基于STEM教育理念的校外天文科普教學探究

陳宇新

【摘要】天文教育尤其是青少年天文科普教育在中國有著比較濃厚的校外色彩。選取了《太陽的視運動》一節(jié)課做實例進行分析，將以前的課程中一個用時5～10分鐘以講述為主的教學環(huán)節(jié)，改為用時90分鐘讓學生自我探究的模式，從借模型講原理，改為做模型探原理，得到了更好的教學效果。在反思中得出了在教學中有“舍”才有“得”，有“備”才無“患”的經(jīng)驗，也嘗到了STEM教育給教學帶來變化的甜頭。

【關鍵詞】STEM?校外教育?天文科普教學

一、研究背景

在我國，天文學并沒有納入到基礎教育必修體系中，即使在高等教育階段，中國大學中本科開設天文專業(yè)的也寥寥無幾，就上海而言，僅今年（2018年）只有上海交通大學招收天文本科專業(yè)學生。因此在中國，青少年天文科普教育教學任務更多落在了青少年活動中心，少科站等公辦校外教育機構。但是由于沒有統(tǒng)一教學大綱，青少年天文科普教育教學也缺乏統(tǒng)一的教材，因此，各地教學內容、形式、方法、理念各有不同。

STEM教育旨在推動學生的學習與生活相連接，并在解決問題的過程中能夠將科學、技術、工程、數(shù)學等多學科進行融合，強調“學中做”“做中學”的理念，開展基于真實問題情景下的探究性學習。傳統(tǒng)天文教學更強調知識的傳授，而中小學天文科普教學比較傾向于對天文學常識的灌輸，容易忽視與其他學科的交叉學習及運用。在學習了STEM教育理念后，我嘗試在天文教學中進行了一些改變。

二、研究現(xiàn)狀分析

1.教學時間優(yōu)勢

校外教育在開展活動時既不受教學大綱的課時數(shù)限制，每次開展活動的時長也較長，就楊浦少科站為例，每次教學活動時間為90分鐘，這相較于校內教育來說無論從總課時數(shù)還是單次活動時間上看，有更充分的時間讓學生進行體驗探究。以天文為例，作為一門觀測學科，天文觀測的對象更多的是夜空中的天體，這使得開展觀測教學的時間必然是夜間，這在校內教育是很難做到的。

2.教學硬件優(yōu)勢

校外教育是對校內教育的有效補充，大多按照學科或者項目進行教學場所建設，設施的專業(yè)性更強，對專業(yè)項目所添置的設備也更有針對性，因此相較校內來說，更容易實現(xiàn)硬件上的建設。就楊浦區(qū)而言，在百所中小學中擁有天文社團的學校將近1/5，其中建有天文專用教室的僅4所，擁有天文望遠鏡的學校也不足10所，而楊浦少科站除了有天文活動室外，還建有天象廳、天文臺等天文專用科普場所，無論是設施還是場地上看，更適合開展探究型的教學。

3.教學對象優(yōu)勢

我們常說興趣是學習最好的動力，而促使這些學生走在一起的原動力就來自于他們對同一類項目或學科的喜愛。這一特點使得教師在制定教學計劃時可以有更強的針對性，也容易在教學過程中碰撞出思維的火花。以我所任教的天文班級為例，在小學的班級中，是來自三至五年級的學生，在講述夜空中的星座時，學生中80%能列出部分星座名，這省去了不少單純的認知模式時間，可以更快速地引導學生去根據(jù)相鄰恒星所組成的外形特征對星座進行識別。而在學校行政班級中同樣的問題，學生能列出星座名稱的一個班級中寥寥數(shù)人，這就需要先讓他們對星座基礎知識包括概念有個初步地認識，然后才能引導進行星座的識別。

三、研究內容

1.常規(guī)教學

圭表是中國古代借此用以測定正午影長變化定歷法的計時工具。如圖1所示，分為兩部分，垂直于地面的用于顯示影長的標桿稱為表，而平躺在地面兩頭指向正南北方，且與表垂直的是用來測標桿影長的是圭。由于地球的自轉軸與地球的公轉軌道并不是垂直的，所以太陽直射點（即正午12點時能夠被太陽垂直照射的地方）在一年里會在南北回歸線之間移動，這就造成了每個地方每天正午太陽的影長都是不一樣的，以上海為例，冬至時正午影長最長，而夏至時正午影長最短。在圭表上連續(xù)兩次測得影長最長或最短的這段間隔就是一年。而一年中太陽高度角的周期變化，這就是太陽做周年視運動時我們能觀測到的現(xiàn)象。

傳統(tǒng)的教學方式大致是兩種：一是直接講述圭表的原理及作用，讓學生知道太陽周年視運動所表現(xiàn)出的現(xiàn)象;二是讓學生用手電筒模擬太陽通過調節(jié)不同入射高度，觀察表在圭上所呈現(xiàn)影子長短的變化，以此來認識太陽周年視運動的變化規(guī)律。這兩個教學環(huán)節(jié)設計的用意是希望通過認識圭表的作用，學生可以對太陽周年視運動的規(guī)律進行了解，一般用時在5～10分鐘。

前一種經(jīng)常用于有一定常識經(jīng)驗的初中生，后一種常用于三至五年級的小學生。但是，無論是按照哪種教學方式上完之后，我發(fā)現(xiàn)學生并沒有按照我設想地那樣對太陽周年視運動的規(guī)律有所掌握。如我在使用第2種教學方式時，盡管讓學生參與實踐體驗，學生的專注點更多落在如何操作手電筒上，而對表落在圭上的投影指向哪個刻度關注度并不夠，從而并不能從中了解太陽周年視運動的規(guī)律。

2.引入STEM理念后的教學方式

（1）第一環(huán)節(jié)

制作的第一個環(huán)節(jié)是讓學生對屏幕中所呈現(xiàn)的不同樣式圭表的圖片進行對比，從中尋找出這些圭表外形上的特點。學生通過比對后，找出如下幾個相同點：表都是放在朝向太陽的那一面;表的寬度比圭要窄，長度也比圭要短;表是放置在圭上刻度表的起始位置。

學生們七嘴八舌地找到這些的同時也紛紛提出了為什么？為了引導學生解開自己提出的問題，我給他們提供了一種思路，那就是，如果不是這些特點會怎么樣呢？在一陣假設和討論后，學生們給出了答案：圭的刻度是測量表的影子，而表之所以有影子是因為太陽照射的緣故，所以表只能朝向太陽那面放;如果表比圭寬的話，影子就要照到刻度以外的區(qū)域了;表的影長和太陽的角度有關，當太陽在正上方的時候，影子的長度是0，所以表應該放置在圭的起始位置。

這個教學環(huán)節(jié)的設計愿意只是想讓學生能夠分別篩選出做圭和做表的冷飲棒，但是學生的思維是活躍的，沒想到他們居然從中找到了圭表的原理，結果讓我有些驚喜，這也堅定了我繼續(xù)下去的決心。

（2）第二環(huán)節(jié)

第二個環(huán)節(jié)是讓學生對表的長度進行確定以制作一個適合在上海地區(qū)使用的圭表模型。這個知識點屬于高中地理的范疇，并且需要用到三角函數(shù)的計算，對于三至五年級學生來說難度過大，但是學生們都在學校里學習過量角器的用法，所以由我告訴了學生在上海地區(qū)每年太陽的正午高度角最低時是35.5°，最高是82.5°。

得到角度后，學生們用直尺在自己那根寬的冷飲棒上開始繪制刻度，在嘗試自己用量角器根據(jù)繪制刻度去測量窄的冷飲棒失敗后，同桌的兩位同學自發(fā)組成了一組，一位同學扶住窄的冷飲棒，一位同學扶著量角器，然后再從文具盒中選出直的工具，如筆、直尺等，按照我所提供的角度，對窄的冷飲棒高度進行測量并做標記，然后按照所記標記把多余部分用剪刀剪去。

在這個環(huán)節(jié)中我并沒有要求學生進行組隊完成，但是同學在自己嘗試失敗后，主動結隊的行為讓我看到了，用任務驅動讓他們自發(fā)產(chǎn)生協(xié)作精神，比我指定的效果要好，至少他們在結隊之初就已經(jīng)對每人所要完成的動作進行了分工。

（3）第三環(huán)節(jié)

最后一個環(huán)節(jié)是將加工好的圭和表進行組裝，我自己做個樣品是將幾塊裁剪下來的木頭邊角料與由窄的冷飲棒所做表并排粘在一起，這樣可以加大表的底面積，方便粘在由寬的冷飲棒所制成的圭上。但是學生的創(chuàng)意很多，有在圭上開了槽把表插進去的，也有把做了個直角裝置把表固定在圭上的。

學生全部完成圭表模型制作大概用時1小時，在快下課前，我找了兩位同學來描述在一年里面看到太陽高度有什么樣的變化，他們舉著圭表的模型比劃著說，在夏天的時候太陽的角度最高，所以表的影子最短，冬天的時候太陽的角度最低，所以表的影子最長，春天影子是越來越短，秋天影子越來越長。其實這就是太陽周年視運動所呈現(xiàn)的現(xiàn)象變化規(guī)律。

3.教學總結

中醫(yī)說：痛則不通，通則不痛。教學效果沒有達到預期，這就是“教學之痛”，要改變這一痛癥，則要從教學方法上尋求變通。就這一事例看來，學生在制作圭表模型的過程中，自己提出問題，自己設法解決。學生在這一問一答中也獲取了圭表的原理及其背后的天文學知識。

四、研究反思

1.有“舍”才有“得”

都說失敗是成功之母，孩子的成長是在一次次失敗中成長起來的。學習的過程也是一樣，它是一場馬拉松，不該追求片刻之快，而忽視了它的本質。就天文科普教學來說，由于信息技術的發(fā)展，很多天文學常識學生可以從書本或者網(wǎng)絡上獲得，但是更多的是“知其然而不知其所以然”或是“一知半解”，由于學校課程的缺失，因此他們缺乏的并不是天文學知識而是驗證這些知識的方法或者說是長久掌握這些知識的方法。而這些方法正是需要教師幫助學生去掌握的，正所謂授之于魚不如授之于漁。

2.有“備”才無“患”

二期課改要求學生成為教學活動的主體，而教師更多的是成為引導者。這對教師提出了更高的要求，從此前要求的講得好轉為要讓學生學得好。要做好引導者，教師必須在備課階段做更多的準備。此前備課要求備課標、教材、教法、學法、學生，現(xiàn)在看起來還需要備場地、備環(huán)境。如《天文探秘》教材中第四單元《太陽》中有涉及到太陽黑子，如果能選擇天氣晴好的日子讓學生通過望遠鏡觀測太陽黑子，從而直觀感受太陽黑子在太陽中所占面積，比教師直接告知效果更好。而教師備課更充分，設計更多實踐體驗的環(huán)節(jié)，才能長久且持效地解決困在學生的“心頭之患”。

STEM教育理念給我們帶來的改變是，讓我們明白，教育并不是單純地改變教法或學法，而應該是引導學生在足夠的時間與空間中，按照自己的探究經(jīng)驗去體會科學的奧秘，去發(fā)現(xiàn)知識的魅力。

參考文獻：

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