STEAM視角下初中科學實驗教學設計與實踐

張暢 程志奇 張璟瑜 吳承瑤

摘? ?要：以學科融合為基礎的STEAM教育越來越多地應用于初中科學教學中。文章在STEAM視角下，嘗試探索初中科學實驗教學的具體操作及實施方法，以“力的測量”為例，通過設計彈簧測力計這一核心任務，開展教學過程及評價，并在實踐中予以反思。

關鍵詞：STEAM;實驗教學;力的測量

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）7-0028-4

1? ? STEAM應用于初中科學實驗教學的理論基礎

STEAM即Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）、Art（藝術）、Mathematics（數學）的縮寫[1]。STEAM教育旨在通過5門學科有目的、有邏輯地整合，以培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。

通過初中科學課程培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)需要給學生提供發(fā)現事物、解決問題、開展實驗的機會，從而培養(yǎng)學生的科學觀念、科學思維、科學探究與科學能力四個維度的關鍵能力，凸顯科學學科的本質與特色。

當前科學實驗教學過程中，由于教師往往憑借已有的經驗開展教學，大部分學生習慣于接受科學知識，缺乏質疑、創(chuàng)新的精神[2]。STEAM視角下的科學實驗教學是符合學生認知發(fā)展規(guī)律，培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的有效途徑[3]。從課程目標的角度看，STEAM教育更加突出情境整合，將工程任務作為科學教學的動力，加強學生對跨學科知識的理解與融合，更能發(fā)掘學生學習的主動性、創(chuàng)造性;從學生認知特點看，初中生已具備開展STEAM教育所需的歸納、演繹、分析、綜合能力。因而，STEAM視角下的科學教學能以問題解決或工程項目實施為目標，學生綜合多領域知識得出結論，促使他們積極地收集、處理、分析信息，實現培養(yǎng)學生思維的開放性、動態(tài)性。

2? ? STEAM視角下“力的測量”實驗教學設計與實踐

2.1? ? 學習任務分析

本課時的內容為浙教版初中科學七年級下冊第3章《運動和力》第2節(jié)第2課時“力的測量”。測量觀是科學實驗教學的核心內容，學生在上學期已學習過關于長度、體積、時間、質量等物理量的測量，并掌握了相應測量工具的使用方法，這些是學生學習的認知基礎。本節(jié)課則是在學習有關力的作用效果、力的相互性等知識后，進一步學習力的測量工具，為后面力的三要素、重力、摩擦力等知識奠定方法基礎。教材中“力的測量”這一課時主要以學生了解力的大小、體驗彈力、會觀察和使用彈簧測力計為主，重在能夠應用彈簧測力計測量力的大小。

在STEAM視角下，本節(jié)實驗課以中心任務——“自制彈簧測力計”為驅動，讓學生在解決問題、評價交流中經歷探究活動，修改并完善自己制作的測力計，培養(yǎng)學生的動手能力及項目學習的高階思維。

結合STEAM教育特點，筆者以“力的測量”為例，設計了教學流程圖（圖1）。

2.2? ? 教學目標

（1）科學觀念與應用

了解彈力，知道彈簧測力計測力的原理。[科學（S）]

（2）科學思維與創(chuàng)新

體驗科學探究活動中的分析、比較、歸納、綜合等思維活動。[數學（M）]

能自制彈簧測力計并能寫使用說明書。[工程（E）、藝術（A）]

（3）科學探究與交流

能相互交流和評價自制彈簧測力計，并提出改進方案。[技術（T）]

（4）科學態(tài)度與責任

樹立實事求是、勇于創(chuàng)新的科學精神。[科學（S）]

2.3? ? 教學過程

本節(jié)課以制作彈簧測力計為核心任務，通過彈簧測力計原理探究、彈簧測力計定標比較、為彈簧測力計寫說明書三個子任務，培養(yǎng)學生在學科融合下的項目解決能力。

（1）任務一：活動激趣，聚焦彈簧測力計原理

①身臨其境，切實體驗力之大小

請兩位學生來臺前拉動彈簧測力計，比較力的大小。教師請臺下學生觀察并提問：a.依據什么判斷拉力的大?。縝.借助力的哪個作用效果？c.什么是形變？

設計意圖：學生參與競賽活動，學習積極性較高。通過實例讓學生體驗力有大小，力的大小可以借助彈簧產生的形變來判斷，而這種形變就是彈簧的伸長，為探究彈簧測力計原理奠定認知基礎。

②聯系舊知，定性判別彈力大小

教師提問：力有大有小，你知道力的單位嗎？ 1 N的力有多大？

設計意圖：了解力的單位，通過閱讀指導法了解牛頓的生平和貢獻。通過舉例說明，對力的大小有初步的認知基礎。

教師追問：我們是如何測量力的大小呢？

學生：用彈簧測力計。

[活動一：手與彈簧]（圖2）

互動交流：a.手向下拉彈簧，手有什么感覺？b.彈簧拉得更長，手的感覺？c.撤去拉力，彈簧長度的變化？d.由此，你會提出什么問題？

設計意圖：學生手拉彈簧，再次體驗彈簧的大小，定性感知在彈性限度內，彈簧伸長越長，手施加拉力越大，彈簧彈力越大。學生通過此環(huán)節(jié)，能夠知道彈力與彈性，并且通過舉例，知道彈力在生活中是一種普遍存在的力。

③激活新知，定量分析彈簧伸長與拉力的關系

學生利用鉤碼等工具，自主探究彈簧伸長長度與受到的拉力大小的關系。通過表格記錄、描點畫圖、計算機繪圖三種方式進行描繪與記錄（表1，圖3、4）。

設計意圖：STEAM教育指出，要在小組合作中解決問題。上述活動中，學生完成實驗時，采用表格記錄數據，對數字（M）的分析、歸納可以利用坐標軸描點連線，學有所長的學生可以充分利用計算機技術（T）得出彈簧伸長長度與拉力的大小關系圖，有效提高了學生的認知水平。從多角度處理問題，更能激發(fā)學生的交流能力與創(chuàng)造性。

通過上述小組合作活動，學生得出結論：在彈性限度內，彈簧伸長的長度與所受的拉力成正比。

（2）任務二：應用新知，標定彈簧測力計刻度

學生通過小組探究活動，明確彈簧測力計的原理。由此教師請學生：

①在面板上標上刻度，并且注明最小刻度及量程;

②測量身邊物體拉力的大小，并與現有測力計的數據進行比較。

[學生作品]（圖5）：

設計意圖：引導學生像工程師一樣（E），根據彈簧測力計的原理，標定自制彈簧測力計的刻度（T），培養(yǎng)學生的動手操作能力、小組合作能力。根據上述環(huán)節(jié)得出的結論，學生可以在量程范圍內為彈簧測力計均勻標上刻度，節(jié)省了反復利用鉤碼這一標準物操作的時間。

定標結束后，為檢驗自制彈簧測力計的精確情況，將現有測力計和自制測力計測量彈簧所受物體拉力的大小進行比較，培養(yǎng)學生實驗的嚴謹性;能從工程師（T）的角度反思、修正前面定標出現的問題;能從藝術（A）的角度，提高作品的質量;實踐的過程中，提高自身對測量觀的認知水平。

（3）任務三：樂學善思，撰寫自制彈簧測力計的說明書（圖6）。

設計意圖：學生在制作彈簧測力計的過程中，最終能以工程師（E）的角度思考如何正確使用彈簧測力計，如何給使用者提供高效、有趣的閱讀指導（A）。既能夠遷移所學知識，又能夠將科學知識與實際應用結合，注重科學中統一概念和原理，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神與思維，提高學生的核心素養(yǎng)。

（4）遷移所學，延伸測量力之應用

問題1：用1 N的拉力可以提起哪些物體？

問題2：你知道為什么可以從拉力器的形變來判斷兩位同學的拉力大小嗎？

問題3：在不換用彈簧的前提下，你還可以利用什么方法增大自制彈簧測力計的量程？

設計意圖：3個問題層層遞進，學生在掌握彈簧測力計測力的原理之后，標定自制彈簧測力計并能規(guī)范使用測力計時，換用不同的物品進一步感知1 N力的大小，利用所學知識規(guī)范描述課堂初始比較力的大小的問題，并由拉力器多根彈簧的啟發(fā)，改進自制彈簧測力計。真正體現科學服務生活、生活處處有科學的思想，促進學生真實有效地學習。

2.4? ? 結果評價表

為了解學生的學習過程，體現STEAM學習的合作理念和診斷性功能，設計評價量規(guī)（如表2）。

3? ? STEAM視角下初中科學實驗教學的反思與展望

3.1? ? 以STEAM為導向指導實驗教學

實踐表明，STEAM理念下的科學課堂，更容易激發(fā)學生的學習熱情。小組合作實驗過程中，更容易激發(fā)思維的火花，不同水平、不同特長的學生都能發(fā)揮重要作用，激發(fā)學生的探索心和求知欲。然而，并非所有科學課型都適合此種教學方法，因而開發(fā)更多的能切身操作的課型顯得尤為關鍵。

3.2? ? 以解決任務為指標指向學生學習

教師有效創(chuàng)設情境，學生明確任務后，會帶著問題聯系舊知，激活新知。在教師引導下，學生明確彈簧測力計的原理，學會制作彈簧測力計并對其定標，利用自制彈簧測力計測量身邊物體對彈簧的拉力大小，符合學生的認知水平，利于提高學生的科學素養(yǎng)。在今后的教學中，應以“情境—問題—知識—應用”為主線，讓學生樂學善思。

3.3? ? 以有效評價為標準轉變教學方式

為了幫助學生有效學習，提高學生相互合作、交流的能力，在設計評價量規(guī)表時，對所完成任務進行分解，以期診斷學生在學習過程中的疑難點。然而，在實際操作過程中，學生往往主要關注如何完成項目任務，無暇顧及評價，只能在課后交流反思中填補。但是，評價的過程即為表達的過程，可以培養(yǎng)學生分析、評價、創(chuàng)造等高階思維能力。因而，在課堂開展合理、有效的評價也是今后在轉變教學方式中應該加以完善的環(huán)節(jié)。

參考文獻：

[1]范文翔，張一春. STEAM教育：發(fā)展、內涵與可能路徑[J].現代教育技術， 2018（3）：99-105.

[2]陳鋒，王健. 基于五星教學原理的初中科學的問題解決教學——以浙教版教科書“壓強”概念為例[J]. 物理教學探討， 2016， 34（7）：8-11.

[3]王玥月，陸建隆. 凸顯STEM教育的初中物理教學設計初探——以“浮力”教學為例[J]. 物理教師， 2017，38（2）：41-43.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）

收稿日期：2020-01-03

作者簡介：張暢（1990-），女，中學二級教師，主要從事初中科學教學工作;程志奇（1969-），男，中學高級教師，主要從事初中科學教學工作;張璟瑜（1981-），女，中學高級教師，主要從事初中科學教學工作，曾獲杭州市“教壇新秀”稱號;吳承瑤（1980-），女，中學高級教師，主要從事初中科學教學工作。