踐行STEM 理念下的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新 推進(jìn)學(xué)科融合教育

（江蘇省蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué)，江蘇 蘇州 215000）

STEM 教育和學(xué)習(xí)理念的核心是基于項(xiàng)目和問題，融合多學(xué)科知識和方法，以工程設(shè)計為基石，學(xué)生用他們在科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)各個領(lǐng)域的知識來解決真實(shí)世界中有意義的問題。學(xué)科融合是指承認(rèn)學(xué)科差異的基礎(chǔ)上不斷打破學(xué)科邊界，促進(jìn)學(xué)科間相互滲透、交叉的活動。筆者以STEM 理念為基石，以化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新為切入點(diǎn)，對學(xué)科融合教育做了一些實(shí)踐和思考。

一、學(xué)科融合的內(nèi)涵和意義

學(xué)科融合是指承認(rèn)學(xué)科差異的基礎(chǔ)上不斷打破學(xué)科邊界，促進(jìn)學(xué)科間相互滲透、交叉的活動。學(xué)科融合既是學(xué)科發(fā)展的趨勢，也是產(chǎn)生創(chuàng)新性成果的重要途徑。就目前的學(xué)生學(xué)習(xí)和探究而言，沒有哪一項(xiàng)認(rèn)知活動是單靠一門學(xué)科知識就能完成的。也就是說，學(xué)生的學(xué)習(xí)和認(rèn)知是一項(xiàng)綜合性活動，需要多門類知識的參與，否則，這種認(rèn)知多是片面的、淺薄的，無法走向豐富和深刻。由此可見，學(xué)科融合教育具有非常實(shí)際而深遠(yuǎn)的意義。

二、STEM 理念為學(xué)科融合教育插上了騰飛的翅膀

STEM 教育和學(xué)習(xí)理念的核心是基于項(xiàng)目和問題，融合多學(xué)科知識和方法，以工程設(shè)計為基石，學(xué)生用他們在科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)各個領(lǐng)域的知識來解決真實(shí)世界中有意義的問題。STEM 是分科的又是整合的還是延伸和擴(kuò)展的，因此STEM 理念為學(xué)科融合教育提供了一種可操作的教育模式。依據(jù)STEM 理念，目前各個學(xué)校都在努力創(chuàng)設(shè)新型學(xué)習(xí)環(huán)境，積極建設(shè)綜合性教學(xué)平臺，這些平臺以改進(jìn)課程內(nèi)容實(shí)施方式為重點(diǎn)，以增強(qiáng)實(shí)踐認(rèn)知和、學(xué)習(xí)能力為主線，以提高綜合素質(zhì)為目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生在自主、合作、探究中提高學(xué)習(xí)效能，發(fā)掘?qū)W生的潛能特長。從這個意義上說，STEM 理念為學(xué)科融合教育插上了騰飛的翅膀。

三、以實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新為切入點(diǎn)的學(xué)科融合教育實(shí)踐

基于STEM 理念的創(chuàng)客教育是一種融合信息技術(shù)，秉承“開放創(chuàng)新、探究體驗(yàn)”教育理念，以“創(chuàng)造中學(xué)”為主要學(xué)習(xí)方式和以培養(yǎng)各類創(chuàng)新型人才為目的的新型教育模式。然而一些學(xué)校在實(shí)際的操作中，只是將創(chuàng)客教育當(dāng)成了創(chuàng)新、發(fā)明的另一種模式，并不是真正意義上的學(xué)科融合教育。為此，我們提出以高中實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新為切入點(diǎn)的融合教育方案。

（一）電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新實(shí)踐

中學(xué)電化學(xué)部分不僅有一定的廣度,而且具有一定的深度，電化學(xué)部分內(nèi)容占據(jù)教材很重要的地位。而電化學(xué)本身就是化學(xué)學(xué)科與物理學(xué)科的交叉內(nèi)容，是中學(xué)化學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，對此電化學(xué)裝置的改進(jìn)、創(chuàng)新，不僅能加深對物理、化學(xué)等學(xué)科內(nèi)容的理解，也能在實(shí)踐過程中加強(qiáng)多學(xué)科間的融合。

1.傳統(tǒng)燃料電池的不足。傳統(tǒng)的裝置由燒杯和兩根石墨電極以及簡易的外圍電路構(gòu)成，在實(shí)際操作中有以下不足：

（1）裝置簡陋，不易操作；

（2）氣體不能收集檢測；

（3）不能循環(huán)操作；

（4）發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r間太短只能1-2 秒。

2.多學(xué)科融合，改進(jìn)方案的設(shè)計及研究策略。擬改進(jìn)項(xiàng)：整體結(jié)構(gòu)、增加燃料電池的電容量、氣體的收集及檢測改進(jìn)方案及研究策略：

（1）整體結(jié)構(gòu)：整體結(jié)構(gòu)密閉、結(jié)構(gòu)小巧，便于操作、電路固化，用選擇開關(guān)選擇電解或放電、用針筒實(shí)現(xiàn)溶液的添加或更換；融合學(xué)科涉及：3D打印技術(shù)、物理串并聯(lián)電路、結(jié)構(gòu)學(xué)等等；

（2）增加燃料電池的電容量：電極材料的研究、電極間距的研究、電解電壓的選擇；融合學(xué)科涉及：電化學(xué)原理、物理電壓與電流；

（3）氣體的收集及檢測：密閉體系、氣體壓強(qiáng)將溶液壓回針筒；融合學(xué)科涉及：物理大氣壓原理、化學(xué)。

3.改進(jìn)方案的原理及硬件設(shè)計結(jié)果。經(jīng)過以上多學(xué)科的融合研究探索，最后設(shè)計出整體的設(shè)計方案原理圖以及實(shí)際改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示：

在電路設(shè)計上，用兩個選擇開關(guān)S1、S2 使電路簡潔易操作。撥動S1 可選擇是電解還是放電，撥動S2 可選擇放電時以LED 燈演示還是風(fēng)扇演示。通過以上的設(shè)計，裝置外形小巧，易于操作，全密閉不泄漏，電容量比傳統(tǒng)裝置明顯增大，現(xiàn)象明顯且易于觀察，同時還可以反復(fù)實(shí)驗(yàn)。

（二）中和熱測定裝置的創(chuàng)新實(shí)踐

中和熱測定是中學(xué)化學(xué)傳統(tǒng)的一個實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)誤差和人為誤差都比較大。我校教師和學(xué)生組成的團(tuán)隊以開發(fā)“智能化中和熱的測定裝置”作為研究性課題，進(jìn)行學(xué)科融合教育的實(shí)踐。

1.傳統(tǒng)中和熱測定裝置的不足：中和熱測定裝置根據(jù)測定反應(yīng)前后的溶液溫度差來計算中和反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量，該裝置對反應(yīng)系統(tǒng)的隔熱有較高的要求，同時對溫度數(shù)據(jù)的精度有一定的要求，傳統(tǒng)的裝置有以下不足：

（1）由簡易的雙層燒杯做隔熱反應(yīng)容器，熱量損失較大；

（2）整個裝置不密閉，在攪拌和加液過程中有熱量損失；

（3）溫度計精度不夠而且很難捕捉到反應(yīng)最高溫度數(shù)據(jù)；

（4）簡易的攪拌器攪拌效果不佳。

2.多學(xué)科融合，改進(jìn)方案的設(shè)計及研究策略。擬改進(jìn)項(xiàng)包括：整體的反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、溶液混合方案、溫度測量方法、遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)傳輸方法、數(shù)據(jù)處理與顯示方法等等。

改進(jìn)方案及研究策略：

（1）整體的反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：由雙層真空隔熱保溫杯內(nèi)嵌三層內(nèi)筒構(gòu)成，上部盛裝反應(yīng)組分A，保溫杯下層盛放反應(yīng)組分B，中部裝備微型控制電路及電源，下部裝備微型攪拌電機(jī)和溫度傳感器。融合學(xué)科涉及：3D 打印技術(shù)、數(shù)字建模、結(jié)構(gòu)設(shè)計、物理熱傳導(dǎo)等等。

（2）溶液混合方案：由主控器控制導(dǎo)流閥，內(nèi)筒上層反應(yīng)組分A 經(jīng)由導(dǎo)流閥與下層反應(yīng)組分B 混合反應(yīng)。融合學(xué)科涉及：化學(xué)、物理電磁感應(yīng)、開源智能硬件Arduino 的開發(fā)應(yīng)用。

（3）溫度測量方法：精密溫度傳感器與Arduino 主控器編程協(xié)作。融合學(xué)科涉及：開源電子平臺Arduino 的開發(fā)應(yīng)用、傳感器技術(shù)。

（4）遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)傳輸方法：主控器通過WiFi 模塊連接互聯(lián)網(wǎng)，并從服務(wù)器讀取溫度數(shù)據(jù)形成圖表。融合學(xué)科涉及：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)、C 語言編程。

3.改進(jìn)方案的原理及硬件設(shè)計結(jié)果。經(jīng)過以上多學(xué)科的融合研究探索，最后設(shè)計出整體的設(shè)計方案原理圖以及實(shí)際改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示：

該測定裝置完全摒棄了傳統(tǒng)的簡陋裝置，利用現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)等，在密閉的保溫杯中實(shí)現(xiàn)了溶液的混合、攪拌、溫度數(shù)據(jù)傳輸以及遠(yuǎn)程控制反應(yīng)，使得操作更方便，數(shù)據(jù)更精確。

四、學(xué)科融合教育實(shí)踐后的反思

以上是我校研究性課題組在綜合實(shí)踐過程中的兩個典型的案例，我們立足現(xiàn)代STEM 教育理念，依托現(xiàn)代化的創(chuàng)客平臺，將理論轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，提高學(xué)生的綜合能力。因此，我們實(shí)踐的學(xué)科融合教育不是幾門相關(guān)學(xué)科的簡單拼湊，而是在深化主體學(xué)科內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為完成主體學(xué)科的具體任務(wù)，有目的有方向地進(jìn)行融合學(xué)科的學(xué)習(xí)和探討，最終達(dá)到學(xué)科間有機(jī)的融合。當(dāng)然學(xué)科融合教育還是一個新興的理念，要達(dá)到教育育人模式的完全轉(zhuǎn)型，廣大教育工作者任重而道遠(yuǎn)！