基于溫度與氣溫的小學(xué)STEM教育項目化探索

林波　狄勇

項目背景

STEM的教育理念已廣獲認可，被認為是未來學(xué)校發(fā)展的生長點、課程改革的著力點、學(xué)習(xí)方式的變革點、教師專業(yè)提升的支撐點。我國各地雖然涌現(xiàn)了豐富的STEM課程案例，但這些成果往往缺乏可復(fù)制性，國內(nèi)STEM課程開發(fā)難度大、時空掣肘多、環(huán)境依賴程度高、課程惠及面窄，這些無法回避的現(xiàn)實問題亟待破解。

我們認為，在國家課程中嵌入STEM教育，輔以其他課程形態(tài)進行補充，或是一種相對現(xiàn)實和有效的STEM教育本土落地路徑。作為參與到科學(xué)教學(xué)的信息科技教師，出于直覺天性，我們在科學(xué)課程中，將STEM作為一種教學(xué)方法進行了粗淺嘗試。本文以教育科學(xué)出版社小學(xué)科學(xué)四年級上冊“溫度與氣溫”一課為例，以制作數(shù)字化測溫裝置為驅(qū)動目標，探究STEM教育的實踐路徑。

教學(xué)目標

知識與技能 了解溫度與氣溫的概念，會用MakeCode編輯器編寫簡易的測溫程序。

過程與方法 選擇正確的方式測量和記錄氣溫，完成實驗記錄。

情感態(tài)度與價值觀 培養(yǎng)對氣溫變化的研究興趣，理解長期測量和記錄數(shù)據(jù)的重要性。

基于STEM的目標重構(gòu)

1.驅(qū)動性問題：如何用micro：bit制作數(shù)字化測溫裝置用以探究溫度與氣溫？

2.課程領(lǐng)域：科學(xué)、信息科技。

教學(xué)重點與難點

教學(xué)重點 選擇測量氣溫的環(huán)境，完成實驗記錄表。

教學(xué)難點 正確測量，并能堅持記錄。

教學(xué)準備

1.安裝有MakeCode編輯器的機房環(huán)境。

2.對學(xué)生進行分組，機房操作以2人為一組，測溫實驗以4—6人為一組。

3.每組配備micro：bit、數(shù)據(jù)線、電池盒（含電池）各一個。

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入

師：氣溫是指室外陰涼、通風(fēng)地方的溫度，通過觀察和測量我們周圍大氣的溫度，我們就可以知道當(dāng)?shù)氐臍鉁?。那我們?nèi)绾蝸碛^測周邊環(huán)境的溫度呢？

學(xué)生思考討論，預(yù)設(shè)學(xué)生答案：可以用溫度計。

師：對，除了溫度計外，我們還可以用micro：bit制作一個數(shù)字化測溫裝置。

二、儀器標定

師：micro：bit并沒有獨立的溫度傳感器，它是通過監(jiān)測CPU的芯片溫度來反映所處環(huán)境的溫度（如圖1），雖然能反映環(huán)境溫度的高低變化，但在精確性上會打折扣，所以我們要進行儀器標定。

（一方面在其中滲透了信息科技課基本程序設(shè)計的教學(xué)目標，另一方面也借此復(fù)習(xí)了傳統(tǒng)溫度計的使用，滿足科學(xué)課的教學(xué)目標要求。）

教師通過電子教室的文件傳輸功能將基于micro：bit的溫度與氣溫實驗記錄表（見表1）發(fā)放到學(xué)生機桌面，要求學(xué)生用Word編輯，在實驗過程中通過填寫電子表格完成記錄。

（雖然是一張簡單的表格，但從信息科技學(xué)科的角度來看，對剛剛進入四年級的學(xué)生而言，要完美完成任務(wù)就涉及了文件重命名、中英文輸入、光標定位、文件夾管理等知識點，也是小小的挑戰(zhàn)。）

教師調(diào)查學(xué)生對MakeCode編輯器的基礎(chǔ)操作知識掌握情況，并根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)，演示講解相關(guān)知識。演示的第一個程序相當(dāng)于“HELLO WORLD”，相關(guān)環(huán)節(jié)采取演示法進行教學(xué)。

得益于micro：bit較低的入門門檻，經(jīng)過15分鐘的演示教學(xué)后，學(xué)生均能編寫出一個通過點陣屏顯示溫度的程序，如圖2。

隨后教師進行了一輪溫度計使用的提示和安全教育，并由課代表和班長協(xié)助發(fā)放溫度計，學(xué)生讀數(shù)并記錄數(shù)據(jù)，如圖3。

學(xué)生們發(fā)現(xiàn)，即便是同型號的玻璃溫度計，讀數(shù)都有差異，思辨就此引發(fā)。

發(fā)現(xiàn)規(guī)律后，學(xué)生著手討論和改進程序，對儀器進行校準。這里涉及編輯器數(shù)學(xué)模塊的使用，邏輯上很簡單，難點反倒是積木塊的定位、嵌套所涉及的鼠標拖放操作。

三、氣溫測量

出于學(xué)科教學(xué)任務(wù)、課時局限以及不增加學(xué)生負擔(dān)的考慮，筆者并未另行設(shè)計和印制實驗記錄表，而是結(jié)合科學(xué)作業(yè)本，讓學(xué)生分組領(lǐng)取電池盒后執(zhí)行測溫實驗，分別測量并記錄教室內(nèi)的溫度、走廊的溫度、陽光下的溫度、背陰處的溫度，如圖4。

四、思辨總結(jié)

STEM教學(xué)中，學(xué)生的交流互動、反思總結(jié)是非常重要的環(huán)節(jié)。批判性思維的迸發(fā)離不開這一環(huán)節(jié)的鍛造。受限于學(xué)科教學(xué)進度，我們將這一環(huán)節(jié)融入了作業(yè)的講評中。

圖5是學(xué)生的作業(yè)本，我們的實驗針對的是第一題“測一測”的內(nèi)容，所以作業(yè)本也是實驗現(xiàn)場的記錄本。

而原本考慮印發(fā)填寫的學(xué)習(xí)支架表（見表2）則受限于課時，被用來引導(dǎo)學(xué)生課堂上分組討論后口頭回答。

五、課堂延伸

STEM課程引人入勝的地方在于課程開展時，會產(chǎn)生很多由師生共同創(chuàng)生的有趣的“意外”和多樣的“可能”，這些“旁生枝節(jié)”成了社團活動課的優(yōu)質(zhì)素材。作為項目補充，在社團活動課上，學(xué)生們重點探究了他們最關(guān)心的問題——空氣流動速度對溫度的影響。為數(shù)字化實驗裝置的變量控制提供改進思路。

第一階段，從各組得到的實驗結(jié)果來看，結(jié)論均為空氣流動速度的快慢對micro：bit感知溫度沒有影響。但是學(xué)生們又覺得這個情況似乎不符合人體的實際感受，因為夏天里風(fēng)扇會帶給人體清涼的感覺，哪怕酷暑時節(jié)，人在游泳后從水中上岸，一旦吹到風(fēng)，也會冷到哆嗦。

在教師的指引下，經(jīng)過頭腦風(fēng)暴，學(xué)生們猜測是因為人體表面有汗液、水滴，這時空氣快速流動才導(dǎo)致人體表面溫度迅速降低，于是開啟了第二階段的實驗，如圖6。

各組第二階段的實驗結(jié)果說明，如果micro：bit所處環(huán)境濕度大，空氣加速流動后會導(dǎo)致micro：bit檢測到的溫度明顯下降。所以，為了保證自制數(shù)字化測溫裝置的準確可靠，還是應(yīng)該避免micro：bit直接受風(fēng)受潮。

實踐反思

顯而易見，本課采用STEM的教學(xué)理念有效激發(fā)了學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，順利完成了教學(xué)任務(wù)，其效果應(yīng)該是在學(xué)科教學(xué)目標上的錦上添花，至少不存在弱化學(xué)科目標的副作用。所以授課方式比授課內(nèi)容更易引發(fā)學(xué)生的興趣。

對課堂上的大部分學(xué)生而言，他們所經(jīng)歷的STEM學(xué)習(xí)還缺少深度，只有少數(shù)參與社團活動課的學(xué)生獲得了深入探究的機會。但“教育不是注滿水桶，而是點燃火種”，希望日后能在面向全體學(xué)生的前提下，適當(dāng)?shù)貙TEM理念嵌于各門學(xué)科的日常教學(xué)中以拓展教學(xué)的廣度，再輔以社團活動、選修課等課堂形態(tài)延伸教學(xué)的深度，引發(fā)學(xué)生強烈的內(nèi)驅(qū)力，實現(xiàn)“基礎(chǔ)扎實”與“能力發(fā)展”的齊頭并進。

林波 浙江省寧波市廣濟中心小學(xué)信息科技教師，近年來一直從事小學(xué)創(chuàng)客教育和STEM教育。參與的課題《玩創(chuàng)相融：小學(xué)創(chuàng)新啟蒙教育實踐探索》獲2021年浙江省基礎(chǔ)教育教學(xué)成果一等獎，指導(dǎo)學(xué)生多次在全國、省、市獲佳績。

狄勇 浙江省寧波市廣濟中心小學(xué)信息科技教師、寧波市學(xué)科骨干教師、市教壇新秀。指導(dǎo)學(xué)生獲浙江省青少年科技創(chuàng)新大賽一等獎等獎項二十余項。著有《micro：bit超好玩·米爸帶你學(xué)編程》，由人民郵電出版社出版。