◇陳 群 馬艷玲(安徽:長豐縣教育體育局教研室長豐縣北城實驗小學)
2022 年版課標實施首個學年,各地中小學掀起了跨學科主題學習熱潮。2022 年版課標指出,要“強化課程綜合性和實踐性,推動育人方式變革,著力發(fā)展學生核心素養(yǎng)”。但是很多中小學教師對“什么是跨學科學習”認知模糊,在教學設計和實施教學中呈現(xiàn)各種樣態(tài)的“跨學科”學習。其實在跨學科學習理念提出之前,已經有了類似的探索,如創(chuàng)客教育、STEAM 學習、項目式學習(簡稱PBL)等。為了落實全面育人的目標,聚焦核心素養(yǎng),我們積極探索基于STEAM 理念的跨學科學習新樣態(tài),引導學生運用多學科的知識和方法思考解決現(xiàn)實問題,培養(yǎng)學生融會貫通、實踐創(chuàng)新能力。
STEAM 從字面上看,代表科學、技術、工程、藝術和數(shù)學五個學科領域,基于跨學科和項目式學習,為學生提供真實情境的體驗,幫助其理解科學、技術、工程、藝術、數(shù)學各領域的知識概念,同時把所學到的知識綜合應用于生活,從而找到自己想要的答案,實現(xiàn)開發(fā)潛能的目的。本文以暑期返校學生發(fā)現(xiàn)教室的綠植干枯為背景,創(chuàng)設真實的情境,以解決問題為導向,讓學生自己動手完成他們感興趣并且和實際生活相關的項目,發(fā)揮想象力,找到解決問題的方案,并從中學到跨學科的知識。
每年寒暑假學生返校之后,都會發(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?濕度感應自動澆灌儀就能解決這個問題。這個案例制作源于學生生活,能夠解決學生觀察到的問題,學生興趣濃厚。因為這是涉及科學、數(shù)學、工程等多科融合的STEAM 項目,故安排了三課時。
第一課時:頭腦風暴。引導學生觀察假期后教室場景,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:設計電路圖,組裝電路。
課程內容:根據要求設計電路圖,嘗試組裝電路;把土壤濕度檢測儀放在水中模擬實驗,尋找問題,進一步改進實驗。
第三課時:完善裝置,美化作品。
課程內容:把濕度感應自動澆灌儀接入教室綠色盆栽、學校農場中,用管道、木板美化作品,完善制作。
科學目標:了解繼電器在電路中的使用原理,學會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,能將繼電器應用于報警顯示裝置。
技術目標:實現(xiàn)無人自動澆灌功能,了解土壤濕度傳感器技術原理,能夠通過繼電器控制電路。
工程(設計)目標:學會用工程思維分析整個項目的可行性,能夠準確設計電路圖,并按照電路圖連接實物圖,實現(xiàn)無人自動澆灌。
藝術目標:能對整個裝置作品進行藝術設計,為了使作品更具有藝術美感,可以使用其他材料進行裝飾或者彩繪筆上色。
數(shù)學目標:能科學計算水管的長度、導線的長短、儲水容器的高度和容量,精準定位各個模塊的位置。
設施設備:土壤濕度傳感器、繼電器、水泵、電源、學生平板等。
材料:導線、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。
1.問題導向
當一個集體圍繞一個特定的興趣領域產生新觀點的時候,這種情境就叫頭腦風暴?!邦^腦風暴”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)。由于團隊討論采用沒有拘束的規(guī)則,學生能夠更自由地思考,進入思想的新區(qū)域,從而產生很多新觀點和解決方法。⑴觀察情境,以提問的方式引發(fā)學生思考;⑵頭腦風暴,引入本節(jié)課需要探討的問題;⑶小組內討論,查閱資料;⑷學生發(fā)言,如何在假期做到綠植盆栽的無人自動澆灌。
小結:接下來我們需要完成以下幾項任務的研究。第一項:如何判斷綠植盆栽需要澆灌水;第二項:如何實現(xiàn)無人自動澆灌綠植盆栽;第三項:如何提供供水裝置。
2.方案設計
濕度感應自動澆灌儀,就是要解決判斷土壤濕度、感應自動澆灌、供水儲水等基礎問題。首先,利用土壤濕度檢測儀檢測土壤濕度,當濕度不夠時,比較模塊輸出高電平,繼電器吸合,供水設備電路導通,水泵開始工作自動澆水。隨著土壤中含水量的增加,插入土中的濕度檢測器二腳間電阻會越來越小,當濕度達到設定的閾值時,比較模塊輸出低電平,繼電器斷開,供水設備的電路斷路,水泵得不到電而停止供水。
如此反復,土中水分蒸發(fā)到一定程度時,比較模塊輸出高電平,供水設備電路通路,水泵供水,土壤中水達到設定的閾值時,低電平繼電器不吸合,供水設備電路斷開。如此反復,濕度會保持在一定程度。
3.實踐活動
(1)引導學生學習繼電器
電磁繼電器由電磁鐵、銜鐵、彈簧、觸點組成。觸點一般有常開觸點和常閉觸點,兩者往往有一個公共端。線圈在沒有帶電情況下,常閉觸點和公共端是連接的,常開觸點和公共端是開路的,燈不亮;線圈帶電以后,常開觸點和公共端是連接的,常閉觸點和公共端是開路的,燈亮了。這樣通過控制線圈的電壓(電流),就可以控制觸點串聯(lián)的電路工作。繼電器的種類很多,根據輸入量可以分為: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)實驗—:測試繼電器
談話:通過以上電路分析,我們了解了繼電器的使用原理,下面我們在組內測試繼電器。小組測試。提示:將繼電器模塊VCC 連接到5V,GND 連接到負極,IN 接VCC 則繼電器跳動,IN懸空則繼電器恢復,如此反復可以聽到繼電器“卡卡”聲。通過測試,大家知道繼電器是怎么工作的了嗎?
(3)實驗二:測試土壤濕度傳感器
學生觀察傳感器,小組討論。小組發(fā)言:土壤濕度傳感器由濕度檢測儀和比較模塊組成。傳感器兩極采用加寬的感應銅箔,表面鍍鎳,可以更好地防止生銹,提升導電性,延長使用壽命。比較模塊中的電位計可以調節(jié)土壤濕度的閾值大小,順時針、逆時針旋轉就可以調節(jié)控制濕度閾值的大小。小組測試。提示:用兩條導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 接負極。上電后,電源燈常亮,綠色指示燈微弱閃爍一次。
(4)實驗三:測試水泵
在測試過程中,供水設備的電源應該如何選擇?是用單獨電源還是和傳感器共用電源?兩者各有優(yōu)點:單獨電源連接簡單,但是不夠節(jié)能;共用電源節(jié)約資源,但是連接復雜。另外,測試水泵一定要在水中工作。小組測試。提示:水泵紅線接5V,黑線接負極,水泵工作。測試1 秒即可,水泵不可長時間暴露在空氣中工作,在水中完成測試也可以。
(5)設計電路圖,連接電路
談話:經過各個模塊的測試學習,我們對各個模塊有了一定的了解。那電路連接起來是不是就能實現(xiàn)無人自動澆灌呢?根據電路要求,學生分組設計電路圖。小組討論交流并修改。連接實物圖,測試電路,發(fā)現(xiàn)問題并改進實驗。
(6)完善裝置,美化作品
經過電路測試,我們已經初步實現(xiàn)濕度感應澆灌,是不是很激動?現(xiàn)在我們把裝置接入綠植盆栽中,完成我們的作品。再次實驗,進一步完善作品。實驗發(fā)現(xiàn):通過調節(jié)電位器,還可調節(jié)土壤在何種濕度時才要補水,也可結合插入土探頭的深淺來調節(jié)。發(fā)現(xiàn)不足:水管直徑大,水流過大可能會溢出,部分土壤流失。在實驗過程中,會遇到各種各樣的問題,美好的事物總是可以讓人賞心悅目,我們的實驗裝置在外觀上是否可以更美觀一些呢?有的學生認為,可以利用廢舊材料進行裝飾,廢物利用;有的學生認為,可以借助3D 打印設備進行升級改造,但因為條件有限,這只能是“心有余而力不足”;還有學生認為,可用更好的材質,如亞克力板,進行改進。
4.作品分享與評價
(1)作品分享
各個小組都完成自己的作品,在班內,我們以小組或個人為單位,分別展示并分享自己的作品。以小組為單位,在校園內開展精彩“微課堂”。學校在公眾號、校報、板報展示。
(2)項目綜合評價
教師對整個項目進行總結評價,小組內和學生之間進行相互評價,并填寫項目評價量表。
姓名: 評價人:★等級設計方案缺少文字或圖畫設計★★★合理地設計文字和圖畫說明,對設計結構的表述條理清晰;實驗步驟、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施,每個成員都安排了相應的任務,并且每個人都明確自己的任務改進方案方案未改進,缺乏指導性改進后的方案較細致,有設計圖,有說明說明展示小組對設計和實驗過程的描述缺乏邏輯,不能說明結果或無結果★★設計了文字和圖畫說明,但是說明缺少條理;實驗步驟表述較清楚材料使用較充分,個別材料使用錯誤有基本的分工,但是分工不系統(tǒng),或執(zhí)行分工不徹底,或出現(xiàn)沒有承擔任務的成員方案有改進,但不明顯,不夠細致小組對設計和實驗過程進行部分展示,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)了實驗的目的,效果顯著
濕度感應自動澆灌儀雖然已經完成,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。我們需要不斷地完善裝置,優(yōu)化作品。
我們的項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,更能與科技結合,體現(xiàn)智能生活的創(chuàng)造。
學生在本案例中不僅掌握了知識和技能,還能靈活運用所學知識解決生活中的實際問題??鐚W科主題學習正式進入課程,意味著中國基礎教育中人才培養(yǎng)方式將發(fā)生變革。