STEM理念下項目式學習的實踐探索

顧潔

STEM理念下的項目式學習，強調為學生提供真實生活中的情境，引導他們運用科學、技術、工程、數學等學科知識，通過層層遞進的科學探究和工程設計等活動，完成主題項目，解決生活中的實際問題，從而提高他們的思維能力和解決問題的能力。以《點亮紅綠燈》為例，教師從實際問題出發，以項目式學習為主線，以科學探究、工程設計與制作為基礎，不斷地用問題驅動課堂教學。

教學目標

本案例是圍繞教科版小學科學四年級《電》單元的教學目標進行的，指向物質科學領域，涉及課程標準中的主要概念是：認識電是生活和工作中常用的能量來源;了解安全用電常識;知道常用電器的工作需要一個完整的回路;知道開關的功能，能用一些基本組件連接一個簡單電路;知道有的材料容易導電，有的材料不容易導電。由此確定本案例的分科教學目標：

科學：要讓燈泡亮，必須形成一個電流的回路。開關可以用來連接或斷開電路。

技術：設計簡單開關，使其可以控制一盞燈，以及紅綠燈、紅黃綠燈的亮和滅，利用電路圖解釋原理。

工程：通過小組合作制作簡單開關，并會對其進行改進，用開關控制一盞燈，以及紅綠燈、紅黃綠燈的亮和滅，能夠根據電路圖進行實物的連接。

數學：能借助圖形和線條準確表示電路實物圖中的各部分，及電路的連接。

本案例主要針對小學四年級學生，根據他們的知識儲備和探究能力，共安排了3個活動“點亮小燈泡”“導體和絕緣體”和“做個小開關”，在此基礎上進行紅綠燈的設計制作與測試優化。本案例共用5課時，內容包含：點亮小燈泡、導體和絕緣體、做個小開關、設計制作紅綠燈和測試優化紅綠燈。

教學過程

1.問題與聚焦

隨著科技的發展，國內汽車保有量已經達到了驚人的地步，人們出行最頭疼的問題就是堵車。馬路上我們隨處可見的紅綠燈，是設置于交叉路口或一些特殊地點，指示車輛及行人停止、注意與行進的交通管制設施。如果沒有紅綠燈，交通的擁堵情況將無法想象，人們的出行安全也無法得到保障。那么，紅綠燈是如何做到光色訊號更換的呢？為了解決這一問題，我們開展《點亮紅綠燈》的項目式活動。

2.活動一：點亮小燈泡

四年級學生對于電路的相關知識還不是很清楚，因此，通過一系列活動幫助學生初步認識電的本質，是他們學習制作紅綠燈的基礎。教師從家里或教室的電燈入手，引導學生發現問題：為什么閉合開關，電燈就會亮呢？教師先組織學生觀察、認識小燈泡的構造，再引導他們嘗試自己點亮小燈泡，想辦法使小燈泡亮起來的同時，用手比畫說說電流是怎么流動的，并做好記錄，用箭頭畫出電流流動的方向。

點亮小燈泡的方法不止一種，教師鼓勵學生盡可能地多嘗試幾種連接方式，有利于培養他們的創新思維和發散思維。通過各小組的展示、匯報，引導學生一起分析能夠點亮小燈泡的共同之處：只有電流流過燈絲時，小燈泡才會發光。教師介紹并與學生一同總結：電流從電池的正極流出，經過導線到達小燈泡的一個連接點，電流從這個連接點進入，經過燈絲再從另一個連接點流出，經過導線回到電池的負極，電流形成了回路，使小燈泡發光。

這個活動中，學生還會學習用簡單符號畫電路圖的方法（如圖1），能借助簡單電路圖準確表示電路實物圖中的各部分，及電路的連接方式，為后面的學習奠定基礎。

圖1? 電路實物圖和簡單電路圖

3.活動二：導體和絕緣體

這個活動中，學生在了解簡單電路的基礎上，學習如何連接電路檢測器，并能利用電路檢測器正確進行各種物質導電性的檢測，認識到有的物質易導電，這樣的物質叫作導體，有的物質不易導電，這樣的物質叫作絕緣體。這樣可以使學生對身邊物質性質的認識得到進一步發展，同時加深他們對電的理解。

活動先以“點亮小燈泡PK賽”導入，既對活動一的內容進行了回顧，又激發了學生的探究興趣。這時教師展示用3根導線連接的電路（如圖2），提出問題：如果把導線1和導線2斷開后小燈泡還亮嗎？你有沒有什么辦法，在斷開的地方放個材料讓電流繼續通過，使小燈泡亮起來？學生通過實驗發現，鐵片、銅絲接入電路都能使小燈泡亮起來，說明電流能夠通過鐵片、銅絲。教師向學生介紹，像這種能夠檢測是否有電流通過的裝置叫作電路檢測器。

活動時，教師應給學生充足的時間進行探究，學生分小組根據要求制訂研究計劃，通過檢測12種常見物體是否導電，讓他們積累經驗去認識生活中的導體和絕緣體（見表1）。教師并沒有提供全部的12種物體，而是留一些“空白”給學生，期望學生能留心身邊的物體，讓科學回歸于生活。學生通過親身經歷、動手操作來實施檢測步驟，并利用表格記錄實驗數據，再整理、分析并總結導體和絕緣體的特點。這也體現了把課堂還給學生，通過探究式學習，發展他們的科學探究能力和思維能力。

表1? “導體和絕緣體”的檢測記錄表

第? ? ?小組

[物體名稱 預測 檢測1 檢測2 檢測表明 亮 不亮 亮 不亮 亮 不亮 容易導電 不容易導電 1 銅鑰匙 2 塑料棒 3 塑料尺 4 木片 5 鐵釘 6 鋁片 7 紙板 8 玻璃棒 9 回形針 10 橡皮 11 12 ]

最后以游戲——“玩一玩人體導電球”為拓展活動，全班同學手拉手，一起點亮導電球。教師提問：導電球亮了，說明我們人體是導體嗎？適時進行安全用電教育。

4.活動三：做個小開關

教師創設情境：這個電路中的小燈泡一直在亮著，很浪費電，你有什么方法可以控制小燈泡的亮和滅嗎？從而引出本活動的“主角”——小開關，引導學生仔細觀察小開關，并把發現用“簡圖+關鍵詞”的形式記錄下來。在認識了小開關的主要構造及材料特點后，學生嘗試將小開關連接到電路中，探究它是怎樣控制電路的連接與斷開的。

如何利用身邊的材料設計并制作一個簡單的小開關呢？教師提供材料：帶有鱷魚夾的導線、木塊、金屬環（如圖3）;學生以小組合作的形式討論、設計、制作一個小開關，并能用它來控制電路。制作完成后，全班展示交流，教師追問：為什么開關閉合的時候小燈泡會亮，斷開的時候小燈泡會滅？

圖3? 做個小開關實驗材料

5.活動四：設計制作紅綠燈

教師提出問題：我們能不能用開關控制兩盞燈，生活中有沒有這樣的例子？之后介紹：其實我們常見的紅綠燈就是這樣的例子。

教師先通過設置連續的疑問，啟發學生思考：這個開關有什么樣的特點？要求開關連接到紅燈時，紅燈亮，綠燈不亮;連接到綠燈時，綠燈亮，紅燈不亮，這樣的開關應該怎樣設計呢？活動三中，我們設計的控制一盞燈的開關上有兩個金屬環，現在加了一盞燈，兩個金屬環還夠不夠？我們應該在原來的小開關上如何改進呢？學生在這樣頭腦風暴式的思考中，通過小組討論，逐步形成開關的設計思路。此時，教師引導學生將設計的紅綠燈的電路圖記錄下來（如圖4）。

圖4? 紅綠燈電路圖

接下來就是學生動手制作紅綠燈的時間了，按照設計好的電路圖，根據提供的材料進行連接（如圖5）。學生通過實踐發現，紅燈和綠燈都分別有兩根導線（一紅一藍），兩根紅色的導線可以連接在開關的兩個金屬環上，另外一個金屬環用導線連接到電池的正極。為了連接方便，我們可以用一根特殊導線，一頭是鱷魚夾直接夾住紅燈和綠燈的兩根藍色導線，一頭連接到電池的負極，這樣紅綠燈的電路就連接完成了（如圖6）。

圖5? 紅綠燈實驗材料

圖6? 紅綠燈電路實物連接圖

6.活動五：測試優化紅綠燈

各小組對制作的紅綠燈電路進行測試，看電路是否符合要求，并介紹是怎樣控制紅綠燈的，若未達到預設要求，繼續對電路加以改進。

教師提出新問題：生活中我們看到的不僅僅只有紅燈和綠燈，還有黃燈，如何對紅綠燈的電路進行方案優化，設計出一個開關，能控制紅、黃、綠三盞燈的亮和滅呢？學生以小組為單位，先進行電路圖的優化，再根據提供的材料進行實物連接（如圖7、圖8），最后進行全班分享、交流，并對本項目學習案例進行總結：（1）小組在設計制作過程中遇到了哪些困難？是如何解決的？（2）本項目學習案例中，你們有哪些收獲和體會？（3）你對設計制作的紅黃綠燈作品還有什么改進與優化的建議嗎？

圖7? 紅黃綠燈電路圖

圖8? 紅黃綠燈實物連接圖

7.學習評價

評價是促進學生成長、教師專業發展和提高課堂效率的重要手段之一，在項目式學習中是必不可少的一部分。本案例中，學習評價是貫穿于整個教學過程中的，學生根據學習過程和學習結果進行自我評價（見表2）。

教學反思

1.著眼真實性問題

STEM理念下的項目式學習是對真實世界中遇到的問題進行深入調查和學習，并通過合作找出答案，這也是STEM教育和傳統科學教育的不同之處。教師引導學生關注真實情境下的“紅綠燈”并提出明確目標，促使他們積極主動地參與項目式學習，通過解決若干個問題，最終呈現出完整的作品。學生在整個活動過程中，經歷了“聚焦問題—調查分析—活動體驗—設計與制作—測試與優化—展示與評價”等基本步驟，這使得學生的思維能力和解決實際問題的能力得到提高。

2.實現跨學科教學

STEM理念下的項目式學習是一門跨學科的整合性課程，也是一門內容豐富的開放性課程，以提高每個學生的STEM素養為目標。項目式學習的特點與STEM教育理念是非常契合的，選擇合適的項目通常能將各學科要素有機融合在一起。在《點亮紅綠燈》中，學生需要靈活運用各學科知識，經歷科學探究和工程設計的學習過程，完成主題項目，從而提高自身的科學素養。

3.設計遞進式活動

STEM理念下的項目式學習不是簡單的一節課，而是需要學生通過一段時間的調查、探究、實踐來解決真實問題的一種學習方式。《點亮紅綠燈》中，教師根據學生的知識儲備和探究能力水平，先布置了“點亮小燈泡”“導體和絕緣體”和“做個小開關”3個學習活動，讓學生在由淺入深、層層遞進的實踐中打下扎實的知識基礎;再在此基礎上，引領學生進行紅綠燈的設計制作與測試優化，讓他們在一步步探究、一次次測試中發現問題，解決問題，最終完善方案。

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