STEM理念與物理教學零距離對接
——面對學生的STEM課程系列之“探究面團的導電性”

耿 紅

(北京理工大學附屬中學，北京 100089)

在物理課程標準中將科學探究明確地列為課程內(nèi)容.多年來,初中物理教學一直致力于開發(fā)探究式教學模式,以學生主動探索認知物理現(xiàn)象和規(guī)律為目標,然而,在實際教學過程中常因教學內(nèi)容結(jié)果的既定性而被教師規(guī)劃為“同一”路徑,使得探究的過程形式化,很難自發(fā)地、自然地將教授內(nèi)容以探究為載體呈現(xiàn)出來,時常為探而探．那么現(xiàn)今的教學內(nèi)容能否實現(xiàn)真實的探究過程呢?筆者在參加北京市教育學院組織的STEM項目培訓中獲得啟示,從而結(jié)合電學的學習內(nèi)容,為突破這一尷尬局面設(shè)計并實施了“探究點亮彩燈的面團”一課,為實現(xiàn)真實的探究教學,將物理授課與STEM教育理念零距離對接提供了可行性案例．

1 與物理教學對接的STEM教育模式

STEM教育是將科學、技術(shù)、工程和數(shù)學這4門學科有邏輯、有組織地進行交叉融合,以培養(yǎng)跨學科思維,提升學生核心素養(yǎng)的一種教育理念．STEM教育更能體現(xiàn)物理教學的實踐性和物理規(guī)律之間的關(guān)聯(lián)性,它與物理教學中的探究式教學相同的是強調(diào)學生的主體地位,重視發(fā)揮學生在知識建構(gòu)上的主動性,同時,STEM教育更加關(guān)注物理規(guī)律在實際問題解決中的整合與應用．從對STEM教育內(nèi)涵的理解上,可以看出該教育模式是基于項目或者是問題導向教學法,是通過引導學生完成某個項目而進行具體的教學實踐活動．在完成某個項目,或者解決某個問題的情境中,教師提供“支架”,引導學生提出解決方案,從而有效促進跨學科知識的整合,培養(yǎng)創(chuàng)造力,開辟新的研究視角．

根據(jù)學生的思維特點和能力水平,初中物理的探究學習過程是在教師的引導下逐漸完成的,在通常的教學實踐中,常因不同的學習階段和學習內(nèi)容而采用不同的學習模式．因STEM教育以“項目教學法或問題引導法”為基礎(chǔ),故在嘗試與物理教學進行對接時,有以下3種模式,見表1．

表1 STEM教育模式

一是教學內(nèi)容以實驗室資源為背景的,可以獨立成為一節(jié)課的,采用“指定式”STEM教育模式,即探究問題與探究方法均由教師指定,通過經(jīng)歷探究學習過程而得出同一答案的模式.該項目主要來源于教學內(nèi)容本身,如在進行機械效率一個單元的教學中,為了研究功的原理等內(nèi)容而有意設(shè)定一些項目目標,學生們在看物理教師把一箱箱的實驗器材從1層樓搬運到6層樓時,非常辛苦而想到如何設(shè)計一種簡單機械,來更好地完成這一工作,從而引出以“探究滑輪的省費問題”為切入點的項目學習．通過對“一個滑輪省費問題研究”的學習,展開對2個、3個滑輪的逐漸探究,進而進一步研究其他簡單機械——杠桿、斜面的省費問題,從而真正理解機械效率的現(xiàn)實意義和研究價值．這樣的項目式學習方式雖然比較耗時,但只要教師精心設(shè)計,可以很好的促進學生建立能量觀,真正落實注重培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)的理念．

二是教學內(nèi)容以實際生活資源為背景的,通常是生活中的真實問題,解決問題的方法適合于學生現(xiàn)有知識和能力,教師找一個恰當?shù)臅r間點將探究的問題與教材內(nèi)容進行重新整合,即探究問題與探究方法指定,而探究結(jié)果開放的層次,這種模式就是“半開放式”STEM教育模式,它更適合單元學習,用以突破學習中的難點．如在簡單電路這一章的學習中,因基本概念和規(guī)律頗多,尤其是“短路”、“并聯(lián)電路”等難點,學生需要很長時間進行理解,這時就可以將這一章的內(nèi)容進行重組,利用生活中常吃的“面團”為資源,進行探究學習,以“制作一款可以點亮彩燈的面團”為項目學習目標,來展開對電路連接和串并聯(lián)規(guī)律的深入認識．該項目的學習很有趣,既可以激發(fā)學生對物理的興趣,又可以促進對知識的深入理解,在實際開展的項目學習中這一項目受到學生好評．

三是教學內(nèi)容以學生自發(fā)生成性問題為背景的,隨機應運而發(fā),可以高于學生現(xiàn)階段學習內(nèi)容的,即探究問題、探究方法和探究結(jié)果均為開放式,叫“開放式”STEM教育模式.它適合課后時間自主完成的,有共同興趣和愛好的學生自發(fā)結(jié)合成一組進行探究學習的．如圣誕來臨,學生們看到節(jié)日的彩燈總是忽明忽暗,一閃一閃的發(fā)光,根據(jù)自己掌握的知識從而以“探究節(jié)日彩燈的閃爍問題”為學習目標展開探究的．

從上述3種模式的解釋中可以看出,“指定式”、“半開放式”STEM教育模式在教學時間上、教學內(nèi)容上把控性更強一些,更適合初中學段的課堂授課．

2 與物理教學對接的“半開放式”STEM教學案例

下面以“探究面團的導電性”為例,來分析一下“半開放式”STEM教育模式與物理教學零對接的實施策略．

2.1 項目背景來源

在參加一次好朋友的生日家庭宴會時,點燃的蠟燭流淌在蛋糕上影響了口感,于是設(shè)想用別的發(fā)光物體來代替蠟燭,經(jīng)過一番討論和思考,制定了“設(shè)計一款點亮彩燈的蛋糕”學習項目,并以“探究一款能點亮彩燈的面團”為課題進行了實際授課,獲得學生們的喜愛．

2.2 學習方法分析

這是一個比較復雜的學習項目.為了完成目標,將學習過程進行分解,化難為易．“制作一款能點亮彩燈的面團”應該分為3大部分,一部分是電路的連接,一部分是面團的制作,第三部分是將電路和面團組合在一起,從而完成項目．本節(jié)課的教學流程如圖1．

第一部分:簡單電路的連接．授課學生為七年級學生,還沒有簡單電路的知識,所以這部分的學習要占用一定的時間,先從點亮一盞燈開始學習,而后逐漸擴展點亮二盞燈、三盞燈的順序．這部分的學習有兩個目的:檢測面團的導電性和最后將面團與彩燈進行連接．

圖1

第二部分:面團的制作．由于蛋糕的制作材料比較復雜,為順利完成項目,選取幾種主要食材:面粉、雞蛋、牛奶、食用油、水、鹽、食用色素等.這些材料可以分為兩大類,即固體的干面粉與和面的液體．干面粉是不導電的,而和面的液體是否導電呢?從這個問題切入進行探究——食用油、純凈水、自來水、添加少許食用鹽的自來水、添加多一些食用鹽的自來水、牛奶、蛋液的導電性,再進一步探究添加了這些液體摻入面粉制成面團后的導電性．探究成功得出結(jié)論后進入導電面團、絕緣面團的制作過程及造型設(shè)計．

第三部分:制作一款能點亮彩燈的面團,并配合keykey軟件進行音樂表演,在對知識進行深刻的理解以后,促進學生對物理的深層次喜愛．

根據(jù)對上面問題的分析,可以看出本項目涉及了物理、化學、生物、美術(shù)、音樂等幾方面知識的融合,而主要的基礎(chǔ)動作在于探究物質(zhì)的導電性上,故此項目是與物理教學零對接的典型案例．

2.3 實施過程分析

從上面的流程中可以看出,要探究學習的內(nèi)容很多,故實際授課過程中,以任務(wù)驅(qū)動的方式進行,使得條理清楚,容易接受和成功．

我們把整個項目分成了4個單元,每一個單元又劃分成若干項任務(wù),每一項任務(wù)完成的都有評價量表,見表2,根據(jù)評價量表推動項目的完成．

表2 完成任務(wù)評價量表

主要學習活動設(shè)置.

(1) 電路部分學習,要完成4個任務(wù)．首先學習微課內(nèi)容:面包板的結(jié)構(gòu)及使用方法．然后利用實驗桌上現(xiàn)有器材:面包板、4節(jié)干電池、導線將發(fā)光二極管點亮,注意有些二極管要配有保護電阻一起使用．教師巡視指導,確保每一位成員都能完成任務(wù),這是后面學習的基礎(chǔ),必須人人過關(guān)．在完成任務(wù)的同時可以給自己一個評價．

圖2

在4個任務(wù)都完成后,教師介紹電路元件的表示符號以及電路圖的畫法,并設(shè)計一個簡易方便的檢測電路,如圖2．通過交流討論揭示檢測物質(zhì)導電性的方法:發(fā)光二極管相當于指示燈,若指示燈亮則代表被檢測物質(zhì)導電,反之,若指示燈不亮,則表示被檢測物質(zhì)不導電．

(2) 面團制作部分的學習中,首先檢測幾種液體導電性,將被檢測液體放入貼有標簽的蒸發(fā)皿中少許,與檢測電路連接,觀察指示燈亮度情況并記錄表格中,如表3．

表3 實驗數(shù)據(jù)記錄表格

這部分是本節(jié)課的第一個重點環(huán)節(jié),學生檢測完后將實驗數(shù)據(jù)填入表格,通過手機界面截屏進行交流展示．學生的檢測電路往往比較單一,那么有沒有更優(yōu)秀的檢測方案呢?

圖3

教師詢問后若有則讓其展示,若沒有則教師展示自己的檢測方案,如圖3所示,并討論此種檢測方法的優(yōu)點．

圖3檢測方法的設(shè)計有以下幾個意圖:一是通過對比實驗的設(shè)計可以很明顯的比較出物質(zhì)導電性能的強弱,為得出結(jié)論增添思維深度;二是讓學生感受到對比實驗的優(yōu)越性,體會物理學的研究方法;三是滲透電路的并聯(lián)特點——彼此獨立互不影響．這一點睛之筆的設(shè)計讓我們深深體會到STEM教育的研究方法的開放性,凸顯探究過程中對學生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)．

再將少許面粉放入被檢測液體中,制成稀面團后進行導電性能檢測,觀察指示燈亮度情況并記錄表格中,如表3．

把學生的探究數(shù)據(jù)與教師的探究數(shù)據(jù)進行對照,發(fā)現(xiàn)探究結(jié)果的相似度極高,說明這一過程探究的結(jié)果是經(jīng)得起反復實驗的.這就是科學的結(jié)論,不是一種偶然的現(xiàn)象,為培養(yǎng)學生科學的責任和態(tài)度起到很好的促進作用．

經(jīng)過6個任務(wù)的完成,得出結(jié)論:導電面團=面粉+自來水+鹽+色素;絕緣面團=面粉+食用油;而后進行自我評價．

(3) 造型的設(shè)計和彩燈的組裝．

這又是本節(jié)課的一個重要環(huán)節(jié),學生設(shè)計了各種有創(chuàng)意的造型后,當組裝彩燈時又遇到極大困難,如圖4所示,學生想設(shè)計一款能發(fā)光的毛毛蟲面包,將彩燈按裝在毛毛蟲上,彩燈并沒有發(fā)光,而指示燈發(fā)光,電路圖如圖5,這怎么回事呢?

動脈瘤為因動脈壁的損傷或病變，而引發(fā)的動脈壁的局限性及彌漫性的擴張或者膨出的疾病，顱內(nèi)的動脈瘤為發(fā)生于顱內(nèi)的動脈管壁上異常性的膨出，為引發(fā)蛛網(wǎng)膜下腔出血的重要病因，在腦血管的意外中，其僅次于高血壓腦出血與腦血栓，位居第三[1]。引發(fā)動脈瘤的病因主要為動脈粥樣硬化、外傷、感染、免疫疾病及先天性動脈壁的結(jié)構(gòu)異常。

圖4 圖5

請看下面一段教師與學生的精彩對話.

生:是不是彩燈L1的正負接線柱接反了?

師:好,我們換一下L1正負接線柱的位置,來試一試．

生:彩燈L1還是沒有發(fā)光,是不是這個彩燈L1壞了?

師:好,把這個二極管L1從面團上取下來,直接將檢驗電路與其這負接線柱相接,如圖6．

圖6 圖7

生:二極管L1發(fā)光,說明是好的,沒有壞．

師:這是為什么呢?把二極管L1從面團上取下來直接接入檢驗電路,二極管L1的兩個引腳是分開的,二極管L1就發(fā)光.把它的兩個引腳都接在面團上,二極管L1就不發(fā)光,兩次的區(qū)別是什么呢?

生:發(fā)光時二極管L1的兩個引腳是分開的,不發(fā)光時二極管L1的兩個引腳是接在一起的．

師:那么我們接下來怎么做?是不是可以將毛毛蟲面團一分為二呢?如圖7．

生:果然,將面團分開時,二極管L1又發(fā)光,面團合在一起,二極管L1就不發(fā)光,這相當于把二極管的兩個引腳接在了一起．

師:這就是我們平常說的短路現(xiàn)象．

生:可是問題又來了?為什么指示彩燈L的亮度會發(fā)生變化呢?也就是當二極管L1發(fā)光時,指示彩燈L的亮度變暗了,這又如何解釋呢?

師:大家觀察得很仔細,當兩個二極管都發(fā)光時,相當于兩個二極管組成了一個串聯(lián)電路,兩個燈的亮度都有明顯的變暗情況.我們可以做一個對比實驗,如圖8所示電路圖,還是剛才的電源和同樣規(guī)格的發(fā)光二極管,明顯看出串聯(lián)時燈都變暗了,這就是串聯(lián)的分壓作用.圖9所示的電路中兩個二極管的正極與正極接在一起,負極與負極接連在一起,拆掉一個二極管不影響另一個,但圖8的串聯(lián)就不行,拆掉一個另一個也不發(fā)光了,所以圖9的這種連接是并聯(lián).生活中,我們教室的日光燈管、家庭用的各種電器都常常采用這種并聯(lián)的方式,它的優(yōu)點是互不影響哦．

圖8

圖9

師:學會了這幾種電路的連接方式以后,我們怎樣把分開的兩個毛毛蟲面團接在一起又能讓彩燈發(fā)光呢?

師:可以在分開的地方連接一塊絕緣面團,這樣一個能發(fā)光的毛毛蟲面團就制作成功啦．

學生完成自己的設(shè)計,如圖10、11,造型各異的發(fā)光面團,交流展示評價．在評價環(huán)節(jié)教師要對張節(jié)課進行評價總結(jié),除了對新穎的探究方案、創(chuàng)新觀點提出鼓勵之外,還有對過程中出現(xiàn)的錯誤進行分析和指導．學生頭腦中的思維、先驗概念很多都是不科學的,有一些還帶有明顯的錯誤.這些都要通過以學生為主導的探究和交流討論來辨別和改正,因此這一環(huán)節(jié)也是STME教育的本質(zhì)所在．

圖10

圖11

3 與物理教學零對接的STEM教學反思

從上面的教學過程中可以看出,STEM教學的實施框架一般是:解決一個實際問題→將復雜的問題進行分解→逐一探究學習→完成任務(wù)并展示評價．這種框架思路與物理教學非常吻合,所以實施起來很得心應手．

3.1 體現(xiàn)了物理教學與STME教育零對接的可能性

通過本節(jié)課實施,讓我們看到物理教學與STME教育零對接成為可能．這主要體現(xiàn)在:精細設(shè)計有鮮明主題的探究活動,來揭示物理教學內(nèi)容知識和規(guī)律,例如為了讓學生能真正理解短路的概念進行的一番師生討論;對學生探究方法的培養(yǎng)與物理研究方法相呼應,如在探究各種液體導電性時采用的若干指示燈亮度對比法,后面研究串聯(lián)和并聯(lián)電路時進行的對比分析等方法都是物理學典型的研究方法．

3.2 促進了學生對物理學習的深層次的思考

學生進行造型創(chuàng)意時,物理、化學與美術(shù)、音樂等藝術(shù)學科的融合,吸引了很多女生對此探究過程的熱愛,尤其是課后有很多女生圍在一起彼此欣賞交流作品,并利用keykey軟件進行音樂表演,現(xiàn)場氛圍非常熱烈;生活元素——面點的制作的引入,使得課堂趣味生動,孩子們學習起來輕松愉快,真正體現(xiàn)STEM理念,促進學生對物理學習濃厚的興趣．

3.3 使教學內(nèi)容豐厚飽滿,事半功倍

雖然這一課的授課對象是7年級的學生,他們還沒有學習電學的知識,對這種授課形式也是感到相對陌生,但師生在最后的小結(jié)非常完美,從知識點、研究方法到探究態(tài)度上進行點撥和提升,使得學生們有明確的思考方向和回憶的空間．小結(jié)如下.

從知識層面上,學習了幾個概念,即通路、斷路和短路,并對短路進行了比較細致的研究;學習了幾種電路的連接方式,認識到串聯(lián)和并聯(lián)的不同特點,在后面的學習中可以根據(jù)這些特點來識別電路．

從研究方法上,將復雜的問題進行逐一分解,從而提出具體的可探究問題,這是一個很重要的能力,需要在今后的學習中繼續(xù)加強;在對實驗數(shù)據(jù)進行采集時,可以通過對比實驗的方法來較為生動地再現(xiàn)實驗現(xiàn)象,把定性的結(jié)果描述得更加準確一些;探究的步驟上從簡單到復雜,如探究電路的連接上我們就是從1個彩燈開始,依次進行2個、3個到多個的連接;在對燈泡的亮度無法辨識時,提出用電流表進行測量的方案,這些都是我們今天最重要的收獲．

從研究態(tài)度上,實驗中有思考,不莽撞,不胡亂作為,每一個動作都有一定的目的,顯現(xiàn)科學探究時應有的研究品格．

當然本節(jié)課也有很多不足,如教學時間較長;要用到實驗很多器材,就單單是蒸發(fā)皿一種就需要近100個;學生們逐一展示的環(huán)節(jié)匆忙而過,沒有真正體現(xiàn)每一個學生的特點,課上的話語權(quán)在很大的程度上還是把握在教師這里,沒有真正的放手,也就沒能充分體現(xiàn)STEM的特色.這些都是后續(xù)教學實施時要充分注意的．

總之,與傳統(tǒng)的教學相比,STEM教育的優(yōu)勢在于充分認識到真實的研究過程的多元性和靈活性,認識到跨學科知識的重要性．在全球科技不斷進步的今天,選擇正確的教育發(fā)展道路,對于學生的未來乃至國家的發(fā)展都是至關(guān)重要的.STEM教育結(jié)合當代最先進的教育理念,將學生的學習過程方法化、系統(tǒng)化、多元化.通過學生之間的合作,探究實驗的方式,充分調(diào)動學生學習的自主性,培養(yǎng)學生的科學思維品質(zhì),提高學生的物理核心素養(yǎng)．