STEM視角下的初中科學(xué)課堂教學(xué)實(shí)踐研究

劉鋒

［摘 要］文章以“變阻器”教學(xué)為例，以電位器（變阻器）作為“暗箱”引入，將揭秘電位器的工作原理作為動(dòng)力要素；以問題鏈為驅(qū)動(dòng)，圍繞滑動(dòng)變阻器的制作過程展開教學(xué)；基于STEM視角，結(jié)合構(gòu)造式教學(xué)，進(jìn)行融合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)，展示基于STEM視角的初中科學(xué)課堂教學(xué)實(shí)踐。

［關(guān)鍵詞］STEM視角；初中科學(xué)；教學(xué)實(shí)踐；變阻器

［中圖分類號］? ? G633.98? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）17-0096-04

一、STEM及其教學(xué)訴求

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)英文首字母的縮寫，科學(xué)的目的是認(rèn)識(shí)世界并解釋自然現(xiàn)象的本質(zhì)規(guī)律；工程和技術(shù)是在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上對世界進(jìn)行改造，從而實(shí)現(xiàn)與自然界和諧共處、解決社會(huì)發(fā)展過程中遇到的難題；數(shù)學(xué)則是基礎(chǔ)工具［1］。

STEM課程重點(diǎn)加強(qiáng)學(xué)生如下四個(gè)方面素養(yǎng)的培育。第一，科學(xué)素養(yǎng)，即運(yùn)用科學(xué)知識(shí)理解自然界，并參與影響自然界所表現(xiàn)出來的能力。第二，技術(shù)素養(yǎng)，即管理、使用、評價(jià)和理解技術(shù)的能力。第三，工程素養(yǎng)，即對技術(shù)工程的開發(fā)與設(shè)計(jì)過程的理解。第四，數(shù)學(xué)素養(yǎng)，即學(xué)生在發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解釋和解決多種情境下的數(shù)學(xué)問題的能力［2］。

實(shí)施基于STEM視角的初中科學(xué)教學(xué)有利于改變單一追求科學(xué)知識(shí)以及驗(yàn)證科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)模式，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、制作產(chǎn)品、操控儀器等方式提高學(xué)生的動(dòng)手能力；在探究過程中通過數(shù)學(xué)的定量描述與邏輯推理提高學(xué)生分析與解決問題的能力；在“制作產(chǎn)品”的過程中實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究向STEM的轉(zhuǎn)變，提高學(xué)生的多重素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

二、基于STEM視角的“變阻器”課堂教學(xué)實(shí)踐

下面以浙教版科學(xué)教材八年級上冊第4章第4節(jié)“變阻器”為例，展示基于STEM視角的初中科學(xué)課堂教學(xué)實(shí)踐。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，產(chǎn)生“暗箱”效應(yīng)

教師將音響放在學(xué)生課桌旁并播放音樂，且故意將音量開得很大，使學(xué)生產(chǎn)生煩躁感，然后讓學(xué)生降低音量。

師：為什么旋轉(zhuǎn)旋鈕聲音會(huì)變?。?/p>

生：可能是改變了電阻導(dǎo)致電流變小，從而使聲音變小。

師：如何證明？

學(xué)生無法直接測量音箱內(nèi)部的電流。教師拆解音箱的調(diào)音旋鈕，發(fā)現(xiàn)里面有一個(gè)電位器（見圖1）。于是提出問題：電位器是如何工作的？

設(shè)計(jì)意圖：立足生活，挖掘與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的工程技術(shù)素材，讓科學(xué)知識(shí)融入現(xiàn)實(shí)生活，體現(xiàn)科學(xué)知識(shí)與技術(shù)的融合。以“暗箱”模式設(shè)計(jì)教學(xué)能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，快速引出教學(xué)主題。

（二）引導(dǎo)探究，搭建“支架”

師：通過旋轉(zhuǎn)電位器是否真能改變電路中的電流大小呢？

學(xué)生小組合作設(shè)計(jì)電路。用導(dǎo)線將電源、開關(guān)、小燈泡、電流表、電位器等實(shí)驗(yàn)器材串聯(lián)起來（見圖2）。觀察電位器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電位器有三個(gè)接線柱，學(xué)生在連接過程中探究具體的連接方法。連接好后旋轉(zhuǎn)旋鈕，觀察燈泡的亮度變化和電流表的變化并將數(shù)據(jù)記錄在表格（見表1）中。（電位器規(guī)格較多，要使實(shí)驗(yàn)效果明顯，需選擇最大阻值較小的電位器）

通過探究以及結(jié)合原有認(rèn)知，學(xué)生能夠確定電位器是通過改變電阻大小來實(shí)現(xiàn)電路中的電流變化，從而改變音量的大小的。繼而引發(fā)關(guān)鍵性問題：這其實(shí)就是一個(gè)旋鈕式變阻器，這么小的一個(gè)結(jié)構(gòu)是如何實(shí)現(xiàn)電阻大小的連續(xù)性變化的呢？這為本節(jié)課的核心變阻器的設(shè)計(jì)搭建了支架，讓學(xué)生從實(shí)際應(yīng)用場景中回到科學(xué)知識(shí)本身。

（三）以問題鏈為驅(qū)動(dòng)，體驗(yàn)工程設(shè)計(jì)

物理學(xué)科本身與技術(shù)和工程設(shè)計(jì)有著潛在的聯(lián)系，變阻器的內(nèi)容就是其中的典型之一。教學(xué)中，教師可將變阻器的設(shè)計(jì)當(dāng)作學(xué)習(xí)情境和動(dòng)力要素，不作為學(xué)習(xí)目標(biāo)，而是作為一種教學(xué)方法，以問題鏈為驅(qū)動(dòng)，利用多個(gè)微探究組合的方式滲透思想方法，讓學(xué)生體驗(yàn)工程設(shè)計(jì)的過程。

實(shí)驗(yàn)器材：棉線、鉛筆芯、鎳鉻合金絲、銅絲、紙筒、塑料筒、金屬筒、學(xué)生電源、開關(guān)、導(dǎo)線、小燈泡和鱷魚夾等。

師：你認(rèn)為電位器（旋鈕式變阻器）在旋轉(zhuǎn)的過程中是如何改變電阻的呢？為什么？

生1：通過改變長度來改變電阻。要改變導(dǎo)體的橫截面積、材料或溫度，單純靠旋轉(zhuǎn)很難改變，只有改變長度。

師（展示棉線、鎳鉻合金絲、銅絲和碳棒）：那就讓我們一起來利用這些實(shí)驗(yàn)材料連接電路，制作一個(gè)通過改變長度來改變電阻的變阻器吧！

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)（見圖3）。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并討論得出實(shí)現(xiàn)結(jié)論：棉線是絕緣體，銅絲電阻很小無法改變亮度，鎳鉻合金絲和碳棒都能改變亮度，電流表的示數(shù)也有明顯變化，但變化程度不同。

師：你會(huì)選擇哪一種材料來制作滑動(dòng)變阻器呢？請說明設(shè)計(jì)意圖。

生2：選擇碳棒。因?yàn)闊襞莸牧炼茸兓黠@，而且碳的價(jià)格便宜。

生3：我不同意生2的說法，因?yàn)樘及艏娱L容易斷裂。

生4：選擇鎳鉻合金絲。因?yàn)殒囥t合金絲具有一定的延展性，柔韌性也比較好。當(dāng)改變接入電路的有效長度時(shí)，燈泡的亮度變化明顯。

師：還有沒有辦法讓燈泡變得更暗呢？

生5：用更長的鎳鉻合金絲。

師：鎳鉻合金絲太長有什么弊端呢？有沒有辦法可以解決這個(gè)弊端？

生6：攜帶不方便，可以纏繞起來。

師（呈示紙筒、銅管、塑料管、陶瓷筒）：如果要把很長的鎳鉻合金絲塞入這個(gè)小巧的電位器，必定是要纏繞的，那么應(yīng)纏繞在哪里合適呢？

生7：銅管會(huì)導(dǎo)電所以排除，其他三種材料都不導(dǎo)電，紙筒容易彎折，塑料筒和陶瓷筒都可以。

師：大家都很聰明！陶瓷比塑料更耐熱，所以更好一些，今天老師給大家?guī)砹怂芰瞎?，讓我們一起來完成纏繞吧！

學(xué)生活動(dòng)：將一根較長的鎳鉻合金絲纏繞到塑料管上，用膠布固定（見圖4），連入電路中調(diào)節(jié)燈泡亮暗，檢驗(yàn)是否可用。學(xué)生匯報(bào)并展示活動(dòng)成果，不同小組的纏繞疏密程度不同。

師：是疏的好還是密的好？

生8：密的好，密一點(diǎn)可以卷更長的鎳鉻合金絲。

生9：不能太密，因?yàn)闀?huì)碰到一起從而造成短路。

師：手工纏繞往往比較粗糙。（展示工廠制作纏繞好的鎳鉻合金絲，如圖5所示）有沒有辦法既能纏繞得緊密又不會(huì)短路？

生10：包上絕緣層，比如橡膠（見圖6）。

教師肯定學(xué)生的回答，并介紹漆包合金絲（見圖7），采用涂上絕緣漆的方法既能絕緣又不明顯增加厚度。（展示工廠制作纏繞好的鎳鉻合金絲并且固定兩端形成兩個(gè)接線柱，如圖8所示）

師：如果把這個(gè)裝置接入電路應(yīng)該如何改變電阻呢？（教師演示鱷魚夾無法夾?。┠銈冇袥]有發(fā)現(xiàn)什么問題？

生11：鱷魚夾無法夾住上方的鎳鉻合金絲，而且鎳鉻合金絲的外面有絕緣漆無法導(dǎo)電。

師：為了能夠連接電阻絲應(yīng)該將鱷魚夾換成什么裝置呢？如何使其與金屬絲接通呢？

生12：可以用一個(gè)類似滑片的裝置，將滑片與電阻絲接觸部分的漆除去。

教師展示滑片并將鱷魚夾夾在滑片上（見圖9）。

師：變阻器已經(jīng)初步成型了，這樣接入電路使用方便嗎？你會(huì)如何改進(jìn)？

通過展示拍攝電影時(shí)用滑軌保持穩(wěn)定，最終引出軌道的設(shè)計(jì)。教師展示并組裝成型（見圖10），利用金屬桿作為滑桿可以當(dāng)成導(dǎo)線，兩端便是兩個(gè)接線柱，鱷魚夾可以夾在兩端的接線柱上。

通過一系列問題的設(shè)置，開展師生互動(dòng)和生生互動(dòng)，進(jìn)行有效的交流和討論，中間穿插實(shí)驗(yàn)和技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容指導(dǎo)，讓學(xué)生從技術(shù)層面一步一步完成滑動(dòng)變阻器模型的構(gòu)建，體驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)的融合和工程設(shè)計(jì)的樂趣。

（四）探究實(shí)際應(yīng)用，體驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)

學(xué)生在課堂上建立的模型比較簡陋，但其原理、功能、主要結(jié)構(gòu)和使用方法等與實(shí)驗(yàn)室的滑動(dòng)變阻器是一樣的。為了讓學(xué)生體會(huì)到儀器的發(fā)展歷程滲透文化傳承，體驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新是一個(gè)不斷完善構(gòu)造、不斷發(fā)展的過程，豐富學(xué)生的情感體驗(yàn)，教師展示了實(shí)驗(yàn)室的滑動(dòng)變阻器。學(xué)生分組觀察滑動(dòng)變阻器，了解滑動(dòng)變阻器的銘牌。通過簡易模型的構(gòu)建，學(xué)生對相關(guān)知識(shí)有了很好的聯(lián)結(jié)和掌握，所以探究滑動(dòng)變阻器的使用過程就變得簡單了。教學(xué)中教師采用表格的方式給學(xué)生設(shè)定探究的環(huán)節(jié)和方向（見表2）。學(xué)生自主探究得出結(jié)論，并歸納滑動(dòng)變阻器的使用方法和技巧，掌握滑動(dòng)變阻器的工作原理。教師將裝置接入電路中，燈亮的位置便是電流通過的路徑，展示滑動(dòng)變阻器上有效長度的位置（見圖11），讓學(xué)生體會(huì)技術(shù)改進(jìn)后的變化。通過前期模型的構(gòu)建和后期的實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生突破了滑動(dòng)變阻器的使用難點(diǎn)，并成為一個(gè)小小設(shè)計(jì)師，獲得了成就感。

（五）揭秘“暗箱”，實(shí)現(xiàn)技術(shù)升華

教師現(xiàn)場拆解一個(gè)電位器，展示并畫出實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖（見圖12）。通過觀察，發(fā)現(xiàn)電位器在旋轉(zhuǎn)時(shí)確實(shí)是改變了電阻的有效長度，但改變的不是合金絲的電阻而是碳膜的電阻，旋轉(zhuǎn)的過程是觸片在碳膜上滑動(dòng)來改變有效長度。材料的選擇是由實(shí)際的應(yīng)用場景所決定的。再結(jié)合電位器的連接方式將其和滑動(dòng)變阻器進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者有著異曲同工之妙。顯然電位器也是一個(gè)滑動(dòng)變阻器，只是形狀和材質(zhì)還有使用場景有所不同。這樣就揭開了電位器的神秘面紗，使學(xué)生豁然開朗。

教師接著展示一個(gè)完整的電位器（見圖13），其旋鈕的下方有一個(gè)表盤可以顯示電阻的大小。當(dāng)旋轉(zhuǎn)旋鈕時(shí)電阻的大小可以通過表盤讀出。電位器為什么能實(shí)現(xiàn)電阻大小的精確變化？實(shí)驗(yàn)室里的滑動(dòng)變阻器也能實(shí)現(xiàn)嗎？教師提示學(xué)生可借助公式[R=ρL/S]推導(dǎo)和思考。這樣，融合了數(shù)學(xué)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的升華。

（六）科學(xué)來源于生活、應(yīng)用于生活

在生活中也有不同形狀和用途的變阻器。隨著科技的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)不同的材料（如半導(dǎo)體）可以通過光、聲音、壓力、磁場等外界因素的變化來改變電阻。比如光敏電阻應(yīng)用于感光的環(huán)境中（如光控開關(guān)）、磁敏電阻應(yīng)用于電磁繼電器中、聲敏電阻應(yīng)用于聲控開關(guān)、力敏電阻應(yīng)用于體重秤等?？茖W(xué)來源于生活、應(yīng)用于生活。從生活中來，到生活中去，是我們學(xué)習(xí)科學(xué)的最終目的。

三、教學(xué)實(shí)踐反思和可行性分析

在本節(jié)課的教學(xué)中，教師深度研讀教材，挖掘生活中的相關(guān)工程技術(shù)素材，以電位器作為“暗箱”引入，以揭秘電位器的工作原理作為動(dòng)力要素；基于STEM視角，以問題鏈為驅(qū)動(dòng)，將重點(diǎn)落在滑動(dòng)變阻器的設(shè)計(jì)上，并且結(jié)合應(yīng)用構(gòu)造式教學(xué)，進(jìn)行融合科學(xué)、技術(shù)、工程的教學(xué)設(shè)計(jì)；運(yùn)用STEM教學(xué)，使學(xué)生能在構(gòu)建變阻器模型的過程中提高工程設(shè)計(jì)能力和數(shù)學(xué)思維，提升創(chuàng)新能力。最后通過“暗箱”揭秘讓知識(shí)和生活高度融合。STEM教學(xué)讓科學(xué)照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中了解滑動(dòng)變阻器的使用，對滑動(dòng)變阻器有新的認(rèn)識(shí)，使知識(shí)得以升華。

STEM教育最大的驅(qū)動(dòng)力在于科學(xué)知識(shí)中存在工程技術(shù)素材，且這些素材在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用比較廣泛，能夠讓學(xué)生有親身體驗(yàn)的機(jī)會(huì)。教師要深度挖掘教學(xué)素材并結(jié)合教學(xué)素材設(shè)計(jì)出與生活 、實(shí)踐 、工程技術(shù)相融合的課堂教學(xué)，激活學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

STEM教育不是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的簡單組合，而是將4門學(xué)科相互貫穿和融合。相對初中科學(xué)而言，物理部分更適合于進(jìn)行STEM教學(xué)，比如滑動(dòng)變阻器［3］、磁場、電磁繼電器、光的反射、光的折射、平面鏡成像、凸透鏡成像、電路分析和應(yīng)用、大氣壓強(qiáng)、浮力等。這些內(nèi)容更適合進(jìn)行STEM教學(xué)的原因有以下幾點(diǎn)：第一，可以從生活中找到相應(yīng)的現(xiàn)象或者應(yīng)用場景，所需材料比較容易獲??；第二，可以在課堂中模擬場景并進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，使所學(xué)知識(shí)和工程技術(shù)相融合；第三，可以通過設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，讓學(xué)生通過探究獲得結(jié)論并總結(jié)規(guī)律，加深學(xué)生對技術(shù)工程設(shè)計(jì)與開發(fā)過程的理解，讓學(xué)生了解設(shè)計(jì)的初衷是為了人類的發(fā)展，有益于人類。為了讓科學(xué)教學(xué)立足于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，教師應(yīng)基于STEM視角進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生了解工程技術(shù)的開發(fā)和設(shè)計(jì)應(yīng)用。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 丁杰，蔡蘇，江豐光，等.科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)教育創(chuàng)新與跨學(xué)科研究：第二屆STEM 國際教育大會(huì)述評［J］.開放教育研究，2013（2）：41-48．

［2］? 龍玫，趙中建.美國國家競爭力：STEM教育的貢獻(xiàn)［J］.現(xiàn)代大學(xué)教育，2015（2）：41-49，112．

［3］? 朱清時(shí).義務(wù)教育教科書科學(xué)教學(xué)參考書八年級上冊［M］.杭州：浙江教育出版社，2014.