SSTTEEMMM視野下的初中科學(xué)課堂的開(kāi)發(fā)

□費(fèi)志明

（海寧市教研室，浙江海寧 314400）

STEM教育現(xiàn)在非常流行，然而國(guó)內(nèi)有關(guān)STEM教育的研究還處于起步階段，大多數(shù)研究集中于理論研究，而真正一線(xiàn)的案例、實(shí)例研究卻很少。就算有，也基本都是一些有關(guān)信息技術(shù)、勞技、科學(xué)的拓展性課堂；所謂的STEM云教室，大多數(shù)是小創(chuàng)造和小制作的場(chǎng)所。而STEM教育真正在初中科學(xué)教學(xué)主陣地——課堂上非常少見(jiàn)。為此，開(kāi)發(fā)一些在STEM視野下的初中科學(xué)課堂的實(shí)踐案例，真正提高學(xué)生思維品質(zhì)，顯得尤為重要。

一、科學(xué)課堂工程化[1]

STEM視野下的科學(xué)課堂設(shè)計(jì)要遵循科學(xué)課程目標(biāo)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合性科學(xué)素養(yǎng)的要求，體現(xiàn)對(duì)STEM學(xué)科的整合?？茖W(xué)課堂工程化的目的是科學(xué)知識(shí)通過(guò)工程設(shè)計(jì)來(lái)改善生活，要充分發(fā)揮工程在課程整合中的作用，利用工程設(shè)計(jì)整合課程內(nèi)容產(chǎn)生具體的項(xiàng)目，形成以問(wèn)題為導(dǎo)向的課程。STEM視野下的科學(xué)課堂設(shè)計(jì)中利用工程設(shè)計(jì)方法把科學(xué)課程中需要學(xué)生掌握的科學(xué)知識(shí)和方法集合成了具體的項(xiàng)目，通過(guò)解決核心問(wèn)題的活動(dòng)使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究以及工程設(shè)計(jì)過(guò)程，給學(xué)生呈現(xiàn)的課程任務(wù)是需要執(zhí)行產(chǎn)生最終產(chǎn)品的一個(gè)或多個(gè)任務(wù)，產(chǎn)品可以是一個(gè)問(wèn)題方案、一個(gè)模型、一個(gè)設(shè)備。

例1 光的反射

挪威峽谷小鎮(zhèn)（尤坎）長(zhǎng)年沒(méi)有陽(yáng)光照射。2013年11月，靠三面巨鏡，首次沐浴冬季陽(yáng)光。沐浴在陽(yáng)光下……小鎮(zhèn)人們歡心喜悅！

那么，我們?nèi)绾蝸?lái)放置圖1所示的這三面巨鏡，這三面巨鏡對(duì)光的反射有什么規(guī)律呢？

我們提供一個(gè)真實(shí)的情境，讓學(xué)生自己去尋找內(nèi)在的規(guī)律，這里需要用到技術(shù)和數(shù)學(xué)等內(nèi)容，并且從中得到科學(xué)原理（光的反射定律，如圖2），這里需要用到科學(xué)知識(shí)；然后讓學(xué)生歸納出光的反射定律有哪些特點(diǎn)；最后應(yīng)用實(shí)際：如何安裝這三面巨鏡，這里就需要用到工程方面的知識(shí)；最后進(jìn)行反思改進(jìn)：如何避免光污染？如何在白天每時(shí)每刻照射到陽(yáng)光？……實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)。

圖1

圖2

課堂的主要線(xiàn)索是：現(xiàn)象（情境）——規(guī)律（技術(shù)、數(shù)學(xué)）——原理（科學(xué)）——特點(diǎn)（科學(xué)）——應(yīng)用（工程）——反思（技術(shù)、工程）。

通過(guò)這樣的課堂呈現(xiàn)可以讓學(xué)生在不知不覺(jué)中將《光的反射》的知識(shí)真正內(nèi)化：光在一些物體表面可以發(fā)生反射；光的反射定律、法線(xiàn)、入射光線(xiàn)、反射光線(xiàn)、入射角和反射角的含義；什么是鏡面反射，什么是漫反射。

這樣基于真實(shí)情境、具體問(wèn)題的引入方式，一方面能夠引起學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的興趣，同時(shí)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力。STEM教育理念非常重視學(xué)生對(duì)自己研究成果的展現(xiàn)，但是這種展示不是單純地對(duì)研究成果的展示，而是將自己研究的思路和研究過(guò)程展示出來(lái)，同時(shí)也是學(xué)生邏輯思維能力、語(yǔ)言組織能力、自信心等綜合素養(yǎng)的體現(xiàn)。因此，STEM教育回歸了科學(xué)教育的本質(zhì)——探索和發(fā)現(xiàn)世界的過(guò)程。凝結(jié)在STEM課堂中的精髓就是，在復(fù)雜的學(xué)習(xí)情境中培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力與問(wèn)題解決能力。STEM教育是基于問(wèn)題、設(shè)計(jì)和項(xiàng)目的學(xué)習(xí)與操作過(guò)程。在這樣的過(guò)程中，核心概念被活學(xué)活用，從而在學(xué)生腦中進(jìn)行強(qiáng)化，深入潛意識(shí)，為創(chuàng)新提供了直覺(jué)基礎(chǔ)。

二、科學(xué)課堂技術(shù)化

《初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2011年版）明確指出，科學(xué)課堂技術(shù)化是現(xiàn)在科學(xué)課堂的主流趨勢(shì)。技術(shù)是人們根據(jù)一定的工藝知識(shí)、技術(shù)期望、工具儀器設(shè)備、能源和材料去進(jìn)行的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)。

技術(shù)素養(yǎng)是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，它是指人們對(duì)技術(shù)的性質(zhì)及歷史的了解，具備技術(shù)的基本動(dòng)手能力，以及能夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)厮伎加嘘P(guān)技術(shù)發(fā)展問(wèn)題的習(xí)慣。

了解技術(shù)設(shè)計(jì)的過(guò)程和環(huán)節(jié)，并具有初步的技術(shù)設(shè)計(jì)能力，是學(xué)生具有技術(shù)素養(yǎng)的一個(gè)重要方面。技術(shù)設(shè)計(jì)能力是技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)踐能力的重要組成部分，為了給21世紀(jì)提供技術(shù)創(chuàng)新型的人才支撐，必須注重從義務(wù)教育階段開(kāi)始培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)設(shè)計(jì)能力[2]。

例2 滑動(dòng)變阻器

我是小小設(shè)計(jì)師：

出示臺(tái)燈，調(diào)節(jié)亮度開(kāi)關(guān)，讓學(xué)生感受燈光的變化，為什么調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)時(shí)，燈泡的亮度發(fā)生變化呢？同學(xué)們能否設(shè)計(jì)一個(gè)可以調(diào)節(jié)燈的明暗的電路呢？

影響電阻大小因素：導(dǎo)體的長(zhǎng)度、橫截面積（粗細(xì)）和材料。那么最簡(jiǎn)便的改變電阻的的方法是什么？改變長(zhǎng)度。

動(dòng)手實(shí)驗(yàn)：將2節(jié)干電池、電流表、小燈泡、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線(xiàn)、電阻絲連接成串聯(lián)電路，如圖3，嘗試改變小燈泡亮度的方法。

圖3

師：這個(gè)直線(xiàn)式變阻器有何缺點(diǎn)？

生：合金線(xiàn)太長(zhǎng)，使用不方便。

師：你想一想如何改正存在的缺點(diǎn)？

生：可以把較長(zhǎng)的合金線(xiàn)纏繞起來(lái)（如圖4）。

圖4

師：對(duì)繞合金線(xiàn)所選物體的材料有什么要求？圖5的兩種材料中你認(rèn)為哪個(gè)好，為什么？

圖5

生：陶瓷筒，因?yàn)樘沾赏彩墙^緣體。

師：圖6和圖7兩種不同的繞法，你會(huì)選哪一種？為什么？

圖6

圖7

生：圖7。

師：緊密繞法會(huì)使合金線(xiàn)之間相碰而短路？如何解決？

生：使用漆包線(xiàn)（合金線(xiàn)外面涂上漆，絕緣）。

師：如何解決滑片與漆包線(xiàn)之間的接觸？

生：與滑片接觸的漆包線(xiàn)把表面的漆去除，如圖8。

圖8

經(jīng)過(guò)我們的改正，制成了使用比較方便的變阻器。用很長(zhǎng)的漆包合金絲纏繞在陶瓷圓筒上后，用改變滑片接入點(diǎn)的方法來(lái)調(diào)節(jié)電阻。標(biāo)準(zhǔn)的元件圖如圖9。

圖9

本案例通過(guò)讓學(xué)生成為小小設(shè)計(jì)師，設(shè)計(jì)調(diào)光臺(tái)燈的開(kāi)關(guān)。拋給學(xué)生一個(gè)個(gè)需要解決的問(wèn)題，讓學(xué)生利用科學(xué)知識(shí)、工程知識(shí)、技術(shù)知識(shí)解決問(wèn)題，問(wèn)題一個(gè)個(gè)的深入。這正如杜威所認(rèn)為的，思維起于直接經(jīng)驗(yàn)得到的疑難和問(wèn)題，而思維的功能“在于將經(jīng)驗(yàn)得到的模糊、疑難、矛盾和某種紛亂的情境，轉(zhuǎn)化為清晰、連貫、確定和和諧的情境”，在于“把困難克服，疑慮解除，問(wèn)題解答”[3]。

三、科學(xué)課堂項(xiàng)目化

項(xiàng)目學(xué)習(xí)（PBL）是通過(guò)項(xiàng)目來(lái)讓學(xué)生進(jìn)行融入情境之中的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，項(xiàng)目完成時(shí)通過(guò)作品的制作展示來(lái)體現(xiàn)其學(xué)習(xí)成果。

科學(xué)課堂項(xiàng)目化不是一定要完整地將項(xiàng)目學(xué)習(xí)（PBL）全過(guò)程展示出來(lái)，而是利用其對(duì)學(xué)生教學(xué)過(guò)程中的特點(diǎn)與意義，取其一部分適合初中科學(xué)教學(xué)內(nèi)容、符合初中生特點(diǎn)展示的一種教學(xué)行為[4]。

例3 核能的和平利用——設(shè)計(jì)核電站

師：核電站是和平利用核能，那如何使不可控制的核反應(yīng)，設(shè)計(jì)成可控的？

生：利用一個(gè)控制棒，讓核反應(yīng)變得可控，慢慢釋放能量。

師：那你估計(jì)這個(gè)控制棒應(yīng)該具有什么特點(diǎn)？提示：從鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)可知，中子就像“點(diǎn)燃”核燃料的火柴著手思考。

生：吸收大部分中子。

師：這個(gè)可控的核反應(yīng)叫核反應(yīng)堆，那么如何設(shè)計(jì)一個(gè)核電站呢？從能量轉(zhuǎn)化角度來(lái)設(shè)計(jì)。

生：核能→電能。

師：在目前的技術(shù)水平，核能能不直接電能？顯然不行，那電是如何產(chǎn)生的？

生：電磁感應(yīng)，機(jī)械能產(chǎn)生電能。

師：那如何讓核能→機(jī)械能？核反應(yīng)時(shí)最大的能量是什么？

生：核反應(yīng)時(shí)最大的能量是熱能。

師：現(xiàn)在哪個(gè)同學(xué)能不能幫老師總結(jié)一下，如何使核能→電能？

生：核能→熱能→機(jī)械能→電能。

師：很好，那么在這些轉(zhuǎn)化過(guò)程中，分別需要哪些機(jī)器、設(shè)備呢？

生：？

師：核能→熱能，什么設(shè)備？熱能→機(jī)械能，什么設(shè)備？機(jī)械能→電能，什么設(shè)備？

生：核能→熱能：核反應(yīng)堆，熱能→機(jī)械能：汽輪機(jī)，機(jī)械能→電能：發(fā)電機(jī)。

師：現(xiàn)在設(shè)備已經(jīng)都有了，那么如何設(shè)計(jì)一個(gè)既高效又安全的核電站呢？因?yàn)楹朔磻?yīng)時(shí)會(huì)有大量的核輻射，這些核輻射對(duì)人體有極大的危害。

生：設(shè)計(jì)一個(gè)保護(hù)罩。

師：這個(gè)保護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該具備哪些要求？

生：能阻擋核輻射？能阻擋一定量的核泄露。

師：在同學(xué)們的設(shè)計(jì)一下，一個(gè)核電站基本能夠正常工作了?，F(xiàn)在我展示一下“核電站”的示意圖，看看和同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)的是否一致？如果有不一樣的地方，我們將如何進(jìn)一步修正、完善？

師：展示“核電站”的示意圖（如圖10）。在核電站中，水起了哪些作用？

生：？

師：在熱能→機(jī)械能：汽輪機(jī)中，水起了哪些作用？在冷凝器中，水起了哪些作用？

生：在熱能→機(jī)械能：汽輪機(jī)中，水作為能量轉(zhuǎn)化的介質(zhì)。在冷凝器中，水作為冷卻劑。

圖10

師：從這個(gè)示意圖，可以看出同學(xué)們的設(shè)計(jì)水平，有了非常高的水準(zhǔn)了。那么為什么核電站要建造在海邊？

生：從示意圖中可以看出，核電站需要大量的水體，進(jìn)行水循環(huán)。

本案例讓學(xué)生從示意圖中歸納出核電站的工作原理：核能→熱能→機(jī)械能→電能。讓他們從能量的角度一步步地思考能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程。然后，再利用能量的轉(zhuǎn)化，設(shè)計(jì)需要的機(jī)器、設(shè)備，再將這些機(jī)器、設(shè)備整合成一個(gè)核電站。最后出示真正的“核電站示意圖”，讓學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的核電站和真正的核電站進(jìn)行對(duì)比，反思還需要哪些改正和修復(fù)，進(jìn)行進(jìn)一步完善。讓學(xué)生覺(jué)得這樣高科技的核電站，自己也能夠利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中不斷克服一個(gè)個(gè)困難，解決一個(gè)個(gè)問(wèn)題。其實(shí)，高科技離我們是如此的近，高科技并不神秘。這樣STEM視野下的科學(xué)課堂，更能夠提高學(xué)生的思維品質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，最終培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。

總之，我們應(yīng)該更新教師的教學(xué)觀(guān)念，通過(guò)新理論學(xué)習(xí)，讓教師確立以生為本理念，轉(zhuǎn)變教學(xué)行為。將新穎的教學(xué)模式、教學(xué)手段引入我們的課堂。也就是在我們的科學(xué)課堂中引入基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，通過(guò)PBL學(xué)習(xí)策略，將STEM等多學(xué)科知識(shí)整合起來(lái)；為學(xué)生提供了一種學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生主動(dòng)探索真實(shí)的世界，設(shè)計(jì)真實(shí)生活問(wèn)題的解決方案，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力；采用多元化的評(píng)價(jià)，從而充分發(fā)揮創(chuàng)新的才能；使學(xué)生充分接觸與工程相關(guān)的科學(xué)和技術(shù)；使學(xué)生能夠?qū)⒄n堂和真實(shí)的世界聯(lián)系起來(lái)。在這樣的STEM視野下，開(kāi)展初中科學(xué)課堂學(xué)習(xí)，為真正提高學(xué)生的思維品質(zhì)打開(kāi)了另一扇窗。

［1］李揚(yáng).STEM教育視野下的科學(xué)課程構(gòu)建［D］.金華：浙江師范大學(xué)，2014：64-65.

［2］中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2012：49.

［3］焦陽(yáng).初中科學(xué)教學(xué)中思維品質(zhì)的培養(yǎng)［D］.大連：遼寧師范大學(xué)，2007：4-5.

［4］章晶晶.PBL的中學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)研究［D］.長(zhǎng)春：東北師范大學(xué)，2010：6-17.