shí)的問題或情境簡(jiǎn)化、提煉為可操作的“目標(biāo)模型”，在構(gòu)建“目標(biāo)模型”的過程中融合所需要復(fù)習(xí)的科學(xué)知識(shí)，這樣可避免單純講解科學(xué)知識(shí)的枯燥。

1.2? ? 剖析“目標(biāo)模型”

問題 2：在以下材料中，如何選擇合適材料來制作一個(gè)簡(jiǎn)易潛水器？（討論）

材料：60 mL注射器2只、鐵塊2個(gè)、不同規(guī)格的木塊、剪刀、彈簧測(cè)力計(jì)、量筒、溢水杯、燒杯、長(zhǎng)方形大理石、鐵絲、橡皮筋、水槽等。

綜合學(xué)生答案，主要如下：

（1）用導(dǎo)管將兩個(gè)注射器相連，通過拉動(dòng)1號(hào)注射器的活塞來改變2號(hào)注射器中的水體積與氣體體積比，從而控制2號(hào)注射器的浮與沉;

（2）在（1）的基礎(chǔ)上，將木塊、鐵塊或大理石綁在2號(hào)注射器上，改變注射器的重力和浮力之間的關(guān)系，來控制2號(hào)注射器的浮與沉。

在材料選擇過程中，必然驅(qū)使學(xué)生思考密度與浮力的關(guān)系、排水體積與浮力的關(guān)系、重力與浮力的關(guān)系等，將多個(gè)零散的知識(shí)點(diǎn)聚焦到如何選擇制作簡(jiǎn)易潛水器材料這一真實(shí)的問題上來，在此過程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)的主動(dòng)構(gòu)建。

上述學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)易潛水器的設(shè)想是否可行？選擇什么樣的材料能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)？為此，學(xué)生需要進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算和分析，主要通過以下幾個(gè)任務(wù)來完成。

任務(wù)一：已知注射器的重力和浮力（表3）。

求：①當(dāng)增加的物體與注射器（滿水）綁定時(shí)，物體的重力G■和浮力F■滿足什么條件時(shí)，潛水器恰好上浮？

②當(dāng)增加的物體與注射器（空）綁定時(shí)，物體的重力G■和浮力F■滿足什么條件時(shí)，潛水器恰好下沉？

從表3中可以看出，不管是空的注射器還是裝滿水的注射器，其重力均小于最大浮力，注射器始終處于漂浮狀態(tài)。因此，對(duì)于綁在注射器上的物體平均密度要大于水的密度。另外，綁定物體后的簡(jiǎn)易潛水器，要通過改變注射器中的水量來實(shí)現(xiàn)上浮或下沉，因此，需要尋找兩個(gè)臨界點(diǎn)（即恰好上浮和恰好下沉）。通過各小組討論、計(jì)算，得出綁定物體應(yīng)該滿足的條件（表4）。

該項(xiàng)任務(wù)的設(shè)定是對(duì)物體浮沉條件的靈活運(yùn)用，是數(shù)學(xué)計(jì)算、工程設(shè)計(jì)思維的重要體現(xiàn)，在分析、討論過程中體驗(yàn)解決問題的不同方法，為學(xué)生選擇制作簡(jiǎn)易潛水器材料明確了目標(biāo)。同時(shí)，對(duì)引出測(cè)量物體重力和浮力有著重要作用。

任務(wù)二：分小組測(cè)量各種材料的重力和浮力。

測(cè)量浮力的方法有稱量法、阿基米德原理法、平衡法、壓力差法等，不同的物體選擇的測(cè)量方法也是有所不同的。在該任務(wù)中，重點(diǎn)復(fù)習(xí)了稱量法和阿基米德原理法，并提供了彈簧測(cè)力計(jì)、量筒、溢水杯、燒杯等實(shí)驗(yàn)器材，以開放的形式，引導(dǎo)學(xué)生通過小組交流、討論，選擇合適的方法進(jìn)行測(cè)量。最終測(cè)得數(shù)據(jù)如表5所示。

在理解了各種測(cè)量方法原理的基礎(chǔ)上，學(xué)生根據(jù)材料特點(diǎn)來選擇最恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法。值得指出的是，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的浮力測(cè)量，在實(shí)際操作過程中出現(xiàn)了各種問題。不僅出現(xiàn)用稱量法測(cè)木塊浮力等理解方面的錯(cuò)誤，還暴露了繩子系不住鐵塊等操作技術(shù)方面的不足。但通過組員的交流和組間的相互學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)浮力知識(shí)的理解也更加深刻。在實(shí)踐與合作中學(xué)習(xí)，不僅從本質(zhì)上促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解，更重要的是提升學(xué)生的思維質(zhì)量和動(dòng)手能力。

1.3? ? 構(gòu)建“目標(biāo)模型”

結(jié)合簡(jiǎn)易潛水器上綁定物體應(yīng)具備“0.05 N <G■-F■<0.55 N”這一條件，以及上表中各組所測(cè)得的數(shù)據(jù)，滿足實(shí)驗(yàn)需求的材料或材料組合有以下幾種：

（1）2只注射器、1個(gè)方形大理石;

（2）2只注射器、2個(gè)大木塊、1個(gè)鐵塊;

……

在制作和調(diào)試簡(jiǎn)易潛水器的過程中，會(huì)遇到與理論沖突的問題。例如，固定材料的橡皮筋需要考慮質(zhì)量嗎;木塊的吸水性將會(huì)如何影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果;多種材料的組合如何考慮重心的變化;連接兩支注射器的導(dǎo)管對(duì)實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生哪些影響;如果要在注射器中預(yù)留一定的空氣來模擬“控制艙”，則如何設(shè)計(jì)方案。但正是因?yàn)檫@些問題的存在給學(xué)生創(chuàng)造了交流和思考的空間，也讓學(xué)習(xí)離生活更近，讓學(xué)習(xí)更具有意義。

2? ? 基于STEM教育理念的“模型建構(gòu)式”復(fù)習(xí)課的操作步驟

2.1? ? 創(chuàng)設(shè)與復(fù)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的真實(shí)情境

一個(gè)真實(shí)而有意義的情境是知識(shí)附載的綜合體，能激發(fā)學(xué)生的興趣，構(gòu)建起科學(xué)知識(shí)與現(xiàn)實(shí)之間的橋梁，體現(xiàn)學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2? ? 簡(jiǎn)化情境，聚焦問題，提煉“目標(biāo)模型”

真實(shí)的情境往往都比較復(fù)雜，一般很難通過一節(jié)課的時(shí)間完成，這就需要教師對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的簡(jiǎn)化，聚焦與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的核心問題。在保持原有情境本質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，以問題解決為目標(biāo)，提煉出“目標(biāo)模型”，構(gòu)建課堂教學(xué)流程。

2.3? ? 任務(wù)驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)收集，剖析“目標(biāo)模型”

基于STEM教育理念的“模型建構(gòu)式”復(fù)習(xí)課，簡(jiǎn)化情境，提煉出的“目標(biāo)模型”只是組織課堂教學(xué)的一個(gè)載體。更重要的是，通過教師引領(lǐng)，生生之間的合作探究，通過分析、實(shí)驗(yàn)、交流，剖析“目標(biāo)模型”中隱藏的科學(xué)知識(shí)及這些科學(xué)知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系。在此過程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化和思維的訓(xùn)練，同時(shí)為“目標(biāo)模型”的建構(gòu)作準(zhǔn)備。

2.4? ? 學(xué)科融合，實(shí)踐創(chuàng)新，構(gòu)建“目標(biāo)模型”

構(gòu)建“目標(biāo)模型”是在維持真實(shí)情境本質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，融合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)，完成“目標(biāo)模型”的構(gòu)建過程，在此過程中，學(xué)生所需要復(fù)習(xí)的內(nèi)容蘊(yùn)含其中。同時(shí)，將“目標(biāo)模型”與真實(shí)情境從實(shí)用性、安全性、可操作性、經(jīng)濟(jì)性等角度進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)由模型認(rèn)知向真實(shí)情境認(rèn)知的跨越，深入認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)。

綜上，四個(gè)操作步驟可以用如圖2所示的流程圖來表示。

基于STEM教育理念的“模型建構(gòu)式”復(fù)習(xí)課是基于學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)下的課堂教學(xué)，注重理論知識(shí)與實(shí)際生活之間的聯(lián)系和學(xué)科間的融合，強(qiáng)調(diào)在實(shí)踐操作過程中發(fā)展學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新精神[2]?？茖W(xué)知識(shí)則滲透于實(shí)際操作的各個(gè)階段中，在潤(rùn)物細(xì)無聲中促使學(xué)生主動(dòng)完成知識(shí)的構(gòu)建過程。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏曉東，于冰，于海波.美國(guó)STEAM教育的框架、特點(diǎn)及啟示[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版），2017，35（04）：40-46.

[2]劉繁華，李克，肖名望，等.STEM+創(chuàng)客教育的中小學(xué)SM教學(xué)模式研究[J].中國(guó)教育信息化，2018（10）：9-13.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）