從美國小學“聲音”教學案例談STEM教育的實施

(南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210023)

本文介紹一個美國小學的STEM課程案例，它以美國《新一代科學教育標準》為指導，參與教學活動的學生來自小學三年級。由大學教授、小學教師、工程師組成的團隊打磨了一系列的工程設計挑戰活動來實施教學。活動分為四個部分：探究、設計、制作、評價。活動的目的是讓學生建構對聲音特點和性質的認識，然后通過團隊協作，運用他們所了解的關于聲音的知識來完成工程設計。

1 STEM課程實施過程

1.1 探究：聲音是如何產生和傳播的

首先老師們提出一系列問題：聲音是怎樣產生的？什么導致了聲音的傳播？聲音是如何傳播的？聲音的傳播需要什么？教師引導學生相互討論，但不給出解答，通過這一過程可以幫助教師了解學生頭腦中的前概念。

然后將全班學生分成小組，每組5人，并給每組發放一個音叉和一根約1.5米長的繩子。讓學生敲擊音叉，感受音叉的振動及其發出的聲音。有些學生會嘗試握住音叉的叉股，感受到音叉幾乎沒有振動，這時需要老師引導他們正確地使用音叉。敲擊音叉后通過觸摸音叉、使音叉接近臉頰等方式，讓學生感受到音叉的振動。敲擊音叉后，使音叉靠近耳朵讓學生聽到聲音。大部分學生都能清楚地認識到聲音是通過振動產生的。

圖1

這時，老師引導學生將繩子穿過音叉，把繩子的兩端繞在他們食指上，再把食指塞進耳朵里(如圖1)，請其他學生敲擊音叉。老師又拋出一系列的問題：發生了什么？為什么她能聽到那個聲音？為什么那個聲音與直接敲擊音叉時聽到的不一樣？由此引導學生構建振動通過介質傳播的概念。

接下來的活動是自制有線電話，進一步探索聲音的振動通過介質傳播的概念。用一次性杯子，通過長繩連接制作電話。學生兩人一組合作，使用預先做好的一個有線電話打電話玩。幾分鐘后老師讓學生總結這次探究活動中他們發現了什么，學生們提到了繩子繃緊與松弛的影響，繩子拉緊時比繩子松弛時聲音能更好地傳播。還有幾個學生發現：當他們將繩子繃緊，使得4根繩子連接在同一個結點時，那么一個人通過電話說話，其他三個學生都可以聽到他的聲音。

案例分析：通過這個基礎型的探究活動，使學生認識到：聲音是通過振動產生的，通過介質傳播。與我們傳統教學所不同的是，教師幾乎不講授關于聲音的知識，完全依靠問題串的形式，引導和啟發學生的思維，讓學生通過自主探究去建構相關的概念。這既提高了學生探索問題的興趣，又培養了學生探究、解決問題的能力。

1.2 工程設計挑戰活動

工程設計挑戰的內容如表1所示。

表1

任何工程設計都是為了解決一個特定的問題，在設計活動開始時，有必要向學生解釋相關術語。在介紹了挑戰之后，老師問了學生以下幾個問題：目標是什么？客戶是誰？什么是設計？學生們能夠相對容易地回答第一個問題，許多學生都知道客戶的意思，并能正確地認識到搖滾樂隊是客戶。難的是讓他們區分目標和設計，所以老師需要解釋它們之間的不同，例如設計通常遵循一定的標準和約束，接下來便引出本次設計挑戰的制作標準和限制條件，并向學生們介紹了可用的材料。

在所有學生都清楚挑戰的內容后，再次將全班分為5組。每個小組的學生需要為他們的樂器做出一個設計方案，并標明所使用的材料。老師鼓勵學生先做出自己的設計，然后與其他成員討論。并非所有的學生都要完成自己的設計，但他們必須參與小組討論，最后確定小組的設計方案。討論的目的是鼓勵學生的合作，指出每個設計的優缺點，并提出一個最終的方案。

案例分析：設計是制作的前提，也是工程技術的核心。讓學生以探究活動中獲得的知識為基礎，解決現實中的問題，將頭腦中的想法呈現在圖紙上，進而做出設計，這對他們思維的發展大有幫助。

1.3 制作并展示

給學生們一個小時的時間來完成任務。每組的動態各不相同，其中一個組由兩名成員領導，他們在設計的基礎上制作了一個弦樂器，而其他成員在組內很少參與；另兩組各成員均不同程度地參與制作過程；剩下的兩組并沒有按計劃制作樂器，結果這兩組中的每一個成員都開始制作自己的樂器。

在完成了樂器的制作后，每個小組派一名成員向全班同學展示他們的樂器，發出三種不同的聲音或音調。有兩個組制作了多個樂器，要求他們選出一個最接近原來設計的作品進行展示。在展示的過程中，老師詢問學生：在設計或制作過程中存在哪些問題，如何解決這些問題？所有小組都提到：使用合適的繩子，并注意其松緊度，可以提高聲音的整體質量。其中一個協作不正常的小組也提到了團隊中存在的問題。

案例分析：動手制作是本節課的重點和難點。讓學生動手做，可以讓他們在實踐中更深刻地理解之前探究所獲得的關于聲音的知識，當學生成功完成樂器的制作后，一定會體會到“做中學”的樂趣，在做中培養了學生將科學技術運用于工程實踐解決實際問題的能力。而展示交流則能分享各組制作的經驗和體會，鍛煉學生的表達能力。在老師的詢問下引導學生反思存在的問題，這對于學生批判思維的形成也大有裨益。

1.4 總結和評價

活動結束后，學生們需要完成自己的“課程小結”，他們需要寫出在這次活動中所學到的知識。許多人做了一般性的陳述，例如“我知道振動的弦可以產生聲音”“用繩子纏在你的手指上并把手指放在你的耳朵里，聽起來就像使用耳機一樣”。其他人提到一些在他們小組沒有做好的事情，例如“氣球不能用來做弦樂器”或“我們的小組成員不能和睦相處，所以我的計劃沒有完成，但我看到了其他小組如何利用現有材料發出聲音。”這種類型的形成性評價有助于教師評估這個工程設計挑戰活動帶給學生的學習效果，在本次活動結束后，學生更好地了解聲音是如何傳播的、可以使用什么工具來發出聲音和產生不同的音調，他們在設計制作過程中能夠了解不同類型繩子的發音表現和所發聲音的整體效果。

案例分析：通過總結和評價，讓學生將這節課中通過探究、實踐所建構的知識固化下來，也有助于教師評估本節課的上課效果及每位學生的掌握情況。這項活動還可以擴展為每一個小組解決他們制作儀器的缺陷或不足，并改進設計方案。

2 對我國開展STEM教育的啟示

2.1 多學科背景教師參與備課

STEM是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)的融合，對STEM的授課老師提出了更高的要求，而我國當下普遍采用分科教學模式，造成我國STEM教學存在師資不足的問題。即使是在美國，高質量的STEM在職教師也十分短缺。如何應對這種現狀，本文案例中采用了多學科背景教師參與備課的方式，不僅有兩位在職小學老師，還有來自美國普渡大學的三位教授參與備課，而這三位教授分別有著科學、技術、工程專業的背景，為整個教學案例的設計提供了非常有力的專業支撐。

2.2 多位教師參與授課

STEM教育十分重視專業“做中學”，在STEM探究和實踐活動中蘊含了大量的難以用語言直接傳授的知識，這些知識不是靠教師講授灌輸的，而是學生通過自主探究以及動手設計制作等從實踐中建構獲得的。整堂課中需要老師講授的內容很少，但需要老師時時關注、及時引導的部分很多。本文案例中全班同學共25人，分為5組進行活動時，一個老師授課仍然無法照顧到全體學生。所有參與課程設計的五位老師均參與了授課，每個老師都能持續關注一組同學，更能了解學生在整堂課中的表現，及時處理“生成性”問題和突發情況，給出有針對性的指導意見，真正做到“因時施教”和“因材施教”。

2.3 多機構合作豐富教學設計

STEM教育是一種跨多學科的教學方式，強調學科間的融合。僅僅依靠小學教師的力量遠遠不夠。本案例中有高校的研究人員參與備課、授課，取得了良好的效果。學校也可以加強與科技館或其他組織機構的合作，融合更多的優質教育資源，創造出更加豐富的教學設計。

2.4 注重網絡平臺的建設

可以搭建STEM教師的網絡交流平臺，方便教師進行教學案例、經驗和心得體會的分享與討論。本案例中提到的“制作有線電話”就是參考了另一個網絡資源，而這些資源被整合進一個教學案例中后，又分享到了網絡平臺供其他老師參考。分享案例、分析評價、整合設計、再分享、再評價，由此便形成了課程資源的良性循環，全球的教師都能參與其中，這對提升STEM教師素養、豐富STEM教學資源都有極大幫助。

3 結語

STEM課程的開展離不開課程資源的支持，所以此類課程的開發和利用就顯得十分重要。通過借鑒美國現有的課程案例，可以給我國的STEM課程資源的開發和利用提供很好的參考。

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[2] Venkatesh Merwade.The Sound of Science[J].Science and Children,2014,(2).

[3] 李天露.美國科學、技術、工程和數學(STEM)教育政策解讀及其啟示[D].長沙:湖南師范大學,2015.

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