基于A-STEM 理念的跨學(xué)科課程實(shí)踐與反思
——以“超聲波測量平均速度”為例

四川省成都市龍舟路小學(xué) 邢 飛

一、項(xiàng)目背景

當(dāng)代，任何重大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和科技問題都是復(fù)雜的綜合性問題，需要綜合運(yùn)用多學(xué)科、跨學(xué)科的知識(shí)和方法才能順利攻克，因此重視培養(yǎng)和造就跨學(xué)科人才已成為世界各國教育的一種新的趨勢。理論發(fā)展與教育實(shí)踐不總是平衡的，當(dāng)前跨學(xué)科綜合教育課程已經(jīng)取得長足發(fā)展，但發(fā)展的過程仍伴隨著一些問題。STEM 教育理念強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科整合，有人將其等同于綜合實(shí)踐活動(dòng)，認(rèn)為多個(gè)學(xué)科教師在一起開展了學(xué)習(xí)活動(dòng)就是跨學(xué)科，其實(shí)不然?？鐚W(xué)科課程一旦離開了學(xué)科基礎(chǔ)，很容易流于形式，當(dāng)學(xué)生對(duì)單個(gè)學(xué)科中的思想了解甚少或根本不了解時(shí)，跨學(xué)科間建立聯(lián)系也是困難的。學(xué)科學(xué)習(xí)才是基礎(chǔ)，一味地強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科整合，甚至把跨學(xué)科的價(jià)值凌駕于單學(xué)科之上，可能是有害的。

基于上述問題，教育界也提出了相應(yīng)的教育策略與發(fā)展規(guī)劃，如深圳市龍崗區(qū)教育局于2018 年7 月頒布的《深圳市龍崗區(qū)A-STEM 課程建設(shè)指導(dǎo)意見》中提出A-STEM 新型教育理念，與常見的STEM 教育不同，A-STEM 教育是由“三駕馬車”驅(qū)動(dòng)，即學(xué)科核心概念、跨學(xué)科概念和項(xiàng)目實(shí)踐，三駕馬車不是三駕獨(dú)立的馬車，而是指三匹馬合力拉一輛馬車，它們朝著共同的方向協(xié)同使力。對(duì)于A-STEM 教育而言，這三匹馬各有分工又相互合作——學(xué)科核心概念是基礎(chǔ)，跨學(xué)科概念是連接不同學(xué)科的核心，項(xiàng)目實(shí)踐是方法。

新型A-STEM 教育理念強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科課程內(nèi)容的獨(dú)立與統(tǒng)一，對(duì)跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施具有很大的指導(dǎo)意義。筆者與學(xué)科教師經(jīng)過充分研討，發(fā)現(xiàn)在測量平均速度這一物理實(shí)驗(yàn)中，原實(shí)驗(yàn)方法存在諸多缺陷，例如，人工計(jì)時(shí)誤差太大、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過于簡單、對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維鍛煉不到位、實(shí)驗(yàn)方法毫無拓展空間等?；贏-STEM 教育理念，筆者提煉出原實(shí)驗(yàn)中的學(xué)科核心知識(shí)，結(jié)合信息化電子元件和編程思想改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)。

希望通過這次跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建各學(xué)科知識(shí)體系間的聯(lián)系，提升跨學(xué)科解決問題的能力，以及能夠深入思考信息能力、新工具和課堂知識(shí)的結(jié)合方式，真正成為學(xué)習(xí)的主人。

二、項(xiàng)目目標(biāo)

在設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)前，筆者進(jìn)行了充分的學(xué)情分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生已經(jīng)具備圖形化編程的邏輯思維能力、搭建開源硬件的動(dòng)手能力，掌握了關(guān)于平均速度的基礎(chǔ)知識(shí)，且對(duì)新功能元件有強(qiáng)烈的好奇心、探索欲。筆者充分考慮學(xué)生的認(rèn)知情況，結(jié)合A-STEM 理念進(jìn)行了教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)。

（一）知識(shí)與技能

一是理解超聲波傳感器測速的工作原理（科學(xué)）；二是搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)M場景以及測速元件系統(tǒng)（工程、藝術(shù)）；三是運(yùn)用嵌入式編程手段控制超聲波傳感器測量數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)可視化（技術(shù)）；四是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出平均速度，加深對(duì)平均速度的理解（數(shù)理）。

（二）過程與方法

一是掌握超聲波傳感器的使用（科學(xué)、技術(shù)）；二是體會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)操作、記錄數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的完整過程（技術(shù)、數(shù)理）。

（三）情感態(tài)度與價(jià)值觀

一是通過借助開源硬件及軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升信息素養(yǎng)；二是培養(yǎng)認(rèn)真仔細(xì)、不斷改進(jìn)的科學(xué)態(tài)度，以及正確、實(shí)事求是測量和記錄數(shù)據(jù)的良好作風(fēng)。

三、重難點(diǎn)分析

遵循A-STEM 教育理念，本實(shí)驗(yàn)以物理公式v=s/t 為學(xué)科核心基礎(chǔ)，以超聲波傳感器為工具，結(jié)合編程思想，設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)踐方案，從而達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果和能力提升。從這一理念出發(fā)，筆者對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了梳理，并分析了重難點(diǎn)的突破策略。

（一）項(xiàng)目重點(diǎn)

本次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重點(diǎn)是理解超聲波傳感器測速、測距的工作原理，模仿并抽象出實(shí)驗(yàn)場景、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法、記錄和整理數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而進(jìn)一步掌握物體運(yùn)動(dòng)的平均速度的含義和求解方法。

（二）項(xiàng)目難點(diǎn)

本次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的難點(diǎn)是根據(jù)搭建的場景和實(shí)驗(yàn)方案，運(yùn)用嵌入式編程手段控制超聲波傳感器測量數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的可視化。

（三）重難點(diǎn)突破策略

1.生活經(jīng)驗(yàn)與物理公式相結(jié)合

在實(shí)驗(yàn)開始前，教師為學(xué)生提供高速公路上測速儀的工作視頻，喚起學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，再將生活中電子測速儀的工作方式抽象為物理形式的簡單動(dòng)畫，便于學(xué)生理解和模仿如何根據(jù)公式v=s/t 實(shí)際測量一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的平均速度。

2.制作超聲波傳感器的使用手冊

這本使用手冊針對(duì)超聲波傳感器的連線方式以及編程模塊進(jìn)行了詳細(xì)的講解，并為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了相關(guān)表格。學(xué)生參照手冊中的講解輔助實(shí)驗(yàn)過程，逐步填寫表格，可降低實(shí)驗(yàn)難度，但不會(huì)降低實(shí)驗(yàn)拓展深度。

3.異質(zhì)分組，合作探究

課前教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行了充分的學(xué)習(xí)進(jìn)度和能力調(diào)查，分組時(shí)，教師在尊重學(xué)生意愿的前提下，保證小組各組員間能力有別，能夠有針對(duì)性的任務(wù)分工，同時(shí)也提供了學(xué)生間相互學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。

4.采用信息化手段優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程

在實(shí)驗(yàn)過程中，教師鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用電腦解決遇到的問題、進(jìn)行資料拓展搜集以及代碼注釋等。在評(píng)價(jià)方面，教師重視過程性反饋和評(píng)價(jià)，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程給予反饋，并做好記錄。

跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施流程

四、項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)施

本次跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要是為了引導(dǎo)學(xué)生跨學(xué)科解決問題、研究性學(xué)習(xí)，體驗(yàn)完整的實(shí)驗(yàn)過程，解決生活中的真實(shí)問題。項(xiàng)目實(shí)施流程包含“四階段、十環(huán)節(jié)”（如上圖所示）。

以下為實(shí)驗(yàn)的具體流程。

（一）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，確定實(shí)驗(yàn)器材，搭建實(shí)驗(yàn)場景

學(xué)生初步制定的實(shí)驗(yàn)方案為：在斜面上搭建兩個(gè)超聲波傳感器，根據(jù)小車與超聲波傳感器的距離，采集被測試小車接觸時(shí)間和離開時(shí)間，經(jīng)計(jì)算將運(yùn)動(dòng)時(shí)間顯示在屏幕上。

需要的實(shí)驗(yàn)器材有：斜面、刻度尺、小車、超聲波傳感器、UNO 主控板、顯示屏、電池盒。

（二）編程實(shí)現(xiàn)具體功能及數(shù)據(jù)可視化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生利用編程手段獲取需要的原始數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理后的有效數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，便于讀取記錄。

（三）分層次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并真實(shí)記錄數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為兩個(gè)層次，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每個(gè)層次進(jìn)行3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。小車從頂部出發(fā)，學(xué)生分別測量通過斜面全程（0.30m）和斜面下半部分（0.15m）的時(shí)間，進(jìn)一步根據(jù)公式計(jì)算出兩者的平均速度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)誤差基本控制在0.01s 左右。學(xué)生總結(jié)出的初步結(jié)論為：全程小車的平均速度是0.57m/s，下半段路程小車的平均速度是0.82m/s。

（四）分析數(shù)據(jù)，延伸總結(jié)

基于A-STEM 教育理論的跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)不僅僅局限于表面現(xiàn)象，而是要進(jìn)一步從現(xiàn)象找規(guī)律，才能全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。學(xué)生再次分析數(shù)據(jù)，得到延伸結(jié)論：小車在斜面上做的是變速直線運(yùn)動(dòng)，小車從斜面頂端滑下，運(yùn)動(dòng)速度越來越大。

（五）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)一步減小誤差

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開放度很高，借助超聲波傳感器有多種方案都可測量出平均速度，前面的方案中使用了兩個(gè)傳感器，不僅耗材還增大了誤差。提出問題后學(xué)生自主搜集資料，經(jīng)過充分思考討論后提出兩種新方案。

方案一：多增加一個(gè)車體長度數(shù)據(jù)，將超聲波傳感器放置于斜面?zhèn)炔?，測量小車開始經(jīng)過至完全經(jīng)過超聲波傳感器的時(shí)間，速度可以表示為v=L車長/（t’-t’’）

方案二：將超聲波傳感器放置于斜面底部正對(duì)小車，測量小車由遠(yuǎn)距離點(diǎn)s1到近距離點(diǎn)s2的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，速度可以表示為v=（s1-s2）/（t’-t’’）

通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，只使用一個(gè)超聲波傳感器測試時(shí)間，這樣在減少傳感器使用的同時(shí)也減少了誤差，讓學(xué)生從細(xì)節(jié)處養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究態(tài)度。

五、總結(jié)與反思

從分析實(shí)例、設(shè)計(jì)方案、搭建場景、編寫功能、分析數(shù)據(jù)、延伸總結(jié)到最后的提升改進(jìn)，學(xué)生經(jīng)歷了完整的跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)過程，各組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程也記錄得十分詳細(xì)、嚴(yán)謹(jǐn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)束后，筆者通過問卷星調(diào)查了解到絕大多數(shù)學(xué)生非常認(rèn)可此次跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，表示各方面能力切實(shí)得到了提升。將物理知識(shí)與信息化工具、手段結(jié)合起來解決生活中的問題，對(duì)學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)工具產(chǎn)生了新的思考。通過對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的分析，筆者認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng)、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、跨學(xué)科解決問題能力有重要意義。

筆者認(rèn)為以下五項(xiàng)策略是跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)得以順利完成的保證，同樣適用于其他學(xué)科融合的案例。

第一，從學(xué)科核心知識(shí)出發(fā)，最終落腳于學(xué)科核心知識(shí)的延伸。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以“平均速度公式v=s/t”為理論基礎(chǔ)，從學(xué)生熟悉的學(xué)科核心知識(shí)出發(fā)，融合跨學(xué)科概念即以圖形化編程為載體，借助模塊化電子元件進(jìn)行實(shí)踐，驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)學(xué)科核心知識(shí)的升華。學(xué)科核心知識(shí)既作為理論支撐與實(shí)驗(yàn)前提，又保證了相對(duì)獨(dú)立，既不囿于課本課程的說教體驗(yàn)，又實(shí)現(xiàn)了在教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上的突破創(chuàng)新，充分保證了學(xué)生自主學(xué)習(xí)與思維創(chuàng)新的結(jié)合。

第二，從熟悉的方式與工具出發(fā)引導(dǎo)思維創(chuàng)新與突破。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生對(duì)圖形化編程已經(jīng)非常熟悉，超聲波在生活中也有廣泛應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上的學(xué)科融合才是有意義的，實(shí)現(xiàn)了1+1 ＞2 的效果，避免了片面求新求異的課程格局，使跨學(xué)科知識(shí)能真正落實(shí)應(yīng)用。通過創(chuàng)設(shè)新實(shí)驗(yàn)方案將熟悉的轉(zhuǎn)化為新奇的，在已經(jīng)掌握的知識(shí)之間建立起相互聯(lián)系的體系框架，從而自然地培養(yǎng)起學(xué)生綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決問題的能力與思維。

第三，異質(zhì)分組實(shí)踐。學(xué)科融合強(qiáng)調(diào)的是不同學(xué)科能力綜合運(yùn)用，而學(xué)生個(gè)體在學(xué)科基礎(chǔ)、綜合應(yīng)用能力、性格特點(diǎn)乃至性別、家庭背景等方面都是不同且互補(bǔ)的。異質(zhì)分組探究完成項(xiàng)目，不僅能讓學(xué)生掌握課堂知識(shí)，還有利于學(xué)生之間相互切磋學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮分組合作的意義。

第四，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)具備較高的開放程度，避免天花板效應(yīng)。通過跨學(xué)科綜合應(yīng)用的組織與升級(jí)，能夠生成多樣化的衍生實(shí)驗(yàn)方案，有利于學(xué)生拓展思維，進(jìn)一步探索學(xué)習(xí)。同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)探究，有利于學(xué)生進(jìn)一步探索跨學(xué)科知識(shí)融合，不會(huì)限制高層次學(xué)生的發(fā)展。

第五，重視解決問題的思維培養(yǎng)。本實(shí)驗(yàn)不單單要求學(xué)生靈活掌握學(xué)科核心知識(shí)，更重要的是形成跨學(xué)科綜合應(yīng)用知識(shí)的意識(shí)，培養(yǎng)利用綜合知識(shí)解決問題的思維傾向，摒棄學(xué)科知識(shí)只為應(yīng)試的傳統(tǒng)思維慣性，而使學(xué)生更多地將學(xué)習(xí)能力轉(zhuǎn)移到具體實(shí)踐內(nèi)容當(dāng)中，在生活中能夠主動(dòng)學(xué)會(huì)與利用跨學(xué)科的技術(shù)來解決問題。

跨學(xué)科課程的實(shí)踐，不僅培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用、跨學(xué)科解決問題的能力，提升了信息素養(yǎng)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，真正實(shí)現(xiàn)了素質(zhì)教育，還讓學(xué)生對(duì)新型學(xué)習(xí)方式產(chǎn)生思考。信息技術(shù)的普遍使用促進(jìn)了跨學(xué)科教學(xué)的發(fā)展，運(yùn)用信息技術(shù)開展跨學(xué)科人才培養(yǎng)勢在必行。未來中國將成為科技世界的中心，面對(duì)巨大的挑戰(zhàn)，只有具備綜合能力的新型人才才有足夠的競爭力，因此父母和教師應(yīng)該多關(guān)注教育和未來的趨勢，教育理念應(yīng)該符合未來的世界需求，而不是現(xiàn)在，更不是過去。