貫徹STEM理念探尋“電磁鐵”單元教學中的問題導學方法

〔摘" "要〕" 在傳統(tǒng)的小學科學課堂上，教師往往僅注重對理論知識的灌輸，缺乏實踐教學，學生的課堂學習積極性較低，教學效果不盡如人意。而引入STEM教育理念，教師可以為學生提供更加優(yōu)質的學習體驗，讓學生在生動的教學氛圍中，深化對課程知識的理解，提高自身的學科綜合素養(yǎng)。本文以青島版科學五年級下冊“電磁鐵”單元的教學為例，討論貫徹STEM理念，探尋問題導學的有效方法，以激發(fā)學生對科學學習的興趣，培養(yǎng)他們觀察、思考和解決問題的能力，為學生今后的科學學習奠定堅實的能力基礎。

〔關鍵詞〕" 小學科學；STEM；問題導學；策略

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）21" " 0052-03

STEM教育是一種跨學科、綜合性的教育模式。這種教育模式的重要性主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面，STEM教育有助于提高學生的科學素養(yǎng)；另一方面，STEM教育可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。問題導學是STEM 教育中的核心策略，其在激發(fā)學生內(nèi)在學習動力方面發(fā)揮著重要的作用，能夠引導他們通過主動探索來構建知識體系。因此，教師在科學教學的過程中，就要以問題為驅動，通過提出具有啟發(fā)性、挑戰(zhàn)性的問題，激發(fā)學生的好奇心和探索欲，促使他們主動探尋答案，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決問題的能力，推動 STEM教學理念與小學科學基礎課程更加有效地融合在一起。

一、創(chuàng)設階梯式問題情境，激活學生主動探究的內(nèi)驅力

STEM教育的關鍵是在真實情境里解決問題，以此培育學生的綜合素養(yǎng)，創(chuàng)設階梯式問題情境恰是實現(xiàn)這一目標的基礎策略。該理論的核心源自建構主義學習理論與情境認知理論的結合，學生要在與情境的交互中實現(xiàn)知識建構，階梯式問題序列可模仿人類認知從具象到抽象、從單一維度到系統(tǒng)體系的自然演進流程。在小學科學課程教學里，這一情境設計需恪守“現(xiàn)象觀察—原理探究—應用遷移”的三層邏輯。階梯式問題情境的價值體現(xiàn)在為不同認知狀況的學生提供適配的思維依靠，讓問題呈現(xiàn)挑戰(zhàn)性，進而既突破“最近發(fā)展區(qū)”，又擁有可解性以維持探究積極性，最終造就“觀察—質疑—探究—解疑”的主動學習循環(huán)機制，符合STEM教育“做中學”“創(chuàng)中學”的核心訴求。

為了有效地激活學生自主探究的內(nèi)驅力，教師需要設計遞進式的問題，以幫助學生理清學習思路，不斷深化對課程知識的理解，增強學生回答問題的自信心。比如，教師可以提前準備好電磁鐵的教具，如大鐵釘、漆包線、電池盒、開關、大頭針等，在課堂上，教師可以為學生演示閉合開關后電磁鐵吸起大量大頭針、斷開開關后大頭針掉落的現(xiàn)象。并對學生提出問題，如“為什么通電后鐵釘能吸起大頭針，斷電后又掉下來？這個裝置和普通磁鐵有什么不同呢？”教師通過直觀的演示，能夠初步吸引學生的注意力，激起學生的探究欲望，讓學生初步感知電能與磁能之間的轉化關系，這一問題較為簡單，起到了激發(fā)學生興趣和高效引入課程內(nèi)容的目的?；诖?，教師可以深化問題內(nèi)容，引導學生將電磁鐵與條形磁鐵進行對比，如“電磁鐵的磁性強弱可能與哪些因素有關？如何設計實驗驗證這些因素的影響？”針對這一問題，教師可以引導學生進行對比探究，在探究的過程中，將目光投向電流大小、線圈匝數(shù)、鐵芯材質等變量。同時，教師還可以引導學生大膽猜想，自主提出問題，如“增加電池數(shù)量是否會讓電磁鐵吸起更多大頭針？線圈繞得越多，磁性會越強嗎？”等。對于學生提出的問題，教師需要及時肯定學生的猜想，并引導學生以小組為單位進行實驗探究，以驗證自己的問題猜想。例如，學生保持線圈匝數(shù)不變，通過改變電池節(jié)數(shù)（1節(jié)、2節(jié)、3節(jié)），觀察吸起大頭針的數(shù)量。教師通過設計進階式的問題，并引導學生自主提出問題，鼓勵學生主動設計實驗，初步體會科學探究的基本方法。

二、構建跨學科問題鏈條，促進學生STEM知識的整合應用

科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學（Mathematics）深度融合構成了STEM教育的本質特征，跨學科問題鏈條成為實現(xiàn)這種融合的有效途徑。它的理論依據(jù)源自現(xiàn)代認知科學所提出的“知識網(wǎng)絡”理論，人類的有效認知并非孤立知識點的堆砌，而是借助解決問題促成的跨領域知識聯(lián)結。在小學科學教學中，形成跨學科問題鏈條要把核心科學問題作為基點，輻射相關學科的知識及途徑：依靠科學原理說明現(xiàn)象本質，以技術手段搭建實現(xiàn)目標的路徑，采用工程思維引導系統(tǒng)完成優(yōu)化任務，以數(shù)學手段對探究過程加以量化。這種問題鏈條穿透傳統(tǒng)學科的壁壘隔閡，讓學生在應對復雜難題時能自動運用多學科知識，培育“原理認知—技術實現(xiàn)—工程設計—數(shù)學分析”的立體化思維模式。

在STEM理念下，教師可以融合多學科知識，設計科學的問題鏈，以幫助學生形成更加具體的知識架構。比如，教師可以設計電路設計與電磁原理的問題鏈，教師提出問題：“怎樣借助干電池、開關、導線制作簡單電路，令電磁鐵產(chǎn)生磁性？”學生需運用串聯(lián)、并聯(lián)等電路連接技術和電流磁效應的科學知識，設計并連接電路。在這一過程中，學生可能面臨導線接觸不良、電池電量耗盡等相關問題，教師則需要帶領學生利用歐姆定律（數(shù)學公式I=U/R）分析電流大小與電路電阻的關聯(lián)，例如，漆包線電阻偏大的時候，可借助串聯(lián)電池提高電壓，最終增大電流。同時，教師還可以基于科學概念提出“為什么鐵芯可以增強磁性？”引導學生弄懂鐵芯在電磁感應中的作用（科學原理：鐵芯被磁化后產(chǎn)生附加磁場），實現(xiàn)科學知識跟技術操作的深度結合。并將工程與數(shù)學融合，在“探究線圈匝數(shù)對磁性強弱的影響”實驗時，教師提出工程方面的問題：“如何去設計一個既讓繞線便捷又能穩(wěn)定支撐的電磁鐵結構？”學生需統(tǒng)籌考慮鐵芯長度、線圈纏繞樣式（密繞、疏繞）等工程問題，設計恰當?shù)碾姶盆F款式。實驗告一段落后，教師引導學生借助數(shù)學手段處理數(shù)據(jù)，如繪制體現(xiàn)“線圈匝數(shù)—吸起大頭針數(shù)量”關系的折線圖，分析變量間的函數(shù)依存關系。在這一過程中，教師能夠促使學生把實驗現(xiàn)象轉化為數(shù)學的呈現(xiàn)方式，強化數(shù)據(jù)分析及邏輯推理的能力水平。

三、開展項目式問題探究，培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力

實現(xiàn)STEM教育落地，項目式問題探究是重要教學模式。項目式問題探究模式的理論依據(jù)是杜威“從做中學”思想與工程教育的“設計思維”理論。這種探究模式把有現(xiàn)實意義的開放性問題當作載體，要求學生經(jīng)歷“需求分析—方案設計—原型制作—測試優(yōu)化”的完整工程進程，在真實情境中綜合利用多學科知識化解復雜難題。其核心價值集中體現(xiàn)為三個方面：其一，借助項目的挑戰(zhàn)特性激發(fā)創(chuàng)新潛能；其二，依靠團隊合作培養(yǎng)STEM核心能力；其三，通過反復迭代優(yōu)化深化科學理解。項目式問題探究引導小學科學教學從“知識傳授”過渡到“能力培育”，促使學生在完成特定項目之際，在潛移默化中領悟STEM領域核心思維方法與實踐技能，為創(chuàng)新能力的長遠發(fā)展打下根基。

教師在設計項目式問題的過程中，要明確任務并分析需求，以確保項目問題的設計更加科學有效。比如，教師可以提出項目任務：學校科技節(jié)要求設計制作一個“電磁小能手”裝置，該裝置要能區(qū)分鐵制品與銅、鋁等非鐵制品，還能根據(jù)物品重量調(diào)節(jié)吸引力。學生需要分組探討需求，界定核心議題：如何憑借電磁鐵磁性對鐵與非鐵物質進行篩選；怎樣實現(xiàn)電磁鐵磁性強弱可調(diào)節(jié)這一需求；怎樣設計裝置以傳送帶、分揀箱等為主的機械結構。各小組需要繪制屬于自己的思維導圖，如電路組承擔著設計借助滑動變阻器改變電流的可調(diào)電阻電路的工作，結構組需著手制作分揀箱模型，編程組嘗試用Arduino控制開關之類。方案設計與原型制作小組按分工開展設計活動，科技相關層面：厘定電磁鐵的最佳參數(shù)，實施電路圖的繪制流程，選擇恰當?shù)碾娮釉?。就工程設計層面而言，可采用3D打印或手工方式制作分揀箱框架，進行可靈活挪動的電磁鐵支架設計，維持裝置的穩(wěn)定特性。就數(shù)學應用層面而言，構建磁性強弱與電流、匝數(shù)相關的數(shù)學模型，求出不同工況下的理論吸合力，提升設計方案的合理性。在實際制作進程中，學生的制作也許會遭遇線圈絕緣層刮除不徹底引發(fā)短路、電磁鐵吸合力不足等難題，教師可以指導學生采用查詢資料、調(diào)整如擴大鐵芯截面積、改用更粗漆包線之類參數(shù)的方式解決，練就工程思維及問題處理本領，測試優(yōu)化及成果呈現(xiàn)。

四、實施多元化問題評價，提升學生科學思維品質

多元化問題評價是保障STEM教育成效的關鍵所在，其理論基礎源自多元智能理論與形成性評價理念的整合。傳統(tǒng)科學教學評價主要聚焦知識記憶的標準化測試，STEM教育背景下的評價需聚焦學生在問題解決環(huán)節(jié)的思維表現(xiàn)及能力的發(fā)展，該評價體系須具備過程性、跨學科性以及發(fā)展性。問題解決日志、跨學科能力評分表、項目成果答辯等均可作為評價工具，依靠量化數(shù)據(jù)與質性描述相結合的做法，全面考查學生的科學思維素質。多元化問題評價的最終目標，是經(jīng)由不斷的反饋為引導，讓學生從“被動接受評價”轉變至“主動審視學習進程”，提升自主發(fā)展的元認知水平，切實實現(xiàn)STEM教育“培育未來問題終結者”的育人理想。

教師可以采用過程性評價的方式，對學生進行更加科學全面的評價。比如，教師制定“問題探究過程評價表”，從“問題提出、方案設計、實踐操作、團隊協(xié)作、反思改進”五個維度記錄學生表現(xiàn)。例如，問題提出維度包括可否提出可探究的、涉及電磁鐵磁性的問題，問題所體現(xiàn)的創(chuàng)新性與科學性如何等。可采取教師評價、小組互評及自我評價相結合形式，每周進行一次階段性反饋，幫助學生及時調(diào)整探究路徑。在總結性綜合評價方面，教師可以綜合評估項目成果與思維進階，并把書面測試與項目式學習成果相結合，進行針對學生的總結性評價。書面測試注重跨學科問題的處理辦法，如提出“已知某電磁鐵線圈電阻為5Ω，當通入0.5 A電流時吸起20枚大頭針。若想吸起40枚大頭針，在電源電壓不變的情況下，線圈匝數(shù)應如何調(diào)整？（忽略鐵芯飽和影響）”考查學生對電流、電阻、匝數(shù)與磁性關系的綜合分析。項目成果的評估則聚焦裝置功能性、創(chuàng)新性與跨學科的融合程度，如“電磁分揀裝置”是否可精準辨別鐵與非鐵物質，是否運用到了電路設計、機械結構優(yōu)化等多學科相關知識。通過綜合性的評價，全面考查學生在“電磁鐵”單元知識掌握狀態(tài)與科學思維發(fā)展層次。

綜上所述，結合問題導學，可以推動科學理論工程領域之間的融合，也推動了學生的主動探索，能夠顯著提升小學科學教學的有效性。但是就當下的教學而言，一些小學科學教師在應用STEM理念展開教學的過程中，仍存在一些不足之處。這就需要小學科學教師在今后的教學實踐中，不斷深化對STEM理念的理解，把握問題導學方法的有效切入點，探索更加高效的教學策略，從而使小學科學課堂煥發(fā)出新的生機，促進學生科學綜合能力的顯著提升。

參考文獻

[1]王智梅.創(chuàng)造教育視角下小學科學問題鏈導學的實踐研究[J].小學生（下旬），2025（2）：4-6.

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