STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)下初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)范式的實(shí)踐與反思

夏兆省 戴文曉

摘 要：本文以“自制簡易密度計(jì)”拓展教學(xué)設(shè)計(jì)為例，通過“情境導(dǎo)入，任務(wù)驅(qū)動(dòng); 項(xiàng)目意義，支架學(xué)習(xí);項(xiàng)目實(shí)施，設(shè)計(jì)制作;項(xiàng)目反思，測(cè)試評(píng)價(jià) ; 項(xiàng)目改進(jìn)， 優(yōu)化拓展” 的教學(xué)流程，以項(xiàng)目式為基本的學(xué)習(xí)方式，融入STEM理念，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探究實(shí)驗(yàn)的興趣，幫助學(xué)生構(gòu)建科學(xué)知識(shí)體系，形成和發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力，讓學(xué)生達(dá)到深度學(xué)習(xí)狀態(tài)，提升學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí);初中科學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);范式

中圖分類號(hào)：G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ? ? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）16-0021-03

基金項(xiàng)目： 2020 年杭州市教研課題“基于核心素養(yǎng)的初中科學(xué)微實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)：L 2020218）.

作者簡介：夏兆?。?965-），男，浙江秦順人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：初中科學(xué)教學(xué)研究;

戴文曉（1986-），女，浙江瑞安人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：初中科學(xué)課堂創(chuàng)新與實(shí)踐.

1 問題的提出

《浙江省教育廳關(guān)于加強(qiáng)初中教育的指導(dǎo)意見》（2020年11月6日發(fā)布）提出：“推動(dòng)項(xiàng)目學(xué)習(xí)學(xué)科化，在常態(tài)學(xué)科學(xué)習(xí)中逐漸增加項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)，賦能學(xué)科教學(xué).”STEM項(xiàng)目下開展初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)將融入STEM理念，并應(yīng)用于初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整個(gè)探究過程.但是根據(jù)筆者的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂聽課觀察，發(fā)現(xiàn)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在以下問題.

1.1 只重視科學(xué)知識(shí)的教學(xué)，忽略創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

科學(xué)的學(xué)習(xí)離不開實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，很多科學(xué)知識(shí)都蘊(yùn)藏在實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中.教師往往忽略實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，過于強(qiáng)調(diào)機(jī)械式做實(shí)驗(yàn)、死記硬背知識(shí)、機(jī)械刷題，忽略創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

1.2 只重視多媒體實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，忽略動(dòng)手能力的培養(yǎng)

教師在教學(xué)過程中，只將書本上的探究實(shí)驗(yàn)變成多媒體實(shí)驗(yàn)（如錄像，F(xiàn)lash動(dòng)畫代替實(shí)驗(yàn)），學(xué)生只看多媒體實(shí)驗(yàn)，教師直接告之實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，據(jù)此推導(dǎo)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，忽略動(dòng)手能力的培養(yǎng).

基于以上的原因，筆者提出課題“STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)下的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)范式的實(shí)踐研究”，以項(xiàng)目式為基本的學(xué)習(xí)方式，融入STEM理念，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探究實(shí)驗(yàn)的興趣，幫助學(xué)生構(gòu)建科學(xué)知識(shí)體系，形成和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力，讓學(xué)生達(dá)到深度學(xué)習(xí)狀態(tài)，提升學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng).

2 STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)下的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)范式

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)下的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)范式指融入STEM理念，教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)合理創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境的有意義任務(wù)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度理解科學(xué)知識(shí)，通過小組合作學(xué)習(xí)，借助多種資源設(shè)計(jì)、制作作品，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)、制作作品進(jìn)行交流評(píng)價(jià)，然后學(xué)生將對(duì)作品存在的不足進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚屯晟?，這樣有助于培養(yǎng)學(xué)生的合作交流能力以及實(shí)踐能力（如圖1所示）.

2.1 情境導(dǎo)入，任務(wù)驅(qū)動(dòng)

教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)合理創(chuàng)設(shè)現(xiàn)實(shí)情境，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)，誘發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，開拓思維空間.體現(xiàn)STEM教育情境性的特征.

2.2 項(xiàng)目意義，支架學(xué)習(xí)

教師以項(xiàng)目研究為切入點(diǎn)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生深度理解科學(xué)知識(shí).

2.3 項(xiàng)目實(shí)施，設(shè)計(jì)制作

教師以項(xiàng)目通過小組合作學(xué)習(xí)，借助多種資源設(shè)計(jì)、制作作品.體現(xiàn)STEM教育協(xié)作性、設(shè)計(jì)性、實(shí)踐性的特征.

2.4 項(xiàng)目反思，測(cè)試評(píng)價(jià)

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目、制作作品進(jìn)行交流評(píng)價(jià)，再反思實(shí)驗(yàn)中的問題.教師組織學(xué)生進(jìn)行交流討論，有助于提升學(xué)生的實(shí)踐能力以及合作交流能力.

2.5 項(xiàng)目改進(jìn)，優(yōu)化拓展

教師引導(dǎo)學(xué)生將對(duì)原本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚屯晟?，借此及時(shí)對(duì)知識(shí)進(jìn)行鞏固和拓展.

3 STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)下的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)范式的實(shí)踐

如在“水的浮力”新課教學(xué)之后，我們開設(shè)“自制簡易密度計(jì)”的STEM活動(dòng)拓展課，教學(xué)主要圍繞如下5個(gè)基本環(huán)節(jié)展開.

3.1 情境導(dǎo)入，任務(wù)驅(qū)動(dòng)

海產(chǎn)品養(yǎng)殖場(chǎng)工作人員用密度計(jì)進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)（如圖2所示），水質(zhì)好了生產(chǎn)的貝和魚的質(zhì)量就好，味道也就鮮美.

你是否能自制一支簡易浮子式密度計(jì)，來測(cè)量鹽水等不同液體的密度？

為了自制一支簡易浮子式密度計(jì)，需要完成以下四個(gè)任務(wù).

任務(wù)一：浮子式密度計(jì)的工作原理是什么？

任務(wù)二：如何設(shè)計(jì)制作一支簡易浮子式密度計(jì)（包括選擇什么材料如何標(biāo)注刻度等）？

任務(wù)三：自制一支簡易浮子式密度計(jì)應(yīng)達(dá)到怎樣的標(biāo)準(zhǔn)？

任務(wù)四：自制一支簡易浮子式密度計(jì)如何進(jìn)行改進(jìn)？

設(shè)計(jì)意圖：教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)合理創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境布置教學(xué)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生自行對(duì)任務(wù)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)完成四個(gè)任務(wù)，誘發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，展示STEM教育真實(shí)性的特征.

3.2 項(xiàng)目意義，支架學(xué)習(xí)

任務(wù)一：浮子式密度計(jì)的工作原理是什么？

教師引導(dǎo)學(xué)生討論如圖3所示某同學(xué)將自制的簡易密度計(jì)模型分別浸在鹽水和清水中，用于區(qū)分鹽水和清水.

（1）請(qǐng)判斷哪杯是水？哪杯是鹽水？為什么？

（2）圖示實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)注密度計(jì)的刻度有什么啟示？

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合二力平衡和阿基米德原理來解釋密度計(jì)的工作原理，達(dá)成掌握科學(xué)核心概念的目的，同時(shí)為下面的自制密度計(jì)做好鋪墊.

3.3 項(xiàng)目實(shí)施，設(shè)計(jì)制作

任務(wù)二：如何設(shè)計(jì)制作一支簡易浮子式密度計(jì)（包括選擇什么材料如何標(biāo)注刻度等）？

教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)簡易浮子式密度計(jì).

（1）選擇所需器材：不同粗細(xì)的吸管（底端已封口）、熱熔膠、熱熔槍、 水（密度1g/cm3）、鹽水（密度 1.1g/cm3）、蜂密水（密度 1.2g/cm3）、鐵粉、刻度尺、鉛筆、計(jì)算器、馬克筆等.

（2）設(shè)計(jì)自制方案：教師引導(dǎo)學(xué)生選擇所需器材，設(shè)計(jì)簡易浮子式密度計(jì)的自制方案，畫出設(shè)計(jì)作品，并將具體的操作步驟寫下來（包括如何調(diào)平衡，如何標(biāo)注刻度等）.

（3）選出最佳方案：小組內(nèi)展示交流設(shè)計(jì)簡易的浮子式密度計(jì)方案，互動(dòng)評(píng)價(jià)方案的優(yōu)劣，選擇確定小組最后制作的方案.

根據(jù)設(shè)計(jì)簡易浮子式密度計(jì)方案，制作一個(gè)攜帶方便標(biāo)有刻度測(cè)量準(zhǔn)確簡易的浮子式密度計(jì).

如果自制密度計(jì)底面積為S，它浸沒在液體中的深度為h，V排=Sh代入阿基米德原理：F浮=ρ液gV排 ，則F浮=ρ液g Sh，得到F浮/g S=ρ液h，把已知水的密度和浸在水中的深度h乘起來，就是左邊的常量，那么當(dāng)ρ液=0.9、0.95、1.1時(shí)，就可以計(jì)算其它密度與對(duì)應(yīng)的h.從而標(biāo)出密度計(jì)的其他刻度.

設(shè)計(jì)意圖：在學(xué)生進(jìn)一步掌握浮力的知識(shí)的同時(shí)，通過結(jié)合數(shù)學(xué)，綜合解決問題，結(jié)合工程、技術(shù)，自制密度計(jì)，提高動(dòng)手能力和合作學(xué)習(xí)能力，增強(qiáng)分析、評(píng)價(jià)的思維能力，學(xué)以致用，體驗(yàn)科學(xué)探究的樂趣，從而提升核心素養(yǎng).體現(xiàn)STEM教育實(shí)踐性和融合性的特征.

3.4 項(xiàng)目反思，測(cè)試評(píng)價(jià)

任務(wù)三：自制一支簡易浮子式密度計(jì)應(yīng)達(dá)到怎樣的標(biāo)準(zhǔn)？

教師對(duì)每組實(shí)驗(yàn)作品進(jìn)行驗(yàn)收，對(duì)比作品的優(yōu)劣并做出測(cè)試評(píng)價(jià).

測(cè)試自制簡易浮子式密度計(jì)的性能.

（1）利用自制的簡易浮子式密度計(jì)測(cè)量水和鹽水的密度.

（2）用實(shí)驗(yàn)室密度計(jì)重復(fù)上述的實(shí)驗(yàn)步驟.

（3）將結(jié)果記錄到表中，進(jìn)行比較.

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過實(shí)證研究的方法，測(cè)試評(píng)價(jià)作品的成功與失敗.并與其他組分享交流本組作品.STEM教育具有體驗(yàn)性特征，學(xué)生在參與、體驗(yàn)獲得知識(shí)的過程中，不僅獲得結(jié)果性知識(shí)，還習(xí)得蘊(yùn)含在項(xiàng)目問題解決過程中的過程性知識(shí).

3.5 項(xiàng)目改進(jìn)，優(yōu)化拓展

任務(wù)四：自制一支簡易浮子式密度計(jì)如何進(jìn)行改進(jìn)？

教師根據(jù)互動(dòng)評(píng)價(jià)的結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)作品存在的不足進(jìn)行再設(shè)計(jì)再制作—再測(cè)試再評(píng)價(jià)—再設(shè)計(jì)再制作，直至符合要求.

教師展示密度計(jì)實(shí)物后，學(xué)生觀察分析，自制密度計(jì)還可以怎么進(jìn)行改進(jìn)？

教師引導(dǎo)學(xué)生充分交流討論，發(fā)現(xiàn)可改進(jìn)的地方：刻度線再多標(biāo)一些，提高精度;上面再拉長一些;上端封口等.

如圖5所示，教師展示淘寶上搜到的各種密度計(jì).

設(shè)計(jì)意圖：體現(xiàn)科學(xué)與生活是緊密聯(lián)系的.激發(fā)學(xué)生后續(xù)探究的興趣，以及真正感受到科學(xué)就在身邊，并且激發(fā)學(xué)生今后繼續(xù)用科學(xué)的眼睛去發(fā)現(xiàn)和探索生活中問題的興趣.

4 STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)下的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)范式的反思

本節(jié)課以“情境導(dǎo)入，任務(wù)驅(qū)動(dòng); 項(xiàng)目意義，支架學(xué)習(xí);項(xiàng)目實(shí)施，設(shè)計(jì)制作;項(xiàng)目反思，測(cè)試評(píng)價(jià);項(xiàng)目改進(jìn)， 優(yōu)化拓展”為教學(xué)流程，以項(xiàng)目式為基本的學(xué)習(xí)方式，融入STEM理念，聚焦真實(shí)有意義的任務(wù)，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生高階思維.

4.1 STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)聚焦真實(shí)任務(wù)

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)下的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)范式，將創(chuàng)設(shè)的真實(shí)情境貫穿在教學(xué)始終，學(xué)生圍繞制作簡易浮子式密度計(jì)的產(chǎn)品為任務(wù)，學(xué)生積極參與課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)，分工合作協(xié)調(diào)互動(dòng)，能夠最大限度地開發(fā)學(xué)生的潛能，在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中人人都能體驗(yàn)到成功的喜悅，學(xué)生樹立學(xué)習(xí)科學(xué)的自信心，從而長久保持學(xué)習(xí)興趣.

4.2 STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)下的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)范式，以海產(chǎn)品養(yǎng)殖為背景，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，結(jié)合科學(xué)（二力平衡和阿基米德原理）、技術(shù)（使用熱熔槍）、工程（制作一個(gè)攜帶方便標(biāo)有刻度測(cè)量準(zhǔn)確的簡易浮子式密度計(jì)）、數(shù)學(xué)（反比例函數(shù)，推導(dǎo)出數(shù)學(xué)關(guān)系式）的融合教學(xué)，在自制簡易浮子式密度計(jì)的教學(xué)過程中，通過任務(wù)引發(fā)科學(xué)、工程和技術(shù)的實(shí)踐，實(shí)踐中教師要善于引導(dǎo)學(xué)生融合工程設(shè)計(jì)思維，培養(yǎng)學(xué)生用數(shù)學(xué)知識(shí)解決科學(xué)問題的能力，促進(jìn)科學(xué)知識(shí)的鞏固和深化，最終使學(xué)生達(dá)成深度學(xué)習(xí).

4.3 STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)發(fā)展高階思維

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)下的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)范式，以打破以往 “知識(shí)壁壘”給教學(xué)帶來的束縛，從而達(dá)到從“低階思維”到“高階思維”的飛躍.創(chuàng)造性地自制簡易浮子式密度計(jì)的教學(xué)過程中，應(yīng)用二力平衡和阿基米德原理來解釋密度計(jì)工作原理，逐步提高分析、創(chuàng)造和評(píng)價(jià)的高階思維能力，培養(yǎng)學(xué)生勇于創(chuàng)新和探究的科學(xué)精神，使得學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體，達(dá)到了“做中學(xué)，學(xué)中做”的教育教學(xué)效果.

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（收稿日期：2021-05-08）