從美國小學(xué)“聲音”教學(xué)案例談STEM教育的實施

(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

本文介紹一個美國小學(xué)的STEM課程案例，它以美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》為指導(dǎo)，參與教學(xué)活動的學(xué)生來自小學(xué)三年級。由大學(xué)教授、小學(xué)教師、工程師組成的團隊打磨了一系列的工程設(shè)計挑戰(zhàn)活動來實施教學(xué)。活動分為四個部分：探究、設(shè)計、制作、評價。活動的目的是讓學(xué)生建構(gòu)對聲音特點和性質(zhì)的認(rèn)識，然后通過團隊協(xié)作，運用他們所了解的關(guān)于聲音的知識來完成工程設(shè)計。

1 STEM課程實施過程

1.1 探究：聲音是如何產(chǎn)生和傳播的

首先老師們提出一系列問題：聲音是怎樣產(chǎn)生的？什么導(dǎo)致了聲音的傳播？聲音是如何傳播的？聲音的傳播需要什么？教師引導(dǎo)學(xué)生相互討論，但不給出解答，通過這一過程可以幫助教師了解學(xué)生頭腦中的前概念。

然后將全班學(xué)生分成小組，每組5人，并給每組發(fā)放一個音叉和一根約1.5米長的繩子。讓學(xué)生敲擊音叉，感受音叉的振動及其發(fā)出的聲音。有些學(xué)生會嘗試握住音叉的叉股，感受到音叉幾乎沒有振動，這時需要老師引導(dǎo)他們正確地使用音叉。敲擊音叉后通過觸摸音叉、使音叉接近臉頰等方式，讓學(xué)生感受到音叉的振動。敲擊音叉后，使音叉靠近耳朵讓學(xué)生聽到聲音。大部分學(xué)生都能清楚地認(rèn)識到聲音是通過振動產(chǎn)生的。

圖1

這時，老師引導(dǎo)學(xué)生將繩子穿過音叉，把繩子的兩端繞在他們食指上，再把食指塞進(jìn)耳朵里(如圖1)，請其他學(xué)生敲擊音叉。老師又拋出一系列的問題：發(fā)生了什么？為什么她能聽到那個聲音？為什么那個聲音與直接敲擊音叉時聽到的不一樣？由此引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建振動通過介質(zhì)傳播的概念。

接下來的活動是自制有線電話，進(jìn)一步探索聲音的振動通過介質(zhì)傳播的概念。用一次性杯子，通過長繩連接制作電話。學(xué)生兩人一組合作，使用預(yù)先做好的一個有線電話打電話玩。幾分鐘后老師讓學(xué)生總結(jié)這次探究活動中他們發(fā)現(xiàn)了什么，學(xué)生們提到了繩子繃緊與松弛的影響，繩子拉緊時比繩子松弛時聲音能更好地傳播。還有幾個學(xué)生發(fā)現(xiàn)：當(dāng)他們將繩子繃緊，使得4根繩子連接在同一個結(jié)點時，那么一個人通過電話說話，其他三個學(xué)生都可以聽到他的聲音。

案例分析：通過這個基礎(chǔ)型的探究活動，使學(xué)生認(rèn)識到：聲音是通過振動產(chǎn)生的，通過介質(zhì)傳播。與我們傳統(tǒng)教學(xué)所不同的是，教師幾乎不講授關(guān)于聲音的知識，完全依靠問題串的形式，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生的思維，讓學(xué)生通過自主探究去建構(gòu)相關(guān)的概念。這既提高了學(xué)生探索問題的興趣，又培養(yǎng)了學(xué)生探究、解決問題的能力。

1.2 工程設(shè)計挑戰(zhàn)活動

工程設(shè)計挑戰(zhàn)的內(nèi)容如表1所示。

表1

任何工程設(shè)計都是為了解決一個特定的問題，在設(shè)計活動開始時，有必要向?qū)W生解釋相關(guān)術(shù)語。在介紹了挑戰(zhàn)之后，老師問了學(xué)生以下幾個問題：目標(biāo)是什么？客戶是誰？什么是設(shè)計？學(xué)生們能夠相對容易地回答第一個問題，許多學(xué)生都知道客戶的意思，并能正確地認(rèn)識到搖滾樂隊是客戶。難的是讓他們區(qū)分目標(biāo)和設(shè)計，所以老師需要解釋它們之間的不同，例如設(shè)計通常遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)和約束，接下來便引出本次設(shè)計挑戰(zhàn)的制作標(biāo)準(zhǔn)和限制條件，并向?qū)W生們介紹了可用的材料。

在所有學(xué)生都清楚挑戰(zhàn)的內(nèi)容后，再次將全班分為5組。每個小組的學(xué)生需要為他們的樂器做出一個設(shè)計方案，并標(biāo)明所使用的材料。老師鼓勵學(xué)生先做出自己的設(shè)計，然后與其他成員討論。并非所有的學(xué)生都要完成自己的設(shè)計，但他們必須參與小組討論，最后確定小組的設(shè)計方案。討論的目的是鼓勵學(xué)生的合作，指出每個設(shè)計的優(yōu)缺點，并提出一個最終的方案。

案例分析：設(shè)計是制作的前提，也是工程技術(shù)的核心。讓學(xué)生以探究活動中獲得的知識為基礎(chǔ)，解決現(xiàn)實中的問題，將頭腦中的想法呈現(xiàn)在圖紙上，進(jìn)而做出設(shè)計，這對他們思維的發(fā)展大有幫助。

1.3 制作并展示

給學(xué)生們一個小時的時間來完成任務(wù)。每組的動態(tài)各不相同，其中一個組由兩名成員領(lǐng)導(dǎo)，他們在設(shè)計的基礎(chǔ)上制作了一個弦樂器，而其他成員在組內(nèi)很少參與；另兩組各成員均不同程度地參與制作過程；剩下的兩組并沒有按計劃制作樂器，結(jié)果這兩組中的每一個成員都開始制作自己的樂器。

在完成了樂器的制作后，每個小組派一名成員向全班同學(xué)展示他們的樂器，發(fā)出三種不同的聲音或音調(diào)。有兩個組制作了多個樂器，要求他們選出一個最接近原來設(shè)計的作品進(jìn)行展示。在展示的過程中，老師詢問學(xué)生：在設(shè)計或制作過程中存在哪些問題，如何解決這些問題？所有小組都提到：使用合適的繩子，并注意其松緊度，可以提高聲音的整體質(zhì)量。其中一個協(xié)作不正常的小組也提到了團隊中存在的問題。

案例分析：動手制作是本節(jié)課的重點和難點。讓學(xué)生動手做，可以讓他們在實踐中更深刻地理解之前探究所獲得的關(guān)于聲音的知識，當(dāng)學(xué)生成功完成樂器的制作后，一定會體會到“做中學(xué)”的樂趣，在做中培養(yǎng)了學(xué)生將科學(xué)技術(shù)運用于工程實踐解決實際問題的能力。而展示交流則能分享各組制作的經(jīng)驗和體會，鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力。在老師的詢問下引導(dǎo)學(xué)生反思存在的問題，這對于學(xué)生批判思維的形成也大有裨益。

1.4 總結(jié)和評價

活動結(jié)束后，學(xué)生們需要完成自己的“課程小結(jié)”，他們需要寫出在這次活動中所學(xué)到的知識。許多人做了一般性的陳述，例如“我知道振動的弦可以產(chǎn)生聲音”“用繩子纏在你的手指上并把手指放在你的耳朵里，聽起來就像使用耳機一樣”。其他人提到一些在他們小組沒有做好的事情，例如“氣球不能用來做弦樂器”或“我們的小組成員不能和睦相處，所以我的計劃沒有完成，但我看到了其他小組如何利用現(xiàn)有材料發(fā)出聲音?！边@種類型的形成性評價有助于教師評估這個工程設(shè)計挑戰(zhàn)活動帶給學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，在本次活動結(jié)束后，學(xué)生更好地了解聲音是如何傳播的、可以使用什么工具來發(fā)出聲音和產(chǎn)生不同的音調(diào)，他們在設(shè)計制作過程中能夠了解不同類型繩子的發(fā)音表現(xiàn)和所發(fā)聲音的整體效果。

案例分析：通過總結(jié)和評價，讓學(xué)生將這節(jié)課中通過探究、實踐所建構(gòu)的知識固化下來，也有助于教師評估本節(jié)課的上課效果及每位學(xué)生的掌握情況。這項活動還可以擴展為每一個小組解決他們制作儀器的缺陷或不足，并改進(jìn)設(shè)計方案。

2 對我國開展STEM教育的啟示

2.1 多學(xué)科背景教師參與備課

STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)的融合，對STEM的授課老師提出了更高的要求，而我國當(dāng)下普遍采用分科教學(xué)模式，造成我國STEM教學(xué)存在師資不足的問題。即使是在美國，高質(zhì)量的STEM在職教師也十分短缺。如何應(yīng)對這種現(xiàn)狀，本文案例中采用了多學(xué)科背景教師參與備課的方式，不僅有兩位在職小學(xué)老師，還有來自美國普渡大學(xué)的三位教授參與備課，而這三位教授分別有著科學(xué)、技術(shù)、工程專業(yè)的背景，為整個教學(xué)案例的設(shè)計提供了非常有力的專業(yè)支撐。

2.2 多位教師參與授課

STEM教育十分重視專業(yè)“做中學(xué)”，在STEM探究和實踐活動中蘊含了大量的難以用語言直接傳授的知識，這些知識不是靠教師講授灌輸?shù)?，而是學(xué)生通過自主探究以及動手設(shè)計制作等從實踐中建構(gòu)獲得的。整堂課中需要老師講授的內(nèi)容很少，但需要老師時時關(guān)注、及時引導(dǎo)的部分很多。本文案例中全班同學(xué)共25人，分為5組進(jìn)行活動時，一個老師授課仍然無法照顧到全體學(xué)生。所有參與課程設(shè)計的五位老師均參與了授課，每個老師都能持續(xù)關(guān)注一組同學(xué)，更能了解學(xué)生在整堂課中的表現(xiàn)，及時處理“生成性”問題和突發(fā)情況，給出有針對性的指導(dǎo)意見，真正做到“因時施教”和“因材施教”。

2.3 多機構(gòu)合作豐富教學(xué)設(shè)計

STEM教育是一種跨多學(xué)科的教學(xué)方式，強調(diào)學(xué)科間的融合。僅僅依靠小學(xué)教師的力量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。本案例中有高校的研究人員參與備課、授課，取得了良好的效果。學(xué)校也可以加強與科技館或其他組織機構(gòu)的合作，融合更多的優(yōu)質(zhì)教育資源，創(chuàng)造出更加豐富的教學(xué)設(shè)計。

2.4 注重網(wǎng)絡(luò)平臺的建設(shè)

可以搭建STEM教師的網(wǎng)絡(luò)交流平臺，方便教師進(jìn)行教學(xué)案例、經(jīng)驗和心得體會的分享與討論。本案例中提到的“制作有線電話”就是參考了另一個網(wǎng)絡(luò)資源，而這些資源被整合進(jìn)一個教學(xué)案例中后，又分享到了網(wǎng)絡(luò)平臺供其他老師參考。分享案例、分析評價、整合設(shè)計、再分享、再評價，由此便形成了課程資源的良性循環(huán)，全球的教師都能參與其中，這對提升STEM教師素養(yǎng)、豐富STEM教學(xué)資源都有極大幫助。

3 結(jié)語

STEM課程的開展離不開課程資源的支持，所以此類課程的開發(fā)和利用就顯得十分重要。通過借鑒美國現(xiàn)有的課程案例，可以給我國的STEM課程資源的開發(fā)和利用提供很好的參考。

[1] NGSS Lead States. Next Generation Science Standards:For states, by states[S].Washington, DC: National Academies Press,2013.

[2] Venkatesh Merwade.The Sound of Science[J].Science and Children,2014,(2).

[3] 李天露.美國科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)(STEM)教育政策解讀及其啟示[D].長沙:湖南師范大學(xué),2015.

[4] 鄭浩.OECD“催化劑項目”中的STEM教學(xué)模式及其啟示[J].中國電化教育,2017,(8)