如何在科學教學中融合STEM教育理念

胡海濤

教育部于2017年 2月頒布的《義務教育小學科學課程標準》中指出：“科學、技術、工程與數學（Science， Technology， Engineering and Mathematics， STEM）是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，它將科學、技術、工程、數學有機地融合為一體，有利于學生創新能力的培養。科學教師可以嘗試運用于自己的教學實踐。”然而，科學教師具體怎么嘗試、怎么實踐，課程標準中沒有詳細的指導，這給廣大喜歡STEM教育的教師們帶來了一定的困惑。其實，“科學、技術、工程、數學”等學科彼此間是相互交融、相互影響的，STEM教育的價值恰恰在于既保存了每一門學科具備的特殊性，又將其可以相互滲透、相互融合的部分結合在一起，從而促進了各學科的融合發展。

青島出版社小學《科學》教科書的技術與工程部分中，多節設計與制作類型的課中都體現了STEM教育理念。例如，《走進虛擬世界》一課，讓學生通過自制一個VR鏡來體驗與了解VR技術，充分展現了STEM的教育理念，使學生明白“任何工程都需要借助數學和技術來完成，且不能違背科學和自然規律”。

鑒于筆者是《走進虛擬世界》一課的編寫者，在這里把這一課的教學設計思路奉獻給大家，希望能讓廣大科學教師對“技術與工程”部分的STEM教育理念有個詳細的了解。

針對VR眼鏡一課的教學活動，筆者設計了以下幾個環節。

一、引發需求

教師首先播放一壯漢帶著VR眼鏡觀看VR電影產生“害怕”反應的視頻。隨后教師問學生：視頻中的壯漢為什么會嚇得癱倒在地呢？然后，教師再播放一段“過山車”的VR視頻給沒帶VR眼鏡的學生看，看完提問：你們覺得可怕嗎？為什么我們的反應和他不一樣？這樣以問題解決為導向，讓學生通過討論得出，要想看VR電影就需要有VR眼鏡，引發制作的需求。

二、探究原理

教師出示多種VR鏡的圖片和一個VR鏡實物，并引導學生觀察VR鏡的結構，包括鏡蓋、鏡片、鏡身。接著，就“看VR視頻時，VR鏡哪一部分起到了重要的作用呢？”這一問題展開實驗。實驗時學生一只手將放大鏡放到眼前，將另一只手的手掌放到放大鏡前，并前后慢慢移動到合適的位置，就能通過放大鏡看到清晰放大的手掌掌紋（如右圖）。同樣，也正是放大鏡的放大作用使我們看到了放大清晰的VR視頻。

放大清晰的像有了，可是VR視頻中那強烈的立體感是怎么產生的呢？為了解決這個問題，教師帶領學生做“一只眼睛對手指”的游戲。游戲規則：一同學閉上一只眼睛，用自己的食指從上往下去觸碰眼前另一個同學的食指（如左圖）。通過游戲，使學生感受到“一只眼睛看物體時立體感比較差，只有兩只眼睛同時看物體才能在大腦中形成明顯的立體感”，從而明白VR鏡需要將兩片放大鏡同時使用才能起到立體的效果。

以上兩個探究活動表明：VR鏡是含有科學原理的技術產品，體現了本課的科學性。

三、創意設計

做VR鏡時首先要做個長方體的盒子，由于自制VR鏡是用手機做屏幕的，手機要放到盒子里，所以盒子的長和寬分別比手機的長和寬略大。可是盒子的高度怎么確定呢？教師引導學生再次討論放大鏡的使用方法，用放大鏡看手機屏幕，量出圖像清晰時放大鏡到屏幕之間的距離（近似于焦距），這個距離就是盒子的高度了。這樣，在設計盒子的長寬高的過程中用到了數學學科的知識。正是“盒子的高度等于放大鏡到屏幕的距離”，才保證了我們通過盒子能看到放大清晰的手機視頻，并能在我們的頭腦中形成立體效果，設計很精巧，有技術含量，體現了本課的數學性。

四、技術制作

根據自己的創意設計，用剪刀和卡紙、雙面膠帶剪出并粘貼成一個帶有蓋子的長方體盒子，并根據自己兩眼的距離，在盒子的相應部位開兩個小孔，孔的大小比放大鏡略小，把兩個放大鏡粘貼在盒子小孔的內部，蓋上盒子，VR鏡就做成了。完成后引導學生理解：“我們根據需求對卡紙、放大鏡等材料的利用和改造就是技術。”從而體現了本課的技術性。

五、應用體驗

將手機播放VR電影后，放在自制的VR鏡里，手持VR鏡看VR電影，體驗身臨其境的VR效果。看完電影之后，引導學生理解：“為滿足我們的需要，運用科學和技術進行設計、制造VR鏡的活動就是工程。”

回顧教學活動設計：首先，通過為學生提供視頻情境引發他們對VR鏡的個體需求，并激發學生參與制作與設計活動的強烈動機;其次，放大鏡的“特殊使用”實驗揭示了VR鏡的使用原理（體現科學），同樣“一只眼睛看物體立體感差，兩只眼睛看物體才能在大腦中形成很強的立體感”的實驗也蘊含著科學原理（體現科學）;接著，以測量為主要方式對VR鏡的外殼進行設計，設計出一個長方體盒子（體現數學）;然后，各小組根據自己的設計，利用工具進行制作加工，落實自己的設計（體現技術）;最后，將自己的作品應用體驗于生活（體現工程）。整個設計通過科學、數學、技術、工程四門學科的融合，讓學生體驗享受完整的STEM活動過程，并引導學生對活動過程進行抽象、概括，繼而形成“技術”和“工程”的主要概念，達到課程標準中的要求。

【作者單位：煙臺市芝罘區葡萄山小學? 山東】