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        STEAM理念下的跨學(xué)科學(xué)習(xí)案例研究

        2023-10-13 05:42:32馬艷玲安徽長(zhǎng)豐縣教育體育局教研室長(zhǎng)豐縣北城實(shí)驗(yàn)小學(xué)
        小學(xué)科學(xué) 2023年22期
        關(guān)鍵詞:土壤濕度觸點(diǎn)繼電器

        ◇陳 群 馬艷玲(安徽:長(zhǎng)豐縣教育體育局教研室長(zhǎng)豐縣北城實(shí)驗(yàn)小學(xué))

        一、現(xiàn)狀分析

        2022 年版課標(biāo)實(shí)施首個(gè)學(xué)年,各地中小學(xué)掀起了跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)熱潮。2022 年版課標(biāo)指出,要“強(qiáng)化課程綜合性和實(shí)踐性,推動(dòng)育人方式變革,著力發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)”。但是很多中小學(xué)教師對(duì)“什么是跨學(xué)科學(xué)習(xí)”認(rèn)知模糊,在教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施教學(xué)中呈現(xiàn)各種樣態(tài)的“跨學(xué)科”學(xué)習(xí)。其實(shí)在跨學(xué)科學(xué)習(xí)理念提出之前,已經(jīng)有了類似的探索,如創(chuàng)客教育、STEAM 學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)(簡(jiǎn)稱PBL)等。為了落實(shí)全面育人的目標(biāo),聚焦核心素養(yǎng),我們積極探索基于STEAM 理念的跨學(xué)科學(xué)習(xí)新樣態(tài),引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科的知識(shí)和方法思考解決現(xiàn)實(shí)問題,培養(yǎng)學(xué)生融會(huì)貫通、實(shí)踐創(chuàng)新能力。

        二、研究理念

        STEAM 從字面上看,代表科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)五個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,基于跨學(xué)科和項(xiàng)目式學(xué)習(xí),為學(xué)生提供真實(shí)情境的體驗(yàn),幫助其理解科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)各領(lǐng)域的知識(shí)概念,同時(shí)把所學(xué)到的知識(shí)綜合應(yīng)用于生活,從而找到自己想要的答案,實(shí)現(xiàn)開發(fā)潛能的目的。本文以暑期返校學(xué)生發(fā)現(xiàn)教室的綠植干枯為背景,創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境,以解決問題為導(dǎo)向,讓學(xué)生自己動(dòng)手完成他們感興趣并且和實(shí)際生活相關(guān)的項(xiàng)目,發(fā)揮想象力,找到解決問題的方案,并從中學(xué)到跨學(xué)科的知識(shí)。

        三、“濕度感應(yīng)自動(dòng)澆灌儀”STEAM項(xiàng)目研究

        (一)研發(fā)背景

        每年寒暑假學(xué)生返校之后,都會(huì)發(fā)現(xiàn)教室、辦公室的綠植盆栽因缺水而枯萎死亡。假如有人能給它們澆水多好呀!可是那么多教室,又是在放假期間,誰去做呢?濕度感應(yīng)自動(dòng)澆灌儀就能解決這個(gè)問題。這個(gè)案例制作源于學(xué)生生活,能夠解決學(xué)生觀察到的問題,學(xué)生興趣濃厚。因?yàn)檫@是涉及科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程等多科融合的STEAM 項(xiàng)目,故安排了三課時(shí)。

        第一課時(shí):頭腦風(fēng)暴。引導(dǎo)學(xué)生觀察假期后教室場(chǎng)景,發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題,引入作品制作主題。

        課程內(nèi)容:繼電器和土壤濕度傳感器的介紹以及各模塊在電路中的使用。

        第二課時(shí):設(shè)計(jì)電路圖,組裝電路。

        課程內(nèi)容:根據(jù)要求設(shè)計(jì)電路圖,嘗試組裝電路;把土壤濕度檢測(cè)儀放在水中模擬實(shí)驗(yàn),尋找問題,進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

        第三課時(shí):完善裝置,美化作品。

        課程內(nèi)容:把濕度感應(yīng)自動(dòng)澆灌儀接入教室綠色盆栽、學(xué)校農(nóng)場(chǎng)中,用管道、木板美化作品,完善制作。

        (二)實(shí)施目標(biāo)

        科學(xué)目標(biāo):了解繼電器在電路中的使用原理,學(xué)會(huì)各種電路的連接方式;了解繼電器、水泵、土壤濕度傳感器的原理,能將繼電器應(yīng)用于報(bào)警顯示裝置。

        技術(shù)目標(biāo):實(shí)現(xiàn)無人自動(dòng)澆灌功能,了解土壤濕度傳感器技術(shù)原理,能夠通過繼電器控制電路。

        工程(設(shè)計(jì))目標(biāo):學(xué)會(huì)用工程思維分析整個(gè)項(xiàng)目的可行性,能夠準(zhǔn)確設(shè)計(jì)電路圖,并按照電路圖連接實(shí)物圖,實(shí)現(xiàn)無人自動(dòng)澆灌。

        藝術(shù)目標(biāo):能對(duì)整個(gè)裝置作品進(jìn)行藝術(shù)設(shè)計(jì),為了使作品更具有藝術(shù)美感,可以使用其他材料進(jìn)行裝飾或者彩繪筆上色。

        數(shù)學(xué)目標(biāo):能科學(xué)計(jì)算水管的長(zhǎng)度、導(dǎo)線的長(zhǎng)短、儲(chǔ)水容器的高度和容量,精準(zhǔn)定位各個(gè)模塊的位置。

        (三)實(shí)施條件

        設(shè)施設(shè)備:土壤濕度傳感器、繼電器、水泵、電源、學(xué)生平板等。

        材料:導(dǎo)線、飲料瓶、綠植盆栽、熱熔膠、熱熔槍、螺絲刀、剪刀、塑料管、一次性杯子、電膠帶等。

        (四)實(shí)施過程

        1.問題導(dǎo)向

        當(dāng)一個(gè)集體圍繞一個(gè)特定的興趣領(lǐng)域產(chǎn)生新觀點(diǎn)的時(shí)候,這種情境就叫頭腦風(fēng)暴?!邦^腦風(fēng)暴”是一種創(chuàng)造性思維的方法,需要以小組的形式展開,通過小組人員積極思考、暢所欲言來體現(xiàn)。由于團(tuán)隊(duì)討論采用沒有拘束的規(guī)則,學(xué)生能夠更自由地思考,進(jìn)入思想的新區(qū)域,從而產(chǎn)生很多新觀點(diǎn)和解決方法。⑴觀察情境,以提問的方式引發(fā)學(xué)生思考;⑵頭腦風(fēng)暴,引入本節(jié)課需要探討的問題;⑶小組內(nèi)討論,查閱資料;⑷學(xué)生發(fā)言,如何在假期做到綠植盆栽的無人自動(dòng)澆灌。

        小結(jié):接下來我們需要完成以下幾項(xiàng)任務(wù)的研究。第一項(xiàng):如何判斷綠植盆栽需要澆灌水;第二項(xiàng):如何實(shí)現(xiàn)無人自動(dòng)澆灌綠植盆栽;第三項(xiàng):如何提供供水裝置。

        2.方案設(shè)計(jì)

        濕度感應(yīng)自動(dòng)澆灌儀,就是要解決判斷土壤濕度、感應(yīng)自動(dòng)澆灌、供水儲(chǔ)水等基礎(chǔ)問題。首先,利用土壤濕度檢測(cè)儀檢測(cè)土壤濕度,當(dāng)濕度不夠時(shí),比較模塊輸出高電平,繼電器吸合,供水設(shè)備電路導(dǎo)通,水泵開始工作自動(dòng)澆水。隨著土壤中含水量的增加,插入土中的濕度檢測(cè)器二腳間電阻會(huì)越來越小,當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí),比較模塊輸出低電平,繼電器斷開,供水設(shè)備的電路斷路,水泵得不到電而停止供水。

        如此反復(fù),土中水分蒸發(fā)到一定程度時(shí),比較模塊輸出高電平,供水設(shè)備電路通路,水泵供水,土壤中水達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí),低電平繼電器不吸合,供水設(shè)備電路斷開。如此反復(fù),濕度會(huì)保持在一定程度。

        3.實(shí)踐活動(dòng)

        (1)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)繼電器

        電磁繼電器由電磁鐵、銜鐵、彈簧、觸點(diǎn)組成。觸點(diǎn)一般有常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn),兩者往往有一個(gè)公共端。線圈在沒有帶電情況下,常閉觸點(diǎn)和公共端是連接的,常開觸點(diǎn)和公共端是開路的,燈不亮;線圈帶電以后,常開觸點(diǎn)和公共端是連接的,常閉觸點(diǎn)和公共端是開路的,燈亮了。這樣通過控制線圈的電壓(電流),就可以控制觸點(diǎn)串聯(lián)的電路工作。繼電器的種類很多,根據(jù)輸入量可以分為:電流、電壓、頻率、溫度、速度、光、壓力等。本次我們的裝置采用的繼電器輸入量就是土壤濕度。

        (2)實(shí)驗(yàn)—:測(cè)試?yán)^電器

        談話:通過以上電路分析,我們了解了繼電器的使用原理,下面我們?cè)诮M內(nèi)測(cè)試?yán)^電器。小組測(cè)試。提示:將繼電器模塊VCC 連接到5V,GND 連接到負(fù)極,IN 接VCC 則繼電器跳動(dòng),IN懸空則繼電器恢復(fù),如此反復(fù)可以聽到繼電器“卡卡”聲。通過測(cè)試,大家知道繼電器是怎么工作的了嗎?

        (3)實(shí)驗(yàn)二:測(cè)試土壤濕度傳感器

        學(xué)生觀察傳感器,小組討論。小組發(fā)言:土壤濕度傳感器由濕度檢測(cè)儀和比較模塊組成。傳感器兩極采用加寬的感應(yīng)銅箔,表面鍍鎳,可以更好地防止生銹,提升導(dǎo)電性,延長(zhǎng)使用壽命。比較模塊中的電位計(jì)可以調(diào)節(jié)土壤濕度的閾值大小,順時(shí)針、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)就可以調(diào)節(jié)控制濕度閾值的大小。小組測(cè)試。提示:用兩條導(dǎo)線連接叉子探頭和變送器模塊。變送器模塊VCC 接5V,變送器GND 接負(fù)極。上電后,電源燈常亮,綠色指示燈微弱閃爍一次。

        (4)實(shí)驗(yàn)三:測(cè)試水泵

        在測(cè)試過程中,供水設(shè)備的電源應(yīng)該如何選擇?是用單獨(dú)電源還是和傳感器共用電源??jī)烧吒饔袃?yōu)點(diǎn):?jiǎn)为?dú)電源連接簡(jiǎn)單,但是不夠節(jié)能;共用電源節(jié)約資源,但是連接復(fù)雜。另外,測(cè)試水泵一定要在水中工作。小組測(cè)試。提示:水泵紅線接5V,黑線接負(fù)極,水泵工作。測(cè)試1 秒即可,水泵不可長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中工作,在水中完成測(cè)試也可以。

        (5)設(shè)計(jì)電路圖,連接電路

        談話:經(jīng)過各個(gè)模塊的測(cè)試學(xué)習(xí),我們對(duì)各個(gè)模塊有了一定的了解。那電路連接起來是不是就能實(shí)現(xiàn)無人自動(dòng)澆灌呢?根據(jù)電路要求,學(xué)生分組設(shè)計(jì)電路圖。小組討論交流并修改。連接實(shí)物圖,測(cè)試電路,發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

        (6)完善裝置,美化作品

        經(jīng)過電路測(cè)試,我們已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)濕度感應(yīng)澆灌,是不是很激動(dòng)?現(xiàn)在我們把裝置接入綠植盆栽中,完成我們的作品。再次實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步完善作品。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):通過調(diào)節(jié)電位器,還可調(diào)節(jié)土壤在何種濕度時(shí)才要補(bǔ)水,也可結(jié)合插入土探頭的深淺來調(diào)節(jié)。發(fā)現(xiàn)不足:水管直徑大,水流過大可能會(huì)溢出,部分土壤流失。在實(shí)驗(yàn)過程中,會(huì)遇到各種各樣的問題,美好的事物總是可以讓人賞心悅目,我們的實(shí)驗(yàn)裝置在外觀上是否可以更美觀一些呢?有的學(xué)生認(rèn)為,可以利用廢舊材料進(jìn)行裝飾,廢物利用;有的學(xué)生認(rèn)為,可以借助3D 打印設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造,但因?yàn)闂l件有限,這只能是“心有余而力不足”;還有學(xué)生認(rèn)為,可用更好的材質(zhì),如亞克力板,進(jìn)行改進(jìn)。

        4.作品分享與評(píng)價(jià)

        (1)作品分享

        各個(gè)小組都完成自己的作品,在班內(nèi),我們以小組或個(gè)人為單位,分別展示并分享自己的作品。以小組為單位,在校園內(nèi)開展精彩“微課堂”。學(xué)校在公眾號(hào)、校報(bào)、板報(bào)展示。

        (2)項(xiàng)目綜合評(píng)價(jià)

        教師對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)評(píng)價(jià),小組內(nèi)和學(xué)生之間進(jìn)行相互評(píng)價(jià),并填寫項(xiàng)目評(píng)價(jià)量表。

        姓名: 評(píng)價(jià)人:★等級(jí)設(shè)計(jì)方案缺少文字或圖畫設(shè)計(jì)★★★合理地設(shè)計(jì)文字和圖畫說明,對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的表述條理清晰;實(shí)驗(yàn)步驟、觀察記錄表述清楚材料利用材料使用充分,并且使用合理分工合作材料使用不充分,只用了少部分材料分工不明確,成員不清楚自己的角色有明確的分工且能貫徹實(shí)施,每個(gè)成員都安排了相應(yīng)的任務(wù),并且每個(gè)人都明確自己的任務(wù)改進(jìn)方案方案未改進(jìn),缺乏指導(dǎo)性改進(jìn)后的方案較細(xì)致,有設(shè)計(jì)圖,有說明說明展示小組對(duì)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過程的描述缺乏邏輯,不能說明結(jié)果或無結(jié)果★★設(shè)計(jì)了文字和圖畫說明,但是說明缺少條理;實(shí)驗(yàn)步驟表述較清楚材料使用較充分,個(gè)別材料使用錯(cuò)誤有基本的分工,但是分工不系統(tǒng),或執(zhí)行分工不徹底,或出現(xiàn)沒有承擔(dān)任務(wù)的成員方案有改進(jìn),但不明顯,不夠細(xì)致小組對(duì)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行部分展示,展示較具體,但是部分顯得混亂和無意義展示條理清晰明確,有效地體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的目的,效果顯著

        四、案例分析與總結(jié)

        濕度感應(yīng)自動(dòng)澆灌儀雖然已經(jīng)完成,但還存在不少問題,比如濕度傳感器的靈敏度、支架的穩(wěn)定性、材料的局限性以及外形美觀等方面還需改進(jìn)。我們需要不斷地完善裝置,優(yōu)化作品。

        我們的項(xiàng)目還可以增加其他功能,可以用太陽能電池板代替電池供電,可以增加天氣顯示模塊,更能與科技結(jié)合,體現(xiàn)智能生活的創(chuàng)造。

        學(xué)生在本案例中不僅掌握了知識(shí)和技能,還能靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決生活中的實(shí)際問題。跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)正式進(jìn)入課程,意味著中國(guó)基礎(chǔ)教育中人才培養(yǎng)方式將發(fā)生變革。

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