STEM教育理念指導下的中學校本課程開發(fā)研究

朱江　譚凰　耿淑玲

[摘 要] 當前，STEM在全球已成燎原之勢，但是國內(nèi)對STEM的研究多停留在理論探索層面，缺乏真正意義上的實踐研究。有研究表明，基于STEM理念的教學，有助于加深學習者對數(shù)學和科學等內(nèi)容的理解，同時將知識應用在生活中的能力也得到提高。簡單介紹了STEM的內(nèi)涵和發(fā)展，以《自制孔明燈》為例進行了STEM教育理念指導下的中學校本課程內(nèi)容設計，以期對基于STEM教育本土化的實踐研究添磚加瓦。

[關 鍵 詞] STEM；校本課程開發(fā)；自制孔明燈

[中圖分類號] G632 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）32-0178-02

近年來，STEM教育已經(jīng)成為國際科學教育的發(fā)展趨勢，促進了各國科學課程的改革。STEM教育強調(diào)多學科交叉融合培養(yǎng)全面發(fā)展的創(chuàng)新型科技人才，與我國近期提出的核心素養(yǎng)的核心“培養(yǎng)全面發(fā)展的人”不謀而合。目前，中學最廣泛應用的課程模式是分科教學模式，即數(shù)學、物理、化學等學科教師負責教授各自科目，很少重視學科之間的聯(lián)系，并且中學階段對工程教育和技術教育的重視不夠，學生缺乏自主解決問題的能力。

一、STEM教育理論

STEM教育（STEM Education）是科學（Science）、技術（Tech-nology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）四門學科的簡稱，強調(diào)在問題解決或項目設計的過程中將科學、技術、工程、數(shù)學四門獨立的學科交叉融合在一起，提高學生的學習興趣和實踐創(chuàng)新能力。

STEM教育始于1986年美國《本科的科學、數(shù)學和工程教育》報告，是美國為其科學技術發(fā)展儲備綜合性人才，保障其在國際上的領導地位而提出的，歷經(jīng)三十多年的發(fā)展，已趨進成熟。從STEM的提出至今，美國政府出臺了一系列政策，并且持續(xù)加大財政投入力度，為STEM的成功實施保駕護航。社會各界組織積極響應政府號召，建立了相對完善的STEM教育項目體系，如項目引路（Project Lead To the Way）、變革方程（Change the Equation）等機構。迄今為止，美國已建立了上千所STEM學校，培養(yǎng)了大量的STEM人才。截止2015年，每年的STEM學士和副學士畢業(yè)生約為30萬。

國內(nèi)對STEM教育的研究起步較晚。2008年，STEM教育才真正進入我國教育研究界，目前我國對STEM的研究還只停留在對STEM理論探索階段，缺乏課程資源的實踐研究。因此，課程資源是實施STEM必須解決的首要問題之一。

二、校本課程——《自制孔明燈》

鑒于中學生的抽象思維還未發(fā)展成熟，對物理知識“阿基米德原理”的理解較為困難，對化學與生產(chǎn)、生活的實質聯(lián)系缺乏了解，本研究基于STEM教育理論，以中學生為學習對象，以項目設計為學習方式，選取了貼近學生生活、能引發(fā)學生興趣且安全易操作的主題——《自制孔明燈》，將晦澀難懂的科學理論知識融合于生動直觀的活動實踐課程，使學生更快、更好地理解科學知識，學會應用知識解決實際問題。符合STEM的跨學科、趣味性、體驗性、情境性等核心特性。

（一）設計思路

以“制作孔明燈”“放飛孔明燈”兩個活動組織課程，將科學、技術、工程、數(shù)學等學科相關知識均包含在內(nèi)，讓學生“動手做”，在“做中學”?；顒又猩婕暗腟TEM各領域學習內(nèi)容見下表。

（二）課程內(nèi)容編寫

每逢春節(jié)、元宵節(jié)等一些比較有特殊意義的節(jié)日，人們喜歡在孔明燈上寫下美好的心愿，放飛到空中，象征著順利與成功，美好與幸福。你知道孔明燈里蘊含的學問嗎？

【孔明燈的原理】

液體和氣體對浸在其中的物體有豎直向上的托力，物理學中把這個托力叫做浮力。

阿基米德原理：浸在液體或氣體中的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于它排開的液體所受到的重力。

表達式：F浮=G排=ρ液gV排

孔明燈受到兩個力，一個是豎直向上的浮力，一個是豎直向下的重力。燃料燃燒使周圍空氣溫度升高，根據(jù)熱脹冷縮原理，孔明燈中氣體分子之間的間隔增大，氣體體積增大，從而排出孔明燈中部分原有空氣，孔明燈中氣體重力減小。只有滿足空氣對孔明燈的浮力大于孔明燈中氣體重力與孔明燈的自身重力之和，即F浮>G總=G熱空氣+G燈（1）時它才能上升。

F浮=G排=ρ空氣gV燈（2）

G熱空氣=ρ熱空氣gV燈（3）

G燈=m燈g（4）

將（2）（3）（4）代入（1）中，推出

m燈<（ρ空氣-ρ熱空氣）V燈（5）

也就是說，當孔明燈的質量（m燈）、孔明燈的體積（V燈）、室溫下空氣密度（ρ空氣）、孔明燈內(nèi)熱空氣密度（ρ熱空氣）四個物理量滿足（5）式時，孔明燈才能起飛，且孔明燈的質量越小，就越容易上述條件，孔明燈就越容易起飛。

【一起動手吧 制作孔明燈】

1.材料的選擇

竹篾、細鐵絲、拷貝紙（500*700 mm）、硅酸鈉、固體酒精（約20g）、剪刀、膠水。

2.制作步驟

（1）配制硅酸鈉的飽和溶液。

（2）取3張拷貝紙，將其在上步操作中配制好的硅酸鈉的飽和溶液中浸泡，片刻后小心取出，放在通風處自然晾干。

（3）用晾干的拷貝紙，將孔明燈設計成你喜歡的形狀，比如圓柱形，方形、心形等。

（4）用竹篾扎一個圓圈，將竹圈放在你設計好的孔明燈下端作底，使邊沿近于重合，用膠水粘住。

（5）取兩根鐵絲，固定呈十字交叉狀在竹圈內(nèi)，再將固體酒精固定在兩鐵絲的交叉點上。如下圖所示。

友情提示：操作中勿弄破、弄皺拷貝紙，且拷貝紙黏合處不能留有縫隙。

你已經(jīng)做好了孔明燈，設計你喜歡的圖案讓孔明燈更加與眾不同吧。

【放飛孔明燈】

在一個天氣晴朗無風的夜晚，你和伙伴們帶著已經(jīng)做好的孔明燈來到一個沒有高壓線、沒有建筑物的空曠開闊場地一起放飛孔明燈。其中兩人拿住燈底的左右側，另一人點燃固體酒精，燈內(nèi)溫度升高使孔明燈慢慢膨脹，當感覺孔明燈有上升趨勢時一起放手。

假設當晚的室外溫度為25℃，空氣密度為1.17kg/m3，你的孔明燈所受到的空氣浮力是多少呢？

假設你們的孔明燈重量約為100g，忽略燃料燃燒過程中質量的變化，你推算一下，當孔明燈飛起的時候，燈內(nèi)空氣的溫度大致是多少度。你們上網(wǎng)查得空氣密度與溫度有關，具體相關性如下：

溫馨提示：

放飛之前檢查好孔明燈是否完好，不要在有樹木、高壓線路、居民區(qū)、機場5公里范圍內(nèi)、倉庫、加油站等存在安全隱患的地區(qū)進行燃放。

資料卡片：

硅酸鈉（Sodium silicate），化學式為Na2SiO3，通常為白色至灰白色塊狀物或粉末狀，易溶于水，其水溶液俗稱水玻璃。有很好的耐熱性，是制備硅膠和木材防火劑的原料。

【思維拓展】

1.試分析將制作孔明燈的薄白紙在Na2SiO3的飽和溶液浸泡片刻的目的。

2.出于環(huán)保的角度，怎樣可以回收放飛的孔明燈呢？

3.結合所學知識和生活經(jīng)驗，思考除了用固體酒精作為燃料之外，還有哪些適合作為燃料的物質。

三、結語

本研究設計了以《自制孔明燈》為例的中學STEM校本課程，將碎片化知識相整合，提高了學生綜合運用知識解決問題的能力。課程內(nèi)容取材于生活，以小組合作展開教學，在一定程度上提高了學生的學習積極性，同時也培養(yǎng)了學生的合作意識和創(chuàng)新能力。STEM課程多學科融合的特點對教師的要求很高，這就要求教師不能故步自封，只研究自己所從事的學科專業(yè)知識，更應該多與其他學科教師交流，不斷學習新課程背景下的教育理論，更新教育理念，提高自身的綜合素養(yǎng)。

參考文獻：

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[3]鐘柏昌，張麗芳.美國STEM教育變革中“變革方程”的作用及其啟示[J].中國電化教育，2014（4）.

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