STEM視野下的初中科學(xué)課堂的開發(fā)

費(fèi)志明

摘 要：初中科學(xué)課堂里，學(xué)生思維品質(zhì)的提升，不僅需要科學(xué)地設(shè)計(jì)教學(xué)流程，而且更需要以生為本，轉(zhuǎn)化教學(xué)模式和行為。STEM 視野下的初中科學(xué)課堂是非常好的嘗試，它將科學(xué)課程工程化、技術(shù)化、項(xiàng)目化，是訓(xùn)練和激活學(xué)生思維的有效途徑。科學(xué)課程中引入項(xiàng)目學(xué)習(xí)策略，將STEM等多學(xué)科知識整合起來；為學(xué)生提供了一種學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生主動(dòng)探索真實(shí)的世界，設(shè)計(jì)真實(shí)生活問題的解決方案，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：STEM；課堂；開發(fā)；思維品質(zhì)

STEM教育現(xiàn)在非常流行，然而國內(nèi)有關(guān)STEM教育的研究還處于起步階段，大多數(shù)研究集中于理論研究，而真正一線的案例、實(shí)例研究卻很少。就算有，也基本都是一些有關(guān)信息技術(shù)、勞技、科學(xué)的拓展性課堂；所謂的STEM云教室，大多數(shù)是小創(chuàng)造和小制作的場所。而STEM教育真正在初中科學(xué)教學(xué)主陣地——課堂上非常少見。為此，開發(fā)一些在STEM視野下的初中科學(xué)課堂的實(shí)踐案例，真正提高學(xué)生思維品質(zhì)，顯得尤為重要。

一、科學(xué)課堂工程化[1]

STEM視野下的科學(xué)課堂設(shè)計(jì)要遵循科學(xué)課程目標(biāo)對培養(yǎng)學(xué)生綜合性科學(xué)素養(yǎng)的要求，體現(xiàn)對STEM學(xué)科的整合。科學(xué)課堂工程化的目的是科學(xué)知識通過工程設(shè)計(jì)來改善生活，要充分發(fā)揮工程在課程整合中的作用，利用工程設(shè)計(jì)整合課程內(nèi)容產(chǎn)生具體的項(xiàng)目，形成以問題為導(dǎo)向的課程。STEM視野下的科學(xué)課堂設(shè)計(jì)中利用工程設(shè)計(jì)方法把科學(xué)課程中需要學(xué)生掌握的科學(xué)知識和方法集合成了具體的項(xiàng)目，通過解決核心問題的活動(dòng)使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究以及工程設(shè)計(jì)過程，給學(xué)生呈現(xiàn)的課程任務(wù)是需要執(zhí)行產(chǎn)生最終產(chǎn)品的一個(gè)或多個(gè)任務(wù)，產(chǎn)品可以是一個(gè)問題方案、一個(gè)模型、一個(gè)設(shè)備。

例1 光的反射

挪威峽谷小鎮(zhèn)（尤坎）長年沒有陽光照射。2013年11月，靠三面巨鏡，首次沐浴冬季陽光。沐浴在陽光下……小鎮(zhèn)人們歡心喜悅！

那么，我們?nèi)绾蝸矸胖脠D1所示的這三面巨鏡，這三面巨鏡對光的反射有什么規(guī)律呢？

我們提供一個(gè)真實(shí)的情境，讓學(xué)生自己去尋找內(nèi)在的規(guī)律，這里需要用到技術(shù)和數(shù)學(xué)等內(nèi)容，并且從中得到科學(xué)原理（光的反射定律，如圖2），這里需要用到科學(xué)知識；然后讓學(xué)生歸納出光的反射定律有哪些特點(diǎn)；最后應(yīng)用實(shí)際：如何安裝這三面巨鏡，這里就需要用到工程方面的知識；最后進(jìn)行反思改進(jìn)：如何避免光污染？如何在白天每時(shí)每刻照射到陽光？……實(shí)際問題進(jìn)行改進(jìn)。

課堂的主要線索是：現(xiàn)象（情境）——規(guī)律（技術(shù)、數(shù)學(xué)）——原理（科學(xué)）——特點(diǎn)（科學(xué)）——應(yīng)用（工程）——反思（技術(shù)、工程）。

通過這樣的課堂呈現(xiàn)可以讓學(xué)生在不知不覺中將《光的反射》的知識真正內(nèi)化：光在一些物體表面可以發(fā)生反射；光的反射定律、法線、入射光線、反射光線、入射角和反射角的含義；什么是鏡面反射，什么是漫反射。

這樣基于真實(shí)情境、具體問題的引入方式，一方面能夠引起學(xué)生對課程內(nèi)容的興趣，同時(shí)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力。STEM教育理念非常重視學(xué)生對自己研究成果的展現(xiàn)，但是這種展示不是單純地對研究成果的展示，而是將自己研究的思路和研究過程展示出來，同時(shí)也是學(xué)生邏輯思維能力、語言組織能力、自信心等綜合素養(yǎng)的體現(xiàn)。因此，STEM教育回歸了科學(xué)教育的本質(zhì)——探索和發(fā)現(xiàn)世界的過程。凝結(jié)在STEM課堂中的精髓就是，在復(fù)雜的學(xué)習(xí)情境中培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力與問題解決能力。STEM教育是基于問題、設(shè)計(jì)和項(xiàng)目的學(xué)習(xí)與操作過程。在這樣的過程中，核心概念被活學(xué)活用，從而在學(xué)生腦中進(jìn)行強(qiáng)化，深入潛意識，為創(chuàng)新提供了直覺基礎(chǔ)。

二、科學(xué)課堂技術(shù)化

《初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2011年版）明確指出，科學(xué)課堂技術(shù)化是現(xiàn)在科學(xué)課堂的主流趨勢。技術(shù)是人們根據(jù)一定的工藝知識、技術(shù)期望、工具儀器設(shè)備、能源和材料去進(jìn)行的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)。

技術(shù)素養(yǎng)是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，它是指人們對技術(shù)的性質(zhì)及歷史的了解，具備技術(shù)的基本動(dòng)手能力，以及能夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)厮伎加嘘P(guān)技術(shù)發(fā)展問題的習(xí)慣。

了解技術(shù)設(shè)計(jì)的過程和環(huán)節(jié)，并具有初步的技術(shù)設(shè)計(jì)能力，是學(xué)生具有技術(shù)素養(yǎng)的一個(gè)重要方面。技術(shù)設(shè)計(jì)能力是技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)踐能力的重要組成部分，為了給21世紀(jì)提供技術(shù)創(chuàng)新型的人才支撐，必須注重從義務(wù)教育階段開始培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)設(shè)計(jì)能力[2]。

例2 滑動(dòng)變阻器

我是小小設(shè)計(jì)師：

出示臺燈，調(diào)節(jié)亮度開關(guān)，讓學(xué)生感受燈光的變化，為什么調(diào)節(jié)開關(guān)時(shí)，燈泡的亮度發(fā)生變化呢？同學(xué)們能否設(shè)計(jì)一個(gè)可以調(diào)節(jié)燈的明暗的電路呢？

影響電阻大小因素：導(dǎo)體的長度、橫截面積（粗細(xì)）和材料。那么最簡便的改變電阻的的方法是什么？改變長度。

動(dòng)手實(shí)驗(yàn)：將2節(jié)干電池、電流表、小燈泡、開關(guān)、導(dǎo)線、電阻絲連接成串聯(lián)電路，如圖3，嘗試改變小燈泡亮度的方法。

師：這個(gè)直線式變阻器有何缺點(diǎn)？

生：合金線太長，使用不方便。

師：你想一想如何改正存在的缺點(diǎn)？

生：可以把較長的合金線纏繞起來（如圖4）。

師：對繞合金線所選物體的材料有什么要求？圖5的兩種材料中你認(rèn)為哪個(gè)好，為什么？

生：陶瓷筒，因?yàn)樘沾赏彩墙^緣體。

師：圖6和圖7兩種不同的繞法，你會(huì)選哪一種？為什么？

師：緊密繞法會(huì)使合金線之間相碰而短路？如何解決？

生：使用漆包線（合金線外面涂上漆，絕緣）。

師：如何解決滑片與漆包線之間的接觸？

生：與滑片接觸的漆包線把表面的漆去除，如圖8。

經(jīng)過我們的改正，制成了使用比較方便的變阻器。用很長的漆包合金絲纏繞在陶瓷圓筒上后，用改變滑片接入點(diǎn)的方法來調(diào)節(jié)電阻。標(biāo)準(zhǔn)的元件圖如圖9。

本案例通過讓學(xué)生成為小小設(shè)計(jì)師，設(shè)計(jì)調(diào)光臺燈的開關(guān)。拋給學(xué)生一個(gè)個(gè)需要解決的問題，讓學(xué)生利用科學(xué)知識、工程知識、技術(shù)知識解決問題，問題一個(gè)個(gè)的深入。這正如杜威所認(rèn)為的，思維起于直接經(jīng)驗(yàn)得到的疑難和問題，而思維的功能“在于將經(jīng)驗(yàn)得到的模糊、疑難、矛盾和某種紛亂的情境，轉(zhuǎn)化為清晰、連貫、確定和和諧的情境”，在于“把困難克服，疑慮解除，問題解答”[3]。

三、科學(xué)課堂項(xiàng)目化

項(xiàng)目學(xué)習(xí)（PBL）是通過項(xiàng)目來讓學(xué)生進(jìn)行融入情境之中的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，項(xiàng)目完成時(shí)通過作品的制作展示來體現(xiàn)其學(xué)習(xí)成果。

科學(xué)課堂項(xiàng)目化不是一定要完整地將項(xiàng)目學(xué)習(xí)（PBL）全過程展示出來，而是利用其對學(xué)生教學(xué)過程中的特點(diǎn)與意義，取其一部分適合初中科學(xué)教學(xué)內(nèi)容、符合初中生特點(diǎn)展示的一種教學(xué)行為[4]。

例3 核能的和平利用——設(shè)計(jì)核電站

師：核電站是和平利用核能，那如何使不可控制的核反應(yīng)，設(shè)計(jì)成可控的？

生：利用一個(gè)控制棒，讓核反應(yīng)變得可控，慢慢釋放能量。

師：那你估計(jì)這個(gè)控制棒應(yīng)該具有什么特點(diǎn)？提示：從鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)可知，中子就像“點(diǎn)燃”核燃料的火柴著手思考。

生：吸收大部分中子。

師：這個(gè)可控的核反應(yīng)叫核反應(yīng)堆，那么如何設(shè)計(jì)一個(gè)核電站呢？從能量轉(zhuǎn)化角度來設(shè)計(jì)。

生：核能→電能。

師：在目前的技術(shù)水平，核能能不直接電能？顯然不行，那電是如何產(chǎn)生的？

生：電磁感應(yīng)，機(jī)械能產(chǎn)生電能。

師：那如何讓核能→機(jī)械能？核反應(yīng)時(shí)最大的能量是什么？

生：核反應(yīng)時(shí)最大的能量是熱能。

師：現(xiàn)在哪個(gè)同學(xué)能不能幫老師總結(jié)一下，如何使核能→電能？

生：核能→熱能→機(jī)械能→電能。

師：很好，那么在這些轉(zhuǎn)化過程中，分別需要哪些機(jī)器、設(shè)備呢？

生： ？

師：核能→熱能，什么設(shè)備？熱能→機(jī)械能，什么設(shè)備？機(jī)械能→電能，什么設(shè)備？

生：核能→熱能：核反應(yīng)堆，熱能→機(jī)械能：汽輪機(jī)，機(jī)械能→電能：發(fā)電機(jī)。

師：現(xiàn)在設(shè)備已經(jīng)都有了，那么如何設(shè)計(jì)一個(gè)既高效又安全的核電站呢？因?yàn)楹朔磻?yīng)時(shí)會(huì)有大量的核輻射，這些核輻射對人體有極大的危害。

生：設(shè)計(jì)一個(gè)保護(hù)罩。

師：這個(gè)保護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該具備哪些要求？

生：能阻擋核輻射？能阻擋一定量的核泄露。

師：在同學(xué)們的設(shè)計(jì)一下，一個(gè)核電站基本能夠正常工作了。現(xiàn)在我展示一下“核電站”的示意圖，看看和同學(xué)們設(shè)計(jì)的是否一致？如果有不一樣的地方，我們將如何進(jìn)一步修正、完善？

師：展示“核電站”的示意圖（如圖10）。在核電站中，水起了哪些作用？

生：？

師：在熱能→機(jī)械能：汽輪機(jī)中，水起了哪些作用？在冷凝器中，水起了哪些作用？

生：在熱能→機(jī)械能：汽輪機(jī)中，水作為能量轉(zhuǎn)化的介質(zhì)。在冷凝器中，水作為冷卻劑。

師：從這個(gè)示意圖，可以看出同學(xué)們的設(shè)計(jì)水平，有了非常高的水準(zhǔn)了。那么為什么核電站要建造在海邊？

生：從示意圖中可以看出，核電站需要大量的水體，進(jìn)行水循環(huán)。

本案例讓學(xué)生從示意圖中歸納出核電站的工作原理：核能→熱能→機(jī)械能→電能。讓他們從能量的角度一步步地思考能量的轉(zhuǎn)化過程。然后，再利用能量的轉(zhuǎn)化，設(shè)計(jì)需要的機(jī)器、設(shè)備，再將這些機(jī)器、設(shè)備整合成一個(gè)核電站。最后出示真正的“核電站示意圖”，讓學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的核電站和真正的核電站進(jìn)行對比，反思還需要哪些改正和修復(fù)，進(jìn)行進(jìn)一步完善。讓學(xué)生覺得這樣高科技的核電站，自己也能夠利用所學(xué)知識進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中不斷克服一個(gè)個(gè)困難，解決一個(gè)個(gè)問題。其實(shí)，高科技離我們是如此的近，高科技并不神秘。這樣STEM視野下的科學(xué)課堂，更能夠提高學(xué)生的思維品質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，最終培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。

總之，我們應(yīng)該更新教師的教學(xué)觀念，通過新理論學(xué)習(xí)，讓教師確立以生為本理念，轉(zhuǎn)變教學(xué)行為。將新穎的教學(xué)模式、教學(xué)手段引入我們的課堂。也就是在我們的科學(xué)課堂中引入基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，通過PBL學(xué)習(xí)策略，將STEM等多學(xué)科知識整合起來；為學(xué)生提供了一種學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生主動(dòng)探索真實(shí)的世界，設(shè)計(jì)真實(shí)生活問題的解決方案，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力；采用多元化的評價(jià)，從而充分發(fā)揮創(chuàng)新的才能；使學(xué)生充分接觸與工程相關(guān)的科學(xué)和技術(shù)；使學(xué)生能夠?qū)⒄n堂和真實(shí)的世界聯(lián)系起來。在這樣的STEM視野下，開展初中科學(xué)課堂學(xué)習(xí)，為真正提高學(xué)生的思維品質(zhì)打開了另一扇窗。

參考文獻(xiàn)：

[1]李揚(yáng). STEM教育視野下的科學(xué)課程構(gòu)建[D] .金華：浙江師范大學(xué)，2014：64-65.

[2]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2012：49.

[3]焦陽.初中科學(xué)教學(xué)中思維品質(zhì)的培養(yǎng)[D].大連：遼寧師范大學(xué)，2007：4-5.

[4]章晶晶. PBL的中學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)研究[D].長春：東北師范大學(xué)，2010：6-17.