小學科學STEM教育案例《小小電路工程師——樓道篇》教學實錄與評析

陳燚

隨著課程改革的加快發展，我國教育理念逐漸國際化。STEM教育是時下最熱門的教育理念之一。STEM教育源于美國，是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四個英文首字母的縮寫，不過它并不是指四門學科的簡單機械組合，而是一種以項目學習、問題解決為導向的跨學科式學習方式。

不過，目前小學階段STEM課程還處于探索階段，課程魚龍混雜，良莠不齊，很多學校或教育機構將機器人等高科技設備與STEM課程畫上等號。江蘇省省教科院副院長王國強曾提道：“如果能將STEM教育理念融入小學科學的教學中，融入課堂活動中，既不改變科學教學現有的知識體系，也不用額外花費時間和精力去開發新的活動，還能利用課堂教學這一主陣地，讓每位學生在綜合性的項目活動中學習科學知識、培養各項能力，真正發揮科學課程中科學、工程、技術相融合的綜合性、實踐性特征。”作為一線科學教師，在不斷開發相關的STEM課程外的同時，還應思考如何將STEM教育理念與實際科學課堂、科學知識進行有效融合。《小小電路工程師——樓道篇》就是在這個問題驅動下，對蘇教版小學科學五年級上冊《簡單電路》一課進行改編拓展，讓學生像科學家一樣去探究未知，經歷科學家解決問題的方式和路徑，在具體的情境中不斷發現問題，設計并修改、完善電路。教學環節層層遞進，激發學生深入思考，促進學生思維能力的提升。

一、教學過程

1.教學片段一：聚焦問題

師：生活中很多地方都運用到簡單電路，比如，小明家正在建一棟兩層小別墅，一樓是會客廳，二樓是臥室，學了簡單電路后，他自己給一樓到二樓的樓道間設計了一個這樣的簡單電路。你覺得這個電路安裝在這樓道間合適嗎？

生：合適。

師：晚上，小明想從一樓去二樓臥室休息，誰能結合這個情境說說這個電路如何操作使用？

生：不行，小明回臥室休息后，樓道的燈還亮著呢。

師：看來這個電路安裝在樓道間確實存在一定問題。那今天就請同學們來當小小電路工程師，來設計這樓道間的電路。

【設計意圖】STEM活動注重與生活的聯系，注重問題的解決。課堂伊始，以一個現實問題導入，將問題放到學生非常熟悉的背景下，在具體的情景中引導學生發現電路示意圖存在缺陷，激發他們探索的欲望。

2.教學片段二：初步設計

師：哪位同學來說說你的解決方法？

生：在二樓的地方再加一個開關。當小明在一樓時，撥動一樓的開關形成通路，小燈泡就亮了，小明就可以走到二樓，再撥動二樓的開關，形成斷路，小燈泡就滅了。

師：他的設計解決問題了嗎？那這個電路安裝在樓梯間還有沒有其他問題？

生：沒有問題。

師：在同學們的幫助下小明終于關掉樓道的燈，回臥室休息了。此時兩個開關分別處于什么狀態？這時，小明的爸爸回來了，他下班比小明晚。你發現問題了嗎？

生：發現了，爸爸開不了燈。

師：爸爸為什么開不了燈？

生：因為二樓的開關處于斷開狀態，是斷路。

師：這時爸爸撥動一樓的開關會怎么樣呢？看來同學們剛剛設計的這個電路只服務了小明自己，并不方便其他人。我們還得再想想辦法。

【設計意圖】解決二樓無法關燈這個問題是非常簡單的，給學生以成功的經歷，營造輕松的氛圍，緩解他們對抽象電路知識的恐懼心理，同時在情境中再發現問題，告訴學生考慮問題的全面性。

3.教學片段三：修改設計

生：重新設計一條電路，里面那條給小明用，外面那條給爸爸使用。

師：有人對他們的設計有疑問嗎？

生：如果這時媽媽回來了呢？

師：對啊，總不能有幾個人上樓就安裝幾條電路吧？看來這個電路有點局限性。我們還得再想想是不是？

生：在兩個開關之間連接一根杠桿，閉合一樓開關，二樓開關也會被閉合，燈就亮了;到二樓時，將二樓開關斷開，一樓開關也會相應被斷開，燈就熄滅了。

師：他們組用的機械原理解決了前一組出現的只能使用一次性的問題。這個電路家里幾口人都能重復使用嗎？同學們有什么想評價的嗎？

生：不美觀，也不太現實。

師：是啊，確實解決問題了，不過考慮實際安裝的情況，還有些困難，還有其他更好的辦法嗎？

生：在兩個開關之間連接一根導線。

師：你們的設計圖好像和上一組的設計圖差不多嘛！

生：不一樣，我們在兩個開關間加的不是杠桿，是導線。小明上樓時走的是①號電路，到二樓將二樓的開關切換到②號接觸點，燈就熄滅了。

師：那爸爸上樓怎么操作呢？

生：將一樓的開關閉合到②號電路接觸點，燈就亮了;到了二樓再將二樓的開關切換到①號電路接觸點，燈就熄滅了。

師：燈滅了嗎？那媽媽上樓呢？這個設計怎么樣？和你自己家樓道間的開關使用方法是不是一樣的？

【設計意圖】學生的思維隨著情境的推進而發散開來，學生的想法是多樣的，任何一個想法都值得鼓勵。學生們在組與組間的交流互動中，不斷發現問題再解決問題，思維不斷發散，設計的電路圖也不斷地完善。

4.教學片段四：設計元件

師：同學們很厲害，這個設計圖就是我們電路工程師所設計的電路圖，但是我們所認識的這個開關能實現這個操作嗎？你覺得需要一個什么樣的開關？

生：可以控制兩條電路的開關。

師：給你一塊木塊、3個圖釘、3根導線、1枚回形針，你能把這個開關制作出來嗎？

（學生制作單刀雙擲開關。）

師：哪位同學能說說這個開關是如何操作使用的？我們以前有沒有見過類似的開關？（紅綠燈）

【設計意圖】學生在思考設計電路圖的過程中，已經明確了問題所在，只是欠缺解決這個問題的工具，而將問題與課本上紅綠燈的開關聯系起來會發現，紅綠燈是一個開關控制兩盞燈，樓道電路是一個開關控制兩條電路，將知識遷移過來就很好地解決了問題。

二、教學評析

1.情境貫穿活動始終

無論是從科學課程本身特點考慮，還是從新課程標準中的基本理念出發，情境的創設是小學科學課堂必不可少的一部分。STEM教育活動一般都是按照這樣的進程推進的：先是聚焦問題，然后圍繞問題或任務開展探索，在探究的基礎上進行工程設計、產品制作或解決問題，這個過程可以反復進行，通過測試和評議反饋信息，不斷改進，直到完成項目并進行項目評價。不管是哪個環節，生活情境位于中心位置，是貫穿始終的。本節課設計以夜晚上下樓道開關燈的現實情境貫穿活動始終，主要基于這幾點考慮。（1）在情境中，激發學生的探究欲望。電路知識對于小學生而言有些枯燥乏味，將其與實際生活相結合，才能使課題變得更有趣味性，學生參與度更高。（2）在情境中，緩解學生的恐懼心理。兩地控制一盞燈的電路對于只學過簡單電路的五年級學生而言難度還是挺大的，但是將這問題放到一個學生非常熟悉的背景下時，學生與知識之間的距離被拉近，此時學生聯系實際需求去解決問題，難度也會有所降低。

2.問題推動思維發展

STEM教育，就是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，從活動背景的導入，到技術支撐的學習，再到工程問題的解決，讓學生在發現問題與解決問題間不斷循環，最后求得最佳解決方案。本節課以設計樓道間的電路為主線，由簡單的電路開始：“二樓關不了燈怎么辦？”到學生初步設計兩個開關后：“小明斷開二樓開關回臥室休息后，爸爸回來了也要開燈上樓怎么辦？”再到學生完善電路設計圖后：“以前認識的這種開關能滿足今天這個電路中開關的需求嗎？”隨著情境發展，一個又一個現實問題在層層遞進，將學生的思維一步一步推向更高處。在此過程中，學生習得了結果性知識，更重要的是獲得了項目問題解決中的過程性知識。

3.過程培養科學精神

通過本節課的學習，從初步設計到最后的成果展現，學生體會到科學知識并不遙遠，就在我們身邊。兩地控制一盞燈的電路是如何設計出來的？電路工程師的設計過程和同學們一節課所經歷的活動過程是相似的，包括自制的單刀雙擲開關，都在告訴同學們，科學知識并不高深，人類的好奇心和社會需求是科學技術發展的根本動力。

【參考文獻】

劉忠學.“技術與工程”領域教材設計[J].湖北教育，2019（06）：11-14.