體驗(yàn)學(xué)習(xí)視角下STEM教育活動(dòng)的反思與重構(gòu)

夏啟妙

一、體驗(yàn)學(xué)習(xí)視角下的STEM教育活動(dòng)

泡泡在生活中十分常見，也十分有趣，深受廣大兒童和青少年的喜愛。但市場(chǎng)上的泡泡溶液一般只能吹出很小的泡泡，且玩法單調(diào)，所以當(dāng)筆者無意中看到巨大泡泡的相關(guān)配方與花樣玩法時(shí)，心中無比激動(dòng)并且躍躍欲試。在查詢資料之后，發(fā)現(xiàn)泡泡涵蓋了物理、化學(xué)和工程等多個(gè)方面的知識(shí)。近幾年來，強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科整合和“在做中學(xué)”的STEM教育受到了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注并在我國的多個(gè)地區(qū)得到了推行，但研究生群體作為未來教師的中堅(jiān)力量卻很缺乏STEM教育活動(dòng)的體驗(yàn)經(jīng)歷和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。因此，筆者希望能以“趣味泡泡”為契機(jī)，設(shè)計(jì)一個(gè)針對(duì)研究生群體的STEM教育活動(dòng)，讓參與者可以完整經(jīng)歷STEM活動(dòng)的探究過程，以此引發(fā)參與者關(guān)于STEM教育的一些思考。

STEM教育整合了科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)學(xué)科，強(qiáng)調(diào)從現(xiàn)實(shí)問題出發(fā)，讓學(xué)生靈活運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)和技能動(dòng)手實(shí)踐、動(dòng)腦思考，培養(yǎng)學(xué)生解決問題和創(chuàng)造性思維等多元能力。STEM教育以杜威的“在做中學(xué)”理念為指導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者在體驗(yàn)的過程中積極主動(dòng)地建構(gòu)知識(shí)，這與提倡“把學(xué)習(xí)看作是體驗(yàn)的轉(zhuǎn)換并創(chuàng)造知識(shí)的過程”的體驗(yàn)學(xué)習(xí)理論不謀而合。體驗(yàn)學(xué)習(xí)理論的集大成者大衛(wèi)·庫伯提出了“體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈”(如圖1所示)，包括具體經(jīng)驗(yàn)、反思觀察、抽象概括和行動(dòng)應(yīng)用的“螺旋式上升”的學(xué)習(xí)過程。學(xué)習(xí)者通過感知(即具體體驗(yàn))和領(lǐng)悟(即抽象概括)兩種不同的體驗(yàn)獲得模式，經(jīng)由內(nèi)涵轉(zhuǎn)換和外延轉(zhuǎn)換兩種不同的體驗(yàn)轉(zhuǎn)換的加工方式，在體驗(yàn)的轉(zhuǎn)換過程中創(chuàng)造知識(shí)[1]。STEM教育與體驗(yàn)學(xué)習(xí)理念十分吻合，基于此，筆者以庫伯的“體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈”為指導(dǎo)思想，設(shè)計(jì)“趣味泡泡”主題的STEM教育活動(dòng)，使參與者能夠通過具體體驗(yàn)與反思觀察不斷地發(fā)現(xiàn)問題，并經(jīng)由抽象概括提出合理的問題解決方案，進(jìn)一步圍繞問題開展科學(xué)探究、解決問題，然后在新的情境之下展開新一輪的體驗(yàn)學(xué)習(xí)，不斷完善工程設(shè)計(jì)。以下詳細(xì)記錄了本次活動(dòng)的開發(fā)過程和實(shí)施過程，希冀能為廣大教師，尤其是職前教師提供STEM教育活動(dòng)開發(fā)的新視角。

圖1 體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈

二、將趣味泡泡活動(dòng)設(shè)計(jì)為體驗(yàn)學(xué)習(xí)視角下的STEM 教育活動(dòng)

科技館中泡泡活動(dòng)的趣味性雖較之前有所提高，但參與者在體驗(yàn)的過程中仍缺乏創(chuàng)造與反思的機(jī)會(huì)。如何將泡泡活動(dòng)設(shè)計(jì)成一個(gè)既有趣，又能促使研究生群體積極創(chuàng)造并引發(fā)深度思考的STEM活動(dòng)是一大難題。

活動(dòng)前期的工作主要包括相關(guān)資料的查找、活動(dòng)方案的設(shè)計(jì)、材料的準(zhǔn)備、泡泡液的配置與趣味泡泡經(jīng)典項(xiàng)目的開發(fā)。前期實(shí)驗(yàn)時(shí)，筆者根據(jù)參考配方進(jìn)行操作：在容器中分別加入自來水5 L、黎明濃縮洗潔精200 mL、酒精和甘油各50 mL、瓜爾豆膠粉末10 g、食用小蘇打30 g。其中加入洗潔精是為了降低溶液的表面張力促使泡泡產(chǎn)生，甘油作為保濕劑可以減緩水分的蒸發(fā)，瓜爾豆膠粉末用于增加泡泡溶液的黏稠度和泡泡彈性，小蘇打用于中和泡泡溶液，使其與弱酸性的泡泡溶液反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳，酒精作為有機(jī)溶液可以適當(dāng)降低溶液的表面張力，同時(shí)促進(jìn)配料充分溶解。充分?jǐn)嚢韬笮纬傻呐菖萑芤悍浅Ｈ菀灼鹋?，但形成的泡泡比較容易破碎而且隔夜放置后效果會(huì)變差。

泡泡的韌度和泡泡溶液的穩(wěn)定性與什么因素有關(guān)？趣味泡泡活動(dòng)中有哪些問題值得展開探究？帶著這些疑問，筆者將泡泡液帶到了研究生物理教學(xué)設(shè)計(jì)課堂上展示，并圍繞這些問題進(jìn)行討論。得出的結(jié)論是，泡泡易破碎的原因很可能在于液體的表面張力較大，而各種試劑的量、空氣濕度和溫度等因素都可能影響溶液的表面張力，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格遵循控制變量法并做好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，這樣才能改善泡泡液的配方。為了增加活動(dòng)的開放性，提供更多探究和創(chuàng)造的機(jī)會(huì)，筆者設(shè)計(jì)了參與者配置泡泡液、制作泡泡模具的比拼環(huán)節(jié)，讓其在體驗(yàn)學(xué)習(xí)的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，逐漸完善泡泡液配方與泡泡模具制作。

三、玩轉(zhuǎn)趣味泡泡，展開科學(xué)探究

本次活動(dòng)包括在室外進(jìn)行的體驗(yàn)與創(chuàng)新環(huán)節(jié)，以及在室內(nèi)開展的反思交流環(huán)節(jié)，各占2小時(shí)。

1.體驗(yàn)與創(chuàng)新環(huán)節(jié)

(1)主持人發(fā)放活動(dòng)方案書，介紹活動(dòng)目的、主要安排、準(zhǔn)備材料和注意事項(xiàng)之后，首先進(jìn)行的是泡泡的趣味經(jīng)典項(xiàng)目展示，具體包括以下三項(xiàng)：用棉繩系在PVC管上圍成三角形拉出巨大泡泡，用纏著棉繩的鐵絲圍成三角形、五角星、圓形和小兔子形狀的模具拉出長(zhǎng)泡泡，用自制的呼啦圈軌道容器挑戰(zhàn)《泡泡套人》游戲(如圖2、圖3所示)。不僅組內(nèi)成員躍躍欲試，廣場(chǎng)上的學(xué)生和居民也紛紛被吸引過來，主動(dòng)參與探究。

圖2 用螺旋形模具拉出泡泡

圖3 成功挑戰(zhàn)《泡泡套人》游戲

(2)現(xiàn)場(chǎng)制作與比拼環(huán)節(jié)。研究生隊(duì)伍和教師隊(duì)伍根據(jù)個(gè)人興趣選擇配置泡泡溶液(第一組)或制作泡泡模具(第二組)，進(jìn)行1小時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)制作，廣場(chǎng)上的群眾則自發(fā)地利用提前配置好的泡泡液和其他材料主動(dòng)體驗(yàn)與探究。分組完成之后，兩組成員相互提出要求：第一組需要改善泡泡液配方，突破《泡泡套人》游戲中的泡泡能達(dá)到的高度記錄；模具制作小組至少完成4種泡泡模具，并從不同維度對(duì)模具的設(shè)計(jì)加以說明。明確任務(wù)之后，兩組成員分工合作、相互協(xié)調(diào)，活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)忙碌起來。

(3)在參與過程中，第一組成員產(chǎn)生了許多困惑：泡泡的韌度究竟與什么因素有關(guān)？為什么不加水的洗潔精很難起泡，而加水稀釋后的洗潔精溶液很容易起泡？酒精和小蘇打是不可或缺的嗎，它們的具體作用是什么？鐵絲的粗細(xì)和棉繩的密度是否會(huì)影響泡泡韌度？第一組成員圍繞疑惑展開探究，最終改進(jìn)了泡泡的配方，突破之前《泡泡套人》游戲中所能達(dá)到的最佳高度，能將大泡泡拉至與成人齊高！

(4)第二組利用現(xiàn)場(chǎng)提供的材料充分發(fā)揮想象，借助鉗子等工具動(dòng)手創(chuàng)造。泡泡的經(jīng)典項(xiàng)目演示激發(fā)了大家的一些想法：能否制作一個(gè)模具實(shí)現(xiàn)大泡泡里套住小泡泡？能否同時(shí)拉出連串的長(zhǎng)泡泡？能否同時(shí)吹出很多泡泡？接著以1～2人為一組進(jìn)行探究，并不斷修正與改善個(gè)人作品。最終模具制作小組做出多個(gè)十分有趣的泡泡模具，完成最初定下的目標(biāo)。有人巧妙地利用樹枝、鐵絲組合制成模具，實(shí)現(xiàn)大泡泡套住小泡泡；有人將鐵絲圍成怪獸、花朵的模樣，實(shí)現(xiàn)同時(shí)拉出連串的長(zhǎng)泡泡；有人用挖多個(gè)洞的胡蘿卜吹出一連串的泡泡；有人借助胡蘿卜將牙簽搭建成立方體，將其浸入泡泡液中，發(fā)現(xiàn)并不能制成方方正正的“泡泡魔方”，泡泡的各個(gè)面會(huì)向內(nèi)聚攏；還有人將鐵絲圍成螺旋形模具，發(fā)現(xiàn)拉出的泡泡除前面一小段有兩個(gè)圓柱體外，整體部分都與圓形、三角形和五角星的泡泡模具拉出來的泡泡一樣，接近于圓柱體。這些創(chuàng)意與發(fā)現(xiàn)都十分令人驚喜！

2.反思交流環(huán)節(jié)

(1)在反思環(huán)節(jié)，大家圍繞“體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈”回顧活動(dòng)過程中遇到的問題與解決路徑，填寫個(gè)人反思清單并展開討論。許多參與者都注意到活動(dòng)中有兩個(gè)十分相似的有趣現(xiàn)象：《泡泡套人》游戲中可以明顯觀察到泡泡膜有向內(nèi)收縮的趨勢(shì)，用牙簽搭建的立方體浸入泡泡液后泡泡也會(huì)向內(nèi)聚攏，這兩個(gè)現(xiàn)象都說明泡泡膜受到了向內(nèi)拉扯的力，這個(gè)力正是液體表面張力的宏觀體現(xiàn)。為了更好地了解表面張力，一位中學(xué)物理教師播放了室外活動(dòng)中錄制的一個(gè)小實(shí)驗(yàn)：將用紙疊成的小船放入清水當(dāng)中，在船頭滴入兩滴洗潔精，小船立即向洗潔精一側(cè)移動(dòng)，這正是因?yàn)橄礉嵕械谋砻婊钚詣┙档土瞬糠炙谋砻鎻埩Γ〈蟛课吹稳胂礉嵕乃谋砻鎻埩Ω?，因而小船受到了向前的?qū)動(dòng)力。這幾個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)讓大家直觀地感受到了液體表面張力的作用和物理學(xué)的奧妙。

(2)為什么形狀各異的泡泡模具吹出的泡泡都接近球形，不同形狀的泡泡模具拉出的長(zhǎng)泡泡都接近于圓柱體？這個(gè)問題也引發(fā)了大家的思考。當(dāng)泡泡離開模具一定距離后，除重力外沒有任何約束，泡泡薄膜各個(gè)方向的表面張力和內(nèi)壓力相同，外界阻力相同，并且球體和圓柱體表面積最小，整體系統(tǒng)能量最低，該狀態(tài)下最為穩(wěn)定，所以呈現(xiàn)為球形或圓柱體。大家都未曾想過，小小的泡泡居然可以引發(fā)一系列的探究和反思，甚至還可以進(jìn)一步拓展，開發(fā)成一系列的科學(xué)探究活動(dòng)。

(3)對(duì)本次活動(dòng)的整體設(shè)計(jì)與實(shí)施過程進(jìn)行反思，并探討對(duì)STEM跨學(xué)科教育的理解與設(shè)想。本次活動(dòng)最成功之處在于準(zhǔn)備工作比較充分，給大家提供了很好的創(chuàng)造與交流的機(jī)會(huì)，但同時(shí)也存在一些不足：例如由于時(shí)間限制，分組展開探究，沒能讓每個(gè)人都完整體驗(yàn)全過程；還可以增加活動(dòng)的開放程度，例如只提供材料不提供泡泡的參考配方，在小組成員遇到瓶頸之后再提供參考配方等。STEM教育中，教師應(yīng)該創(chuàng)設(shè)一個(gè)可以自由創(chuàng)造、展開探究的活動(dòng)體驗(yàn)平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者提出問題、解決問題，逐步完善方案并進(jìn)行反思和交流，梳理收獲，幫助他們?cè)隗w驗(yàn)中享受快樂并且有效地展開學(xué)習(xí)進(jìn)程。

四、結(jié)語

本次STEM教育活動(dòng)基于體驗(yàn)學(xué)習(xí)視角進(jìn)行設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)在新情境之下不斷修正和完善作品，充分調(diào)動(dòng)了參與者的創(chuàng)造性和團(tuán)隊(duì)合作精神，為參與者帶來了一次彌足珍貴的STEM教育活動(dòng)體驗(yàn)。這次活動(dòng)的成功開展還證明，STEM教育活動(dòng)的開發(fā)不必過分依賴激光切割或編程等先進(jìn)技術(shù)，生活中就有許多值得深度探究的事物，只要善于發(fā)現(xiàn)、善于挖掘，并給予學(xué)生足夠的信任和鼓舞，學(xué)生必將給教師帶來驚喜。