STEM視域下的初中科學(xué)制作類拓展課程的開(kāi)發(fā)

蘇愛(ài)娣

摘 要：以實(shí)例闡述初中科學(xué)制作類拓展課程開(kāi)發(fā)中的素材來(lái)源和課程類型。在STEM視域下，立足于基礎(chǔ)性課程（教材），利用教材的知識(shí)內(nèi)容、學(xué)生實(shí)驗(yàn)、閱讀材料、學(xué)習(xí)難點(diǎn)或易錯(cuò)點(diǎn)等開(kāi)發(fā)制作類拓展課程，開(kāi)展儀器或產(chǎn)品的實(shí)物制作、設(shè)計(jì)原理探究和影響性能因素探究等類型的實(shí)踐活動(dòng)，以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)、工程與技術(shù)素養(yǎng)的共同發(fā)展。

關(guān)鍵詞：STEM視域；初中科學(xué)；制作類拓展課程；開(kāi)發(fā)實(shí)踐

2015年9月，浙江省教育廳頒布了《浙江省教育廳辦公室關(guān)于深化義務(wù)教育科學(xué)課程改革的指導(dǎo)意見(jiàn)》（浙教辦基〔2015〕81號(hào)）文件。文件指出，規(guī)范實(shí)施基礎(chǔ)性課程，積極建設(shè)拓展性課程，改進(jìn)教與學(xué)方式，改進(jìn)考試評(píng)價(jià)為此次科學(xué)課程改革的主要任務(wù)。同期，《浙江省深化義務(wù)教育科學(xué)課程改革指導(dǎo)意見(jiàn)》指出，建設(shè)拓展性課程，要結(jié)合現(xiàn)代科技與生活生產(chǎn)實(shí)際，開(kāi)發(fā)多樣化的拓展性課程，鼓勵(lì)開(kāi)設(shè)STS、STEM、STEAM等課程，關(guān)注科學(xué)與工程、科學(xué)與技術(shù)的聯(lián)系。

現(xiàn)以浙教版《科學(xué)》教材為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)例闡述初中科學(xué)制作類拓展課程的開(kāi)發(fā)。

一、制作類拓展課程的內(nèi)容和目標(biāo)

（一）課程內(nèi)容

以制作儀器或產(chǎn)品為特征，結(jié)合基礎(chǔ)性課程中的相應(yīng)科學(xué)概念，從工程和技術(shù)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)STEM活動(dòng)。

（二）課程目標(biāo)

改變單一為追求科學(xué)知識(shí)建構(gòu)以及驗(yàn)證科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)模式，通過(guò)設(shè)計(jì)、制作、操控儀器或產(chǎn)品提高學(xué)生的動(dòng)手能力，通過(guò)數(shù)學(xué)定量描述與邏輯推理提高分析與解決問(wèn)題的能力。在制作儀器或產(chǎn)品的過(guò)程中應(yīng)用STEM，實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究向STEM的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)、工程與技術(shù)素養(yǎng)的共同發(fā)展。

二、制作類拓展課程的素材來(lái)源

（一）教材知識(shí)內(nèi)容的再拓展

例如，通過(guò)七年級(jí)下冊(cè)《透鏡和視覺(jué)》的教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)了凸透鏡的光學(xué)特點(diǎn)和照相機(jī)的原理，在此基礎(chǔ)上可設(shè)計(jì)自制簡(jiǎn)易照相機(jī)的拓展課。

案例1：制作簡(jiǎn)易光學(xué)照相機(jī)

任務(wù)一：測(cè)出凸透鏡的焦距大小（采用多種方法）

學(xué)生根據(jù)所學(xué)的凸透鏡相關(guān)內(nèi)容，通過(guò)討論并實(shí)踐后得到的測(cè)量方法有：會(huì)聚法、物像等大法、遠(yuǎn)物成像法等。

教師將該部分知識(shí)進(jìn)行縱向拓展，可再介紹以下兩種方法，學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。

①觀察虛像法。將一較大的字貼在光屏上，透過(guò)凸透鏡看光屏上的字，當(dāng)出現(xiàn)該字正立放大的虛像后，逐漸加大凸透鏡與光屏的距離，直到該字的虛像正好消失為止，此時(shí)凸透鏡到光屏的距離即為焦距。

②一次成像法。在光具座上依次放上光屏、凸透鏡、燃燒的蠟燭，移動(dòng)蠟燭和光屏，直到光屏上出現(xiàn)清晰、倒立、放大的（或縮小的）像為止，測(cè)出物距U和像距V，代入公式1/f=1/U+1/V，即可算出焦距。

任務(wù)二：根據(jù)所測(cè)得的凸透鏡焦距，利用相關(guān)材料制作一架簡(jiǎn)易照相機(jī)

最初作品：用卡紙將鏡頭（凸透鏡）和光屏（毛玻璃片）固定在距離大于一倍焦距，小于2倍焦距的位置，能在光屏上觀察到物體所成的倒立、較清晰的實(shí)像。

完善后的作品：制作可伸縮的鏡頭，可以根據(jù)物體的遠(yuǎn)近調(diào)節(jié)像距和物距，形成清晰倒立的實(shí)像。

通過(guò)凸透鏡焦距的多種測(cè)量方法研究及制作簡(jiǎn)易光學(xué)照相機(jī)的體驗(yàn)過(guò)程，提升了對(duì)凸透鏡相關(guān)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，加深學(xué)生對(duì)照相機(jī)原理、技術(shù)的認(rèn)識(shí)，體會(huì)到科學(xué)知識(shí)、技術(shù)和數(shù)學(xué)的完美結(jié)合。

（二）教材中學(xué)生實(shí)驗(yàn)的再開(kāi)發(fā)

例如，利用七年級(jí)上冊(cè)《地球儀和地圖》中的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，可開(kāi)發(fā)成拓展課《制作小型地球儀》。

（三）教材閱讀材料再利用

例如，九年級(jí)上冊(cè)《物質(zhì)的酸堿性》的閱讀材料介紹了《自制酸堿指示劑》，在此基礎(chǔ)上可設(shè)計(jì)《自制酸堿指示劑》的拓展活動(dòng)，體驗(yàn)植物酸堿指示劑的制作工藝流程，并探究常見(jiàn)液體的酸堿性和適合作酸堿指示劑的植物器官，使學(xué)生充分體會(huì)到科學(xué)與生活的完美融合。

（四）學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的難點(diǎn)或易錯(cuò)點(diǎn)的再挖掘

例如，八年級(jí)上冊(cè)《水的浮力》是力學(xué)內(nèi)容中的難點(diǎn)，《自制密度計(jì)》的拓展課有助于學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容的理解和應(yīng)用。

案例2：制作一個(gè)浮子式吸管密度計(jì)

步驟一：配重和密封

將塑料吸管置于裝有一定量水的燒杯中，發(fā)現(xiàn)吸管斜靠或漂浮于燒杯液面，無(wú)法豎立。

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：為什么實(shí)驗(yàn)室的密度計(jì)在水中能豎立，而塑料吸管不能？如何能使塑料吸管在水中豎立？

討論解決方案并操作：配重并密封。

步驟二：標(biāo)注刻度值

將制作成的吸管先后置于裝有已知密度的酒精、水、濃鹽水的燒杯中，觀察與液面的相交位置，做上記號(hào)，并標(biāo)注相應(yīng)的密度值。

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：制作的吸管密度計(jì)在濃鹽水中發(fā)生傾斜。

討論解決方案并操作：增加配重，重新標(biāo)刻度。

發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題：配重過(guò)大，則吸管密度計(jì)在酒精中深度過(guò)大，觸到了燒杯底部。

觀察實(shí)驗(yàn)室的密度計(jì)以獲得啟發(fā)：密度計(jì)的下端膨大，增大了V排，可以減小密度計(jì)在液體中的深度。

思考：能否根據(jù)已標(biāo)的刻度間距，借助刻度尺在吸管上直接標(biāo)出其他刻度值？

把吸管看成是一個(gè)上下橫截面積相同的圓柱體，根據(jù)密度計(jì)的原理進(jìn)行公式推導(dǎo)：

F浮=G物，即ρ液gV排=m物g，則V排=m物/ρ液，

V排=Sh深，橫截面積S不變，推導(dǎo)可得：

h深=ρ物H/ρ液

因?yàn)棣盐锖虷為定值，所以h深與ρ液成反比（如圖1），因此其刻度的分布是不均勻的。

通過(guò)用吸管制作簡(jiǎn)易浮子式密度計(jì)的實(shí)踐過(guò)程，使學(xué)生不斷地自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、討論解決方案并進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S能力，深度挖掘科學(xué)與數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程之間的融合，理解浮子式密度計(jì)在每個(gè)構(gòu)造上的設(shè)計(jì)意圖，體驗(yàn)STEM的魅力。

三、制作類拓展課程的主要類型

（一）儀器或產(chǎn)品的實(shí)物制作

義務(wù)教育階段科學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)，涉及到很多測(cè)量?jī)x器或工具的應(yīng)用，所學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本原理也應(yīng)用于很多儀器、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研制。建議選擇開(kāi)發(fā)學(xué)生興趣較集中、制作簡(jiǎn)單且又有一定創(chuàng)新價(jià)值的項(xiàng)目，如溫度計(jì)、彈簧測(cè)力計(jì)、小杠秤、潛望鏡、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、吸塵器、電動(dòng)機(jī)等的簡(jiǎn)易制作。

學(xué)生根據(jù)科學(xué)原理制作屬于自己的產(chǎn)品，體驗(yàn)科學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為技術(shù)產(chǎn)品的過(guò)程，從中開(kāi)展科學(xué)探究和深度學(xué)習(xí)，鍛煉動(dòng)手能力，激發(fā)創(chuàng)新靈感，感悟同伴合作，獲得成功快樂(lè)，培養(yǎng)不斷克服挫折的毅力和精益求精的精神。

（二）儀器或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理探究

根據(jù)所掌握的科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和基本原理，能夠?qū)π碌募夹g(shù)產(chǎn)品進(jìn)行分析，體驗(yàn)科學(xué)知識(shí)與技術(shù)的結(jié)合，初步了解科技創(chuàng)新或發(fā)明產(chǎn)品的基本思維方式和方法，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣和動(dòng)力。例如，八年級(jí)上冊(cè)的《大氣壓強(qiáng)》介紹了壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，《電荷與電流》介紹了電路的基本組成，在此基礎(chǔ)上可設(shè)計(jì)一節(jié)探究無(wú)葉電風(fēng)扇的拓展課。

案例3：風(fēng)扇變形記

學(xué)生將電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)、電池通過(guò)導(dǎo)線連接，使電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)。教師演示：將紙條靠近旋轉(zhuǎn)的扇葉，學(xué)生體會(huì)普通電風(fēng)扇在安全性能上的缺陷。

思考：如何解決普通電風(fēng)扇的不足之處？

展示無(wú)葉風(fēng)扇，學(xué)生討論：無(wú)葉風(fēng)扇是否真的沒(méi)有扇葉？如果不是，怎么把扇葉藏起來(lái)？在把扇葉藏起時(shí)，如何兼顧風(fēng)向變化、吹風(fēng)范圍、風(fēng)速調(diào)節(jié)等問(wèn)題？

學(xué)生根據(jù)討論結(jié)果，畫(huà)出設(shè)計(jì)草圖。教師組織學(xué)生進(jìn)行展示交流并相互補(bǔ)充和完善后，學(xué)生開(kāi)始制作無(wú)葉風(fēng)扇。

制作步驟：

（1）藏起扇葉：將電動(dòng)機(jī)固定在小紙片上，小紙片固定在底座中間恰當(dāng)?shù)母叨龋股热~的最上方不露出底座（如圖2）。

（2）組裝：將材料中的環(huán)形結(jié)構(gòu)和底座進(jìn)行粘貼、組合（如圖3）。

（3）啟動(dòng)：閉合開(kāi)關(guān)，檢測(cè)出風(fēng)口是否有風(fēng)。

思考與討論：如何闡述無(wú)葉風(fēng)扇形成風(fēng)的過(guò)程？環(huán)形結(jié)構(gòu)對(duì)于出風(fēng)量有什么影響？此無(wú)葉風(fēng)扇有什么優(yōu)點(diǎn)和缺陷，可以對(duì)哪些方面再進(jìn)行改進(jìn)？

通過(guò)設(shè)置真實(shí)問(wèn)題情境，探索產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理。在不斷解決問(wèn)題的過(guò)程中，體驗(yàn)產(chǎn)品創(chuàng)新思維方法中的“加法”、“減法”和“組合法”，以拓展學(xué)生的思維方式和方法。如針對(duì)具體產(chǎn)品，可考慮“什么還不足”、“要是有這個(gè)就好了”、“配置這個(gè)功能是不是更方便” 等，也可考慮“還能減掉什么”、“能否更簡(jiǎn)單一點(diǎn)”等。

（三）儀器或產(chǎn)品性能的影響因素探究

為了使制作的儀器或產(chǎn)品的性能最佳，需要對(duì)其影響因素和影響效果進(jìn)行探究，尋找最佳的搭配組合。例如在八年級(jí)下冊(cè)《電與磁》的基礎(chǔ)上可設(shè)計(jì)一節(jié)研究制作揚(yáng)聲器的拓展課。

案例4：簡(jiǎn)易揚(yáng)聲器分析與制作

展示一個(gè)揚(yáng)聲器，播放一段音樂(lè)，學(xué)生觀察揚(yáng)聲器的振膜隨音樂(lè)發(fā)生強(qiáng)弱不同的振動(dòng)。

思考：在播放音樂(lè)時(shí)，振膜為什么會(huì)振動(dòng)？振動(dòng)有強(qiáng)弱，說(shuō)明了什么？

分析問(wèn)題并引發(fā)新的思考：振膜發(fā)生振動(dòng)，說(shuō)明受到力的作用，且力的大小在發(fā)生變化，這個(gè)力的施力物體是誰(shuí)呢？

教師邊拆解揚(yáng)聲器，邊介紹揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)（如圖4）。

討論：為了確保振膜能持續(xù)有效地振動(dòng)，這種材料在選擇上，應(yīng)該有什么要求？

思考：音圈其實(shí)是一段金屬絲，這段金屬絲，在選擇上需要考慮哪些因素對(duì)它的影響？

生：材料、長(zhǎng)度、橫截面積。——電阻！

討論：金屬絲電阻是越小越好，還是越大越好？為什么？

教師給出音量與線圈電阻關(guān)系的坐標(biāo)圖（如圖5），學(xué)生判斷討論結(jié)果的對(duì)錯(cuò)。

小結(jié)：音圈的作用，其實(shí)就是導(dǎo)體。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，產(chǎn)生合適的磁場(chǎng)，變化的電流能產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。

問(wèn)題：揚(yáng)聲器中的磁體起什么作用？

生：磁體能與電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相作用產(chǎn)生力。

學(xué)生對(duì)揚(yáng)聲器的工作原理進(jìn)行小結(jié)后，根據(jù)現(xiàn)有材料制作一個(gè)簡(jiǎn)易的揚(yáng)聲器。

材料：紙杯或礦泉水瓶，線圈匝數(shù)不同的音圈（30匝，80匝，160匝），音頻線，小磁鐵8個(gè)，木板，螺絲釘?shù)取?/p>

展示并測(cè)試學(xué)生的制作成果（如圖6），并請(qǐng)小組匯報(bào)選擇音圈的匝數(shù)為多少，選擇磁鐵的個(gè)數(shù)為多少，并解釋選擇的理由。

學(xué)生結(jié)合所學(xué)的科學(xué)知識(shí)，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和各部分功能進(jìn)行分析，如把揚(yáng)聲器分解成振膜、線圈、磁體和支架四個(gè)部分，再對(duì)各部分進(jìn)行具體設(shè)計(jì)分析，探究材料、結(jié)構(gòu)、外形等對(duì)產(chǎn)品性能的影響，并綜合考慮成本、外形、環(huán)保、安全性能等方面，最后通過(guò)制作產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，充分體會(huì)到合理的分析是成功進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。