淺談STEAM教育理念的實(shí)踐探索

王曉

摘 要： STEAM教育理念倡導(dǎo)孩子超學(xué)科學(xué)習(xí)，注重學(xué)習(xí)與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系，往往是引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)習(xí)和生活中發(fā)現(xiàn)問題，構(gòu)建需要完成的項(xiàng)目，并利用學(xué)生本階段所學(xué)習(xí)的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)方面的內(nèi)容，完成并進(jìn)一步完善項(xiàng)目，使學(xué)生在學(xué)科之間，相互支撐，相互補(bǔ)充，共同發(fā)展.在相互碰撞中，培養(yǎng)各方面技能和認(rèn)知，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)探索精神.本研究以對(duì)“密度計(jì)”的改進(jìn)為例，進(jìn)行了在課堂中利用STEAM教育理念引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)習(xí)和生活中發(fā)現(xiàn)的問題，找出可研究的項(xiàng)目，設(shè)計(jì)方案，完成項(xiàng)目的實(shí)踐探索，對(duì)STEAM教育理念應(yīng)用于中學(xué)課堂和如何培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)具有一定的指導(dǎo)意義.

關(guān)鍵詞： STEAM教育;核心素養(yǎng);液體密度測(cè)量?jī)x

STEAM教育是科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)與數(shù)學(xué)五門科目首字母的組合，倡導(dǎo)學(xué)生超學(xué)科學(xué)習(xí)，注重學(xué)習(xí)與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系，往往是引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)習(xí)和生活中發(fā)現(xiàn)問題，構(gòu)建需要完成的項(xiàng)目，并利用學(xué)生本階段所學(xué)習(xí)的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)方面的內(nèi)容，完成并進(jìn)一步完善項(xiàng)目，使學(xué)生在學(xué)科之間，相互支撐，相互補(bǔ)充，共同發(fā)展.在相互碰撞中，培養(yǎng)各方面技能和認(rèn)知，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)探索精神.STEAM教育目前在國(guó)內(nèi)還屬于探索階段，針對(duì)其定義，目前普遍認(rèn)為STEAM教育是有目的、有方法地將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)地融合，來解決真實(shí)世界問題的教育.筆者認(rèn)為STEAM教育并不是要把原本建立起來的學(xué)科概念全部消滅，重新建立一個(gè)新的科目，而是作為一個(gè)教學(xué)理念，指導(dǎo)一線教師，在進(jìn)行本學(xué)科教學(xué)時(shí)，不要忘記學(xué)科間知識(shí)的融合，不要忘記，一切教學(xué)任務(wù)應(yīng)圍繞培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力而展開，而不僅僅是為了掌握本學(xué)科的知識(shí).基于以上教學(xué)理念的指導(dǎo)，筆者經(jīng)常會(huì)思考如何將STEAM教育真正應(yīng)用于課堂中，也進(jìn)行了一系列的實(shí)踐探索，筆者在研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)在階段性學(xué)習(xí)后，引導(dǎo)學(xué)生利用學(xué)科融合的思維對(duì)教材所提及的內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，并以項(xiàng)目式的學(xué)習(xí)方法進(jìn)行推進(jìn)，符合STEAM教育理念的本質(zhì)要求，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力與科學(xué)責(zé)任與態(tài)度起到了很好的作用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)與創(chuàng)新思維能力.

以下是筆者在平時(shí)教學(xué)中應(yīng)用STEAM教育理念的案例——“設(shè)計(jì)液體密度測(cè)量?jī)x”的介紹.

1 教學(xué)背景介紹

1.1 課題開發(fā)緣由

對(duì)于液體密度的測(cè)量，人教版教材中第一次提到是在八年級(jí)物理第六章第三節(jié)，如圖1所示，是利用ρ= m /V 的原理來進(jìn)行測(cè)量.教材所列舉實(shí)驗(yàn)?zāi)軒椭鷮W(xué)生很好地運(yùn)用公式ρ= m/ V ，讓學(xué)生能更熟練、更準(zhǔn)確地利用托盤天平測(cè)量物理質(zhì)量、利用量筒來測(cè)量物體的體積;并且讓學(xué)生深切地體會(huì)到改進(jìn)測(cè)量方法可以減小測(cè)量誤差，從而引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成善于思考更精確地測(cè)量方法的科學(xué)好習(xí)慣，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

但是教材所列舉實(shí)驗(yàn)并不能直觀地讀出具體的密度值，且操作過程較為復(fù)雜，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，這種方法在實(shí)際生活中應(yīng)用效率較低.

與STS思想接軌，人教版教材中對(duì)液體密度的測(cè)量提出過一次改進(jìn)方案，是在八年級(jí)下冊(cè)第十章第四節(jié)“物體的浮沉條件”一節(jié)的“動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)物理”中出現(xiàn)，如圖2所示，是依托于阿基米德原理的密度計(jì)，教材引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)浮力的相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)出現(xiàn)象更直觀、操作更便捷的密度計(jì).

但此密度計(jì)也存在一定缺陷.

缺陷一：刻度不均勻

因?yàn)樵诟×ο嗟惹闆r下，密度與排開液體體積不成正比，所以刻度不是均勻的，不能準(zhǔn)確測(cè)量出所有液體密度，具有間斷性.即這種密度計(jì)放入某些較特殊的未知待測(cè)液體中，會(huì)出現(xiàn)沒有刻度對(duì)應(yīng)的情況，所以此時(shí)只能判斷出待測(cè)液體的密度范圍，而不能讀出待測(cè)液體的具體密度值.

缺陷二： 精確度不夠

因?yàn)槊芏扔?jì)需比較其排開液體體積的大小，才能標(biāo)定刻度，會(huì)帶來較大的誤差.

基于以上液體密度測(cè)量?jī)x器存在一些值得改進(jìn)的地方，所以，由實(shí)際問題驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用跨學(xué)科的頂層思維理念，運(yùn)用STEAM教育，一個(gè)需要解決的項(xiàng)目——設(shè)計(jì)更精確、使用范圍更廣的液體密度測(cè)量?jī)x出現(xiàn)了.而這也正是STEAM教育理念所倡導(dǎo)的，由問題驅(qū)動(dòng)解決跨學(xué)科教育，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng).

1.2 學(xué)情分析

本課程的學(xué)習(xí)對(duì)象是學(xué)完整個(gè)八年級(jí)物理的學(xué)生，他們掌握了密度、浮力、杠桿的相關(guān)概念，能對(duì)實(shí)際生活情境中的物理進(jìn)行一定的受力分析，并經(jīng)歷了長(zhǎng)度、溫度、質(zhì)量、力的測(cè)量，具備設(shè)計(jì)和改進(jìn)多種測(cè)量?jī)x器的能力.并且，在數(shù)學(xué)方面，也掌握了一次函數(shù)的相關(guān)知識(shí);在技術(shù)、工程、藝術(shù)方面具備一定的素養(yǎng).所以，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，對(duì)液體密度測(cè)量?jī)x進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)力學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，并能較充分地挖掘?qū)W生的以上潛能，從而達(dá)到提高學(xué)生核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力的目標(biāo).

2 主題課程的設(shè)計(jì)及教學(xué)過程

2.1 課程目標(biāo)

本案例引導(dǎo)學(xué)生從生活實(shí)際問題出發(fā)，綜合運(yùn)用已有的物理知識(shí)：杠桿的平衡條件：F1L1 = F2L2、浮力的計(jì)算方法 ：F浮= ρ液V排g、簡(jiǎn)單的受力分析，并從溫度計(jì)的定標(biāo)實(shí)驗(yàn)得到啟示，并根據(jù)STEAM教育理念，引導(dǎo)學(xué)生分小組合作，利用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程、藝術(shù)的相關(guān)知識(shí)，制作出操作簡(jiǎn)單、可直觀地讀出任意液體密度的液體密度測(cè)量?jī)x，力求培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維、發(fā)散性思維，更突出學(xué)生的主體地位，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)，對(duì)新課程改革在物理學(xué)科上的應(yīng)用起到非常重要的作用.

2.2 流程圖（如圖3所示）

2.3 主題課程實(shí)施過程

第一階段：回顧相關(guān)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際問題

展示課本中，對(duì)于液體密度測(cè)量的兩種方法，并引導(dǎo)學(xué)生分析其局限性與存在的弊端（在教學(xué)背景中已闡述，此處不再贅述），從而確立研究課題：設(shè)計(jì)一個(gè)更直觀、精確度更高的液體密度測(cè)量?jī)x.

第二階段：分析實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)物理模型;運(yùn)用數(shù)學(xué)函數(shù)模型，分析可行性

2.3.1 引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)問題分析物理原理，構(gòu)建物理模型

問題1：計(jì)算和測(cè)量液體密度可能用到哪些公式？

問題2：哪些公式中的物理量比較容易通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量？

問題3：因變量與自變量之間最簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系是什么？

問題4：要如何得到一個(gè)因變量為液體密度的線性關(guān)系的函數(shù)？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生分析物理原理，綜合運(yùn)用力學(xué)知識(shí)，對(duì)液體密度的測(cè)量原理進(jìn)行分析，學(xué)生會(huì)根據(jù)測(cè)量工具天平，而聯(lián)想到杠桿模型，從而建立通過浮力建立密度之間的關(guān)系，并且，通過分析得到，本項(xiàng)目需要得到液體密度與另一個(gè)物理量的線性關(guān)系.根據(jù)密度計(jì)的原理，學(xué)生能較快速的分析出，可以利用杠桿兩邊的平衡，構(gòu)建浮力與重力間的關(guān)系，而由此會(huì)引入“物體體積”和“排開液體體積”的多余變量，如果兩邊采用同一個(gè)物體，并且讓其在液體中完全浸沒便可把這兩個(gè)變量消除，從而得到一個(gè)液體密度與力臂長(zhǎng)度的函數(shù)模型.具體分析如圖4所示.

根據(jù)杠桿平衡原理可得：

（G_物-F_浮）L₁=G_物L₂

（ρ_物-ρ_液）VgL₁=ρ_物VgL₂

ρ_液=ρ_物- ρ_物?/L₁ L₂

2.3.2 建立數(shù)學(xué)函數(shù)模型，分析模型的可行性

由 ρ_液=ρ_物- ρ_物/ L₁ L₂可知，保持 L ₁始終不變，可得ρ_液與 L ₂呈一次函數(shù)關(guān)系，即液體密度ρ_液隨力臂L₂呈線性變化，液體密度ρ_液的測(cè)量可以直接通過L₂反映出來.

可根據(jù)函數(shù)解析式，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步確定函數(shù)圖象上兩個(gè)確定的坐標(biāo)點(diǎn)：當(dāng)L₂=0時(shí)，ρ_液=ρ_球;當(dāng)L₂=L₁時(shí)，ρ_液=0，即（0，ρ_球）和（L₁，0），只要測(cè)量出小球的密度和確定L₁的具體值即可.

2.3.3 通過技術(shù)分析，確定定標(biāo)方法

回顧：自制溫度計(jì)到實(shí)驗(yàn)室用的溫度計(jì)的改進(jìn)實(shí)驗(yàn).

提問學(xué)生：通過以上改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的回顧，你可以得到什么啟示？

學(xué)生分析通過分析，從理論上進(jìn)行如圖5所示的定標(biāo)：

當(dāng)L₂=0時(shí)，ρ_液=ρ_球;

當(dāng)L₂=L₁時(shí)，ρ_液=0

這樣就根據(jù)右邊小球在標(biāo)尺的位置可以直接讀出待測(cè)液體的密度.

第三階段：進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，制作液體密度測(cè)量?jī)x

問題1：標(biāo)尺、小球應(yīng)選用什么材料制作更合適？

問題2：如何提高測(cè)量?jī)x的精確度、擴(kuò)大測(cè)量?jī)x的量程？

問題3：如何使測(cè)量?jī)x更美觀？

問題4：如何減少制作測(cè)量?jī)x的成本？

通過問題導(dǎo)學(xué)的方式，引導(dǎo)進(jìn)行小組合作，更換所選材料（如杠桿、支架、定標(biāo)重物的材料），不斷進(jìn)行嘗試，直至實(shí)驗(yàn)操作更簡(jiǎn)便、測(cè)量范圍更廣、精確度更高，不斷優(yōu)化，如圖6所示.

最終學(xué)生制作出許多作品，有的選用廢棄的臺(tái)球、高爾夫球、灌泥沙的乒乓球來作為配重，其中廢棄高爾夫球的密度為1.2g/cm³，與大部分液體比較接近，這樣，即使想提高精確度也不需要太長(zhǎng)的標(biāo)尺;而且高爾夫球的制作與臺(tái)球相比更規(guī)范，普通臺(tái)球室的同型號(hào)不同臺(tái)球也可能質(zhì)量不等.而對(duì)于標(biāo)尺，大部分同學(xué)選用有機(jī)玻璃來進(jìn)行制作，有機(jī)玻璃質(zhì)量分布均勻，而且硬度較大，不至于因太長(zhǎng)而下垂，比較容易調(diào)平衡.標(biāo)定的刻度也是利用PS等軟件，不斷進(jìn)行細(xì)化，以提高測(cè)量?jī)x的精確度.

第四階段：將儀器投入使用，檢驗(yàn)實(shí)際效果

不同小組的學(xué)生，交換各自制作出的液體密度測(cè)量?jī)x，測(cè)量水、酒精等已知密度的液體，都較為準(zhǔn)確.

各小組交流分析，總結(jié)各小組所制作儀器的優(yōu)點(diǎn)，并總結(jié)后期的優(yōu)化方案：

（1）目前所設(shè)計(jì)出密度計(jì)精確度最高為0.01g/cm³，仍可通過將杠桿做長(zhǎng)，或增加等分份數(shù)，提高精確度，減小誤差;但是在選材和技術(shù)方面還要通過進(jìn)一步嘗試;

（2）實(shí)驗(yàn)裝置采用廢棄的高爾夫球定標(biāo)，取材方便，非常環(huán)保;但廢棄高爾夫球的密度為1.2g/cm³，只?能測(cè)量密度為0～1.2g/cm³的液體，如果想要擴(kuò)大測(cè)量?jī)x的量程，仍要在選材上進(jìn)行不斷嘗試.

3 案例評(píng)價(jià)

（1）本案例是對(duì)杠桿、浮力部分知識(shí)的綜合運(yùn)用又與我們的生活息息相關(guān)，很好的體現(xiàn)了STEAM教育思想，可作為項(xiàng)目式教學(xué)的一個(gè)范例;

（2）實(shí)驗(yàn)方法較新穎，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生留心生活、善于利用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力;突出了學(xué)生的主體地位，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力，提高學(xué)生的核心素養(yǎng).

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