探析STEM理念在初中科學(xué)課中的實(shí)踐與思考

吳錫理 朱婷婷

摘要：初中科學(xué)是以對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)、以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為宗旨的綜合課程?！癝TEM”追求的是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)學(xué)科之間的深度融合，它是基于學(xué)生如何“做科學(xué)”，而不是僅僅“記憶科學(xué)事實(shí)”，這與初中科學(xué)課程的目標(biāo)高度契合，所以將“STEM”理念融合于初中科學(xué)課堂教學(xué)，是促進(jìn)有效教學(xué)的一種新的教學(xué)模式與載體，是提升學(xué)生課堂自主建構(gòu)的一種有效手段。本文以“溫州S1線降噪模型”的項(xiàng)目學(xué)習(xí)“聲學(xué)”內(nèi)容為例，分享“STEM”理念在促進(jìn)初中課堂有效教學(xué)中的實(shí)踐體驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上提煉出融合“STEM”理念的初中科學(xué)教學(xué)模型。

關(guān)鍵詞：STEM理念;S1 線降噪模型;實(shí)踐;教學(xué)模型

“STEM”教育追求的是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)學(xué)科之間的深度融合。它的課程與教學(xué)都是基于學(xué)生“做科學(xué)”，通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和問(wèn)題解決式學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)相融合的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，而不是僅僅“記憶科學(xué)事實(shí)”。如何將初中科學(xué)課堂與“STEM”教學(xué)理念有機(jī)結(jié)合？如何讓“STEM”與科學(xué)課堂的無(wú)縫融合？本文以“溫州S1線降噪模型”的項(xiàng)目學(xué)習(xí)“聲學(xué)”內(nèi)容為例，分享“STEM”理念在初中科學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐。“聲”是浙教版《科學(xué)》七年級(jí)下冊(cè)第二章的內(nèi)容，其包括聲音的產(chǎn)生、傳播、聲音的特性和噪聲防治。

一、整合教學(xué)資源，解決真實(shí)項(xiàng)目問(wèn)題

“STEM”教學(xué)注重多層次的教學(xué)，能從真實(shí)問(wèn)題出發(fā)，力求將課堂中所獲得的知識(shí)、能力等運(yùn)用于解決實(shí)際問(wèn)題，有力地推動(dòng)了學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。從而有效地改善現(xiàn)今經(jīng)大部分《科學(xué)》課堂教學(xué)仍然拘泥于知識(shí)傳授，學(xué)生缺乏真實(shí)動(dòng)手體驗(yàn)的現(xiàn)狀。為了更好的滲透“STEM”教學(xué)理念，這就要求教師從課堂抽身，在課堂之前做好充分的教學(xué)資源整合。包括真實(shí)教學(xué)情境的簡(jiǎn)化整合，項(xiàng)目學(xué)習(xí)材料的選擇整合，學(xué)生所需的知識(shí)背景的提煉整合等。

（一）真實(shí)教學(xué)情境的簡(jiǎn)化整合

“STEM”理念下的初中《科學(xué)》教學(xué)內(nèi)容要具有綜合性、實(shí)用性、科學(xué)性的特征，這就要求教學(xué)情境不僅要真實(shí)、科學(xué)，還要加工成學(xué)生能夠有效利用的一個(gè)學(xué)習(xí)情境。如何將現(xiàn)實(shí)生活中的一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題，整合成學(xué)生能夠憑借頭腦風(fēng)暴交流學(xué)習(xí)理解的學(xué)習(xí)情境顯得尤為重要，這就要求科學(xué)教師，在教學(xué)前進(jìn)行合理的提煉加工，使情境真實(shí)貼切。因此情境選擇盡可能選擇學(xué)生熟悉感興趣的事物，與現(xiàn)有邏輯思維匹配的事物。

例如：為了將教材中聲學(xué)知識(shí)具象化，我們選擇了“溫州S1線降噪模型”的設(shè)計(jì)作為教學(xué)載體。對(duì)情境進(jìn)行整合如下：2019年4月溫州第一條軌道交通S1線應(yīng)運(yùn)而生，為市民出行帶來(lái)極大便利，與此同時(shí)S1線運(yùn)行噪音污染不期而至。打造良好的生活環(huán)境，降低生活中的噪聲污染迫在眉睫。為S1線設(shè)置降噪裝置，從根源上減小噪聲帶來(lái)的負(fù)面影響就很有研究?jī)r(jià)值。基于軌道S1線帶來(lái)的噪音現(xiàn)狀，本項(xiàng)目是以現(xiàn)行的軌道S1線車(chē)體為例，為其設(shè)計(jì)一款降噪隔音壁，并搭建降噪隔音壁模型及安裝在現(xiàn)實(shí)車(chē)體的位置為主線，通過(guò)小組頭腦風(fēng)暴形成設(shè)計(jì)思想，將設(shè)計(jì)付諸實(shí)踐，動(dòng)手體驗(yàn)制作，并不斷檢驗(yàn)調(diào)試制作的產(chǎn)品。整合后的情境與教學(xué)對(duì)應(yīng)的聲學(xué)知識(shí)相匹配，簡(jiǎn)化了關(guān)于軌道交通的其余復(fù)雜背景知識(shí)。同學(xué)們很容易接受，自然而然進(jìn)入情境開(kāi)始項(xiàng)目學(xué)習(xí)。

（二）項(xiàng)目學(xué)習(xí)材料的選擇整合

“STEM”理念教學(xué)重在將所學(xué)習(xí)的知識(shí)用于解決真實(shí)問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐動(dòng)手，這就要求項(xiàng)目開(kāi)展的可實(shí)操性很重要，如果一個(gè)項(xiàng)目需要的硬件材料獲取難度大，就不利于在課堂上開(kāi)展，材料價(jià)格高就不利于一些農(nóng)村學(xué)校項(xiàng)目開(kāi)展，因此材料的選擇準(zhǔn)備需要教師提早合理整合，使得項(xiàng)目實(shí)操搭建在課堂上成為可能。

例如：在開(kāi)展“溫州S1 線降噪模型”的項(xiàng)目制作時(shí)，教師以及學(xué)生活動(dòng)所需要的吸聲材料及分貝儀均可以從淘寶購(gòu)入，價(jià)格合理;所需要的模型制作工具如榔頭、鐵釘可以從學(xué)校實(shí)驗(yàn)室獲取。所用的降噪檢測(cè)設(shè)備模型由教師自行制作提供。所有項(xiàng)目學(xué)習(xí)材料如表 1，材料獲取簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。教學(xué)時(shí)，我們也可以盡可能多的考慮學(xué)生生活中容易回收使用的物品。

（三）知識(shí)背景的有效提煉整合

在進(jìn)行“STEM”課程學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師提供學(xué)生所需要幫助，項(xiàng)目開(kāi)展時(shí)，學(xué)生可能出現(xiàn)一些背景知識(shí)欠缺，而信息化時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)資源鋪天蓋地，初中階段學(xué)生有效知識(shí)提煉加工有困難，這就要求項(xiàng)目開(kāi)展前，教師事先提供一些已經(jīng)經(jīng)過(guò)提煉的知識(shí)，并結(jié)合教材知識(shí)，供小組討論。例如在進(jìn)行“降噪裝置的模型設(shè)計(jì)時(shí)”教師提供了如下資料包供學(xué)生研討。

信息鏈接：

資料1、聲音是一種能量，在傳遞過(guò)程中遇到波浪形或粗糙凸面障礙物，會(huì)使聲波阻隔，接觸面增大時(shí)會(huì)分解成許多比較弱的反射聲波，可以降噪。

資料2、任何材料都能吸收聲音，其中多孔材料（如毛氈、海綿）吸聲效果較好，多層疊加可增強(qiáng)其效果，其原理是使聲波深入材料空隙，受到空隙內(nèi)空氣摩擦，將聲能轉(zhuǎn)化為空氣熱能，從而吸聲降噪。

材料3、利用金屬薄板與金屬薄板夾一定厚度空氣腔，可形成共振吸聲材料，能有效降噪。其原理是薄板在聲波作用下產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生能量損耗，將聲能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而起到吸聲作用。而且吸聲面金屬薄板適當(dāng)穿孔后，形成穿孔板，板后空氣腔內(nèi)填充一定數(shù)量顆粒吸聲材料，最大吸聲系數(shù)可升高，但穿孔率不宜太高，一般1%～50%左右。當(dāng)穿孔小于一毫米時(shí)，板后沒(méi)有吸聲顆粒狀材料可以達(dá)到相同吸聲效果。

資料4、吸聲材料厚度越厚吸收效果越好。

二、優(yōu)化教學(xué)引導(dǎo)，滲透多學(xué)科知識(shí)

由于當(dāng)前初中科學(xué)教學(xué)內(nèi)容具有較強(qiáng)的綜合性屬性，與工程、數(shù)學(xué)、技術(shù)等學(xué)科都有一定的密切聯(lián)系，因此教師要有效結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和認(rèn)知水平，對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行合理引導(dǎo)，從而引領(lǐng)學(xué)生利用多學(xué)科知識(shí)完成項(xiàng)目的學(xué)習(xí)以及實(shí)踐。

例如：在進(jìn)行“溫州 S1 線降噪模型”教學(xué)的引入時(shí)，教師展示“三垟街道萬(wàn)科和園”居民反映S1 線噪音過(guò)大視頻及S1 線運(yùn)行經(jīng)過(guò)居民區(qū)的分貝儀測(cè)量噪音視頻，直觀的引起學(xué)生共鳴，引入項(xiàng)目。繼而追問(wèn)：為了降低軌道 S1 線運(yùn)行時(shí)帶來(lái)的噪音污染。你有哪些措施？學(xué)生頭腦風(fēng)暴提出各種措施，如：為 S1 線沿線造隔音壁（如圖 1），為車(chē)體下方輪軌兩側(cè)造隔音壁（如圖 2）。

教師展示鋪墊：甌海高架上拍攝的直立式隔音壁。進(jìn)一步引導(dǎo)：生活中的這些隔音壁的架構(gòu)是否是最佳隔音壁了，能否直接安裝在S1 線車(chē)體上？學(xué)生自然而然在教師精心設(shè)計(jì)的引導(dǎo)下，逐步激發(fā)思維，最終教師明確項(xiàng)目任務(wù)：為了從源頭上有效降低 S1 線運(yùn)行時(shí)帶來(lái)的噪音，請(qǐng)你幫助 S1 線車(chē)體設(shè)計(jì)制作降噪裝置——一面隔音壁。并制作出相應(yīng)模型供 S1 線技術(shù)工人參考，以便 S1 線技術(shù)工人對(duì)照模型的可行性進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)教師展示該項(xiàng)目開(kāi)展必須經(jīng)歷的過(guò)程圖（如圖3）。

教師的引導(dǎo)策略在項(xiàng)目實(shí)施時(shí)尤為重要，引導(dǎo)時(shí)將現(xiàn)實(shí)生活中真實(shí)的場(chǎng)景搬到課堂中來(lái)，讓學(xué)生貼近生活，不斷嘗試，并用科學(xué)知識(shí)、科學(xué)技能解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。解決問(wèn)題時(shí)學(xué)生會(huì)產(chǎn)生困惑，不斷試誤，糾正創(chuàng)新，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)不僅需要科學(xué)知識(shí)作為支架，實(shí)際制作時(shí)需要數(shù)學(xué)中的計(jì)算，產(chǎn)品要注重美觀， 還要考慮工程問(wèn)題等。

三、注重多元評(píng)價(jià)，促進(jìn)優(yōu)化提升

評(píng)價(jià)就是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的檢測(cè)反饋，過(guò)去學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)我們注重知識(shí)性評(píng)價(jià)，往往選擇形成性練習(xí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，或者布置學(xué)生一個(gè)探究任務(wù)，但是缺少后續(xù)跟進(jìn)?！癝TEAM”教學(xué)注重評(píng)價(jià)，將實(shí)踐搬到課堂中進(jìn)行，學(xué)生熱情高漲，通過(guò)學(xué)生自我評(píng)價(jià)，小組評(píng)價(jià)，組與組之間評(píng)價(jià)，產(chǎn)品評(píng)價(jià)等多種形式，評(píng)價(jià)方式模擬真實(shí)背景下出現(xiàn)的情況，讓學(xué)生真實(shí)的感受到一個(gè)產(chǎn)品生成的多個(gè)環(huán)節(jié)，以及涉及到多領(lǐng)域的知識(shí)。下面展示“溫州 S1 線降噪模型”項(xiàng)目學(xué)習(xí)中的部分評(píng)價(jià)量表：

四、引領(lǐng)思維發(fā)展，延伸項(xiàng)目學(xué)習(xí)

“STEM”教學(xué)往往以項(xiàng)目式展開(kāi)學(xué)習(xí)，而項(xiàng)目式學(xué)習(xí)又以一個(gè)個(gè)任務(wù)為中心，以解決生活中的一個(gè)真實(shí)具體的問(wèn)題而展開(kāi)。真實(shí)的問(wèn)題情境有利于激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知內(nèi)驅(qū)力，學(xué)生就會(huì)主動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究，即使在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到困難，興趣主導(dǎo)的內(nèi)驅(qū)力會(huì)促使學(xué)生積極思考想方設(shè)法解決問(wèn)題，在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中學(xué)生不拘泥于用單一方法解決問(wèn)題，嘗試多種思路多種方法解決，而一個(gè)真實(shí)問(wèn)題的解決有其特有的復(fù)雜性，因此在課堂上傾盡全班之力完成的項(xiàng)目依然有其不足，這就激發(fā)了學(xué)生繼續(xù)探究項(xiàng)目之外的內(nèi)容，教師一般要鼓勵(lì)學(xué)生采用生活中你認(rèn)為合理的材料繼續(xù)研究，這樣就實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)的課后延伸，促使學(xué)生思維的延續(xù)發(fā)展。

例如：在“檢測(cè)同學(xué)們制作的隔音壁的降噪效果”學(xué)習(xí)時(shí)，檢測(cè)設(shè)備（如圖4，圖 5），在現(xiàn)實(shí)檢測(cè)中應(yīng)該有什么特征，檢測(cè)注意事項(xiàng)有哪些，學(xué)生極大的調(diào)動(dòng)思維突破這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

又如，教師追問(wèn)，同學(xué)們制作的項(xiàng)目產(chǎn)品軌道 S1 線車(chē)體降噪隔音壁模型（如圖 6）仍然不是最完美的模型，與現(xiàn)實(shí)中的實(shí)物（類(lèi)似于圖7：在現(xiàn)實(shí)生活中軌道 S1 線的隔音壁尚沒(méi)有問(wèn)世，但是動(dòng)車(chē)車(chē)體上的隔音壁已經(jīng)在推廣使用。）有什么差距，同學(xué)們還可以繼續(xù)探究有沒(méi)有更好的吸聲材料可以替代本次項(xiàng)目學(xué)習(xí)材料，有沒(méi)有更環(huán)保的制作方式。

五、融合 STEM 理念，提煉教學(xué)模型

“STEM ”教學(xué)模型主要包括發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題并制定解決方案、協(xié)作學(xué)習(xí)并完成原型制作、解決問(wèn)題并展示作品、自我反思并發(fā)布作品五個(gè)階段。結(jié)合“STEM” 教學(xué)模型和對(duì)初中科學(xué)課堂探究教學(xué)的理解，我們提出了基于 STEM 理念的初中科學(xué)課堂教學(xué)模型，如下圖8。

由圖可看出，教學(xué)模型主要包含教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)程序、教學(xué)內(nèi)容，評(píng)價(jià)方式、和教學(xué)支架（問(wèn)題、任務(wù)）等教學(xué)元素。整個(gè)教學(xué)是以項(xiàng)目任務(wù)為載體的基于問(wèn)題解決的教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生的“STEM”和科學(xué)素養(yǎng)為根本目標(biāo)，在該目標(biāo)的指導(dǎo)下，在教學(xué)中設(shè)計(jì)了“觀察發(fā)現(xiàn)→設(shè)計(jì)方案→合作實(shí)踐→評(píng)價(jià)分享→拓展延伸”不同維度的五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。教師主要負(fù)責(zé)在各個(gè)階段觀察任務(wù)完成的程度并提供必要的問(wèn)題引領(lǐng)，將學(xué)生要學(xué)習(xí)的知識(shí)概念與問(wèn)題情景及前知識(shí)聯(lián)系起來(lái);鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)，在“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題→交流問(wèn)題→解決問(wèn)題→拓展問(wèn)題”中多學(xué)科、多視角的完成任務(wù);提供多樣、多維和多元的評(píng)價(jià)，在反思、交流、評(píng)價(jià)過(guò)程中促進(jìn)元認(rèn)知，提升學(xué)習(xí)力。整個(gè)教學(xué)過(guò)程將科學(xué)和“STEM”相關(guān)學(xué)科融合在一起，讓學(xué)生在收獲蘊(yùn)含在真實(shí)問(wèn)題情景中知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)高階思維能力，達(dá)成雙向目標(biāo)。

“STEM”作為一種全新的、跨學(xué)科的教育理念，為我們科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)提出了新的思路和挑戰(zhàn)。本文僅是對(duì)融合“STEM”理念的初中科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的研究，旨在探索實(shí)現(xiàn)“STEM”理念與科學(xué)課堂的無(wú)縫融合，讓“STEM”素養(yǎng)目標(biāo)和科學(xué)素養(yǎng)目標(biāo)真正的落地。

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