巧改科學(xué)課教學(xué)具 開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維

許麗玲

在新一輪課程改革東風(fēng)的吹拂下，科學(xué)教師更加積極地投入科學(xué)課程改革的研究中。新課標(biāo)力圖改變過于注重知識(shí)傳授的傾向，強(qiáng)調(diào)形成積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)態(tài)度;力圖使學(xué)生獲得知識(shí)與技能的過程成為學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)和形成正確價(jià)值觀的過程。為了與新課程改革的理念相適應(yīng)，我們應(yīng)適時(shí)適度地改進(jìn)教材中的教學(xué)具，讓學(xué)生更主動(dòng)、更獨(dú)立、更具體驗(yàn)性和問題性地融入科學(xué)課堂的學(xué)習(xí)，開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。

一、借助人工智能創(chuàng)新教學(xué)具

人工智能涉及數(shù)學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、仿生學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制論、機(jī)械工程設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域，它可以更好地將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)聯(lián)系起來，提升學(xué)生的科技創(chuàng)新素養(yǎng)。在《做個(gè)太陽能熱水器》課例中，由于一天中太陽東升西落，季節(jié)不同，陽光的照射高度和晝夜長(zhǎng)短也不同，太陽的位置是在始終變化的。設(shè)計(jì)的太陽能熱水器如何讓陽光保持直射，吸收更多的光和熱呢？隨著科技的發(fā)展，人工智能已經(jīng)和我們的生活緊密相連，讓我們的生活變得更加便捷和智能化，也讓我們能更好地利用自然資源和自然規(guī)律。此時(shí)借助人工智能技術(shù)制作的創(chuàng)新教具太陽能熱水器智能旋轉(zhuǎn)底座（此智能底座由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪減速系統(tǒng)，再傳動(dòng)到底座上的轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，另有控制底座旋轉(zhuǎn)快慢的主機(jī)。可以依據(jù)太陽運(yùn)動(dòng)的規(guī)律來編輯控制底座旋轉(zhuǎn)方式的程序?qū)胫鳈C(jī)上。連接主機(jī)與底座，打開控制開關(guān)，智能底座便執(zhí)行命令開始朝向太陽旋轉(zhuǎn)了。而且，當(dāng)季節(jié)不同太陽高度角發(fā)生變化時(shí)，還可以利用底座上的棘輪裝置調(diào)整太陽能熱水器的傾斜角度。）很好地解決了這個(gè)問題。在大數(shù)據(jù)背景下的人工智能應(yīng)用，追蹤太陽位置的方式不僅限于一種，也可以是利用圖像識(shí)別技術(shù)開發(fā)的傳感器、顏色傳感器、光敏傳感器等。編輯的程序也視具體任務(wù)和使用的零件而定，引入人工智能的概念在于營(yíng)造學(xué)生與時(shí)俱進(jìn)的意識(shí)，初步明白人工智能設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器智能旋轉(zhuǎn)底座的開發(fā)利用，進(jìn)而意識(shí)到人工智能領(lǐng)域已經(jīng)與我們生活緊密相連，讓學(xué)生體會(huì)學(xué)無止境、創(chuàng)新可貴。機(jī)器人技術(shù)和科學(xué)課堂有效融合，可以營(yíng)造充滿創(chuàng)意的智能教育環(huán)境。

二、融合STEM創(chuàng)新教學(xué)具

與STEM教育理念不同，探究式學(xué)習(xí)方式的科學(xué)課堂主要讓學(xué)生在科學(xué)課中自己探索問題;強(qiáng)調(diào)在科學(xué)課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)類似于學(xué)術(shù)研究的情境，讓學(xué)生通過動(dòng)手做、做中學(xué)主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)問題、實(shí)驗(yàn)、操作等探究活動(dòng)獲得知識(shí)，培養(yǎng)能力，特別是發(fā)展探索精神與創(chuàng)新能力。通過創(chuàng)新具有STEM教育理念的探究教具，將有顯著STEM式學(xué)習(xí)特色的科學(xué)課堂和探究式學(xué)習(xí)特色的科學(xué)課堂進(jìn)行有效融合，可以更大限度地開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。以《金屬熱脹冷縮嗎》一課為例，在傳統(tǒng)的科學(xué)課堂中，這是一節(jié)典型的探究課，如何融入STEM創(chuàng)新教具呢？教材中第二個(gè)探究實(shí)驗(yàn)原型是用一段30厘米左右長(zhǎng)的鋼條做一個(gè)橋的模型，然后給“橋”（鋼條）加熱，觀察加熱后鋼條伸長(zhǎng)并擠歪大頭針來探究鋼條是否具有熱脹冷縮的性質(zhì)。為了更好地開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，我結(jié)合了教材中“鋼鐵造的橋在溫度變化時(shí)會(huì)熱脹冷縮。因此，鐵橋通常都架在滾軸上”這個(gè)拓展延伸，從材料和方法兩方面進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出了架在滾軸上的橋模型，通過給橋加熱探究金屬熱脹冷縮的性質(zhì)。（該裝置利用兩根熱膨脹系數(shù)較大的U形鋁條模擬橋梁，并在橋梁之間預(yù)留間隙作為伸縮縫。橋梁與橋墩之間用滾珠軸承相連作為可移動(dòng)支座，使橋梁因熱脹冷縮形變時(shí)可以平滑位移。將簡(jiǎn)單電路連入橋的兩端，通過小燈泡發(fā)光和蜂鳴器的聲音來反映金屬熱脹冷縮的現(xiàn)象。在教學(xué)過程中首先給每組學(xué)生提供搭建材料，在學(xué)生認(rèn)真熟悉了實(shí)驗(yàn)材料之后再給出工程任務(wù)——利用教師提供的材料，搭建一座簡(jiǎn)易的橋模型，并用搭建的模型探究金屬鋁熱脹冷縮的性質(zhì)。在搭建之前，教師要求小組之間像工程師一樣先討論并設(shè)計(jì)搭建方案，再把設(shè)計(jì)方案畫在設(shè)計(jì)稿上。雖然給每個(gè)小組提供了相同的實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案卻不盡相同，這體現(xiàn)了結(jié)果的開放性。）本課例改進(jìn)的教具，結(jié)合了當(dāng)下最新的STEM教育理念，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生以建一座能探究金屬熱脹冷縮性質(zhì)的橋?yàn)槿蝿?wù)，投入工程實(shí)踐的一般過程，促進(jìn)學(xué)生將探究與技術(shù)工程更融合地學(xué)習(xí)，有助于發(fā)展學(xué)生的高階思維技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)。

三、化微觀為宏觀

科學(xué)課探究講究實(shí)證意識(shí)，但有時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象卻不明顯，學(xué)生易失去耐心和興趣。此時(shí)教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，利用微觀化宏觀的思維方式，積極改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教具，可以很好地開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，甚至可以培養(yǎng)學(xué)生更全面的思維方式。同樣以《金屬熱脹冷縮嗎》一課為例，金屬熱脹冷縮的變化是極其微觀的，除了看到金屬熱脹冷縮的過程，能不能看到金屬熱脹冷縮的多角度變化過程呢？孔子說：“不憤不啟，不悱不發(fā)。”在學(xué)生經(jīng)歷了一番頭腦風(fēng)暴之后，教師與學(xué)生一起討論研究，自主創(chuàng)新的探究教具光影金屬熱脹冷縮演示器（本裝置依據(jù)光的直線傳播原理，通過投影放大待探究金屬的影子，通過觀察屏上的影子，放大了金屬熱脹冷縮的動(dòng)態(tài)變化過程。）可以建構(gòu)學(xué)生更完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生更全面的思維方式。在制作的過程中，學(xué)生潛移默化地將化微觀為宏觀的創(chuàng)新理念深刻地記在心中，這在以后的科學(xué)課程乃至其他科目的學(xué)習(xí)過程中，將成為重要的創(chuàng)新思維方式，影響深遠(yuǎn)。