STEM教育理念下的“設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單電路”教學(xué)案例

■孔 躍

一、背景和理念

當(dāng)今世界的競(jìng)爭(zhēng)說(shuō)到底是人才的競(jìng)爭(zhēng)。人才是中華民族實(shí)現(xiàn)偉大復(fù)興，贏得日趨激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的重要戰(zhàn)略資源。人才的培養(yǎng)離不開(kāi)教育，教育的發(fā)展必須跟上時(shí)代的步伐，STEM 教育就是在這個(gè)背景下發(fā)展起來(lái)的，其中S 代表科學(xué)（Science），T 代表技術(shù)（Technology），E 代表 工程（Engineering），M 代表 數(shù)學(xué)（Mathematics）。如果把STEM 教育當(dāng)作是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)這四門學(xué)科的機(jī)械疊加，就恰恰違背了STEM 教育的核心理念。STEM教育的核心理念是跨學(xué)科、融合性、開(kāi)放性、體驗(yàn)性、協(xié)作性、創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性和主體性。其課題的選取往往基于一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，通過(guò)情境創(chuàng)設(shè)、問(wèn)題分析、實(shí)驗(yàn)探究、數(shù)據(jù)分析、交流與展示、評(píng)價(jià)與思考等過(guò)程，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科有機(jī)融合，從而培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)意識(shí)、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，使他們成為擁有良好科學(xué)素養(yǎng)的公民。

如何將STEM 教育理念運(yùn)用在初中物理教學(xué)實(shí)踐中？筆者以蘇科版物理九年級(jí)上冊(cè)綜合實(shí)踐活動(dòng)“設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單電路”為例，談一談在初中物理課堂教學(xué)中實(shí)踐STEM 教育理念的做法和思考。

二、設(shè)計(jì)和流程

【課題選擇】“設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單電路”是“電路初探”這一章節(jié)中的最后一個(gè)教學(xué)內(nèi)容，是學(xué)生在學(xué)習(xí)了串并聯(lián)電路知識(shí)后的一次實(shí)際應(yīng)用。這節(jié)課內(nèi)容豐富，貼近實(shí)際，學(xué)生要靈活運(yùn)用所學(xué)的串并聯(lián)電路的知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，不僅要有解決問(wèn)題的能力，而且要有較強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力，是一節(jié)可以體現(xiàn)STEM 教育理念，運(yùn)用STEM教學(xué)策略的綜合實(shí)踐課程。

【教學(xué)目標(biāo)】1.了解簡(jiǎn)單電路在生活中的運(yùn)用實(shí)例，進(jìn)一步加深對(duì)串并聯(lián)電路的理解。2.通過(guò)簡(jiǎn)單電路模型的設(shè)計(jì)和制作，培養(yǎng)設(shè)計(jì)、動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神。3.體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程，學(xué)會(huì)與他人合作，感受學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。

【教學(xué)任務(wù)】1.設(shè)計(jì)病房呼叫電路。2.設(shè)計(jì)樓道燈電路。3.設(shè)計(jì)報(bào)警電路。4.設(shè)計(jì)未系安全帶提醒電路。

【教學(xué)資源】教學(xué)案、多媒體視頻、LED燈（若干）、干電池（若干）、蜂鳴器（若干）、導(dǎo)線（若干）、細(xì)導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)（單刀單擲和單刀雙擲若干）、彩色水筆、卡紙、橡皮泥、回形針、雙面膠、圖釘、牙簽等。

【教學(xué)流程】1.情境再現(xiàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。STEM 教學(xué)是基于現(xiàn)實(shí)情境的，需要學(xué)習(xí)者置身于真實(shí)、非虛構(gòu)的學(xué)習(xí)任務(wù)中。所以教師在課前要準(zhǔn)備一些貼近實(shí)際的多媒體視頻，讓學(xué)生了解這個(gè)領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)狀況；還可以介紹該領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)家及其研究成果，樹(shù)立榜樣，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。我提前在網(wǎng)上下載了一些視頻資料：《理科生浪漫起來(lái)簡(jiǎn)直沒(méi)文科生什么事》《紅外激光防盜報(bào)警器》，公益廣告片《Heaven can wait,belt up!》。

2.問(wèn)題導(dǎo)向，引入教學(xué)任務(wù)。問(wèn)題一：設(shè)計(jì)病房呼叫電路，在護(hù)士值班室里有幾盞指示燈和一個(gè)電鈴，在病房中的每個(gè)病床邊都有一個(gè)按鈕。這個(gè)電路是如何工作的？閱讀九年級(jí)教材上冊(cè)80—81 頁(yè)相關(guān)內(nèi)容。問(wèn)題二：在樓道中安裝電燈，要求在樓梯的上下兩端都能控制它，上樓時(shí)，能用下面的開(kāi)關(guān)S1開(kāi)燈，上了樓梯以后，能用上面的開(kāi)關(guān)S2關(guān)燈；下樓時(shí)，又能用S2開(kāi)燈，用S1關(guān)燈。問(wèn)題三：設(shè)計(jì)安全帶未系提醒電路，駕駛員在開(kāi)車時(shí)必須系好安全帶，原理：①司機(jī)坐在座位上，相當(dāng)于閉合開(kāi)關(guān)S；②系好安全帶，相當(dāng)于閉合開(kāi)關(guān)S1；③當(dāng)司機(jī)坐上座位，若未系好安全帶，指示燈亮；若系好安全帶，指示燈熄滅。問(wèn)題四：某農(nóng)場(chǎng)有一羊圈和值班室,為了防止狼闖入羊圈或羊從羊圈中跑出來(lái),請(qǐng)為值班室里的牧羊人設(shè)計(jì)一個(gè)報(bào)警電路。原理：情況正常時(shí)，值班室燈亮，電鈴不響；當(dāng)有牲畜闖入或跑出時(shí)，碰到柵欄會(huì)拉斷柵欄上的細(xì)導(dǎo)線，燈滅同時(shí)電鈴響。

3.團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)電路并動(dòng)手實(shí)踐。教師先將學(xué)生分成4～5 人的合作小組，發(fā)放“設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單電路”教學(xué)案，要求學(xué)生首先閱讀導(dǎo)學(xué)案上的相關(guān)內(nèi)容，了解任務(wù)要求、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、注意事項(xiàng)等，在學(xué)生了解相關(guān)電路器件的功能和實(shí)驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，由小組成員共同商量，確定一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)前，教師要規(guī)定活動(dòng)時(shí)間，要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。接下來(lái)，各小組成員分工合作，討論設(shè)計(jì)電路，并把電路圖先畫(huà)在紙上，然后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，將電路圖連接成電路模型，要求電路模型具有科學(xué)性、新穎性、實(shí)用性、安全性、真實(shí)性。這個(gè)階段是學(xué)生最喜歡的，學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力、交往能力、創(chuàng)造能力等得到展示和鍛煉。此時(shí)此刻，學(xué)生成了課堂的主角，而教師成了學(xué)生的伙伴和導(dǎo)師。教師不要過(guò)多干預(yù)，可參與到學(xué)生的小組討論中，適時(shí)點(diǎn)撥和提示。如果發(fā)現(xiàn)有的小組遇到了困難，教師也不要直接幫助解決，而是教給學(xué)生解決問(wèn)題的思路和方法。教師巡視各組的進(jìn)展情況，鼓勵(lì)學(xué)生利用教師提供的實(shí)驗(yàn)器材，發(fā)揮聰明才智，設(shè)計(jì)并制作出電路模型。

4. 展示交流，分享研究成果。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，各組學(xué)生完成了相關(guān)電路設(shè)計(jì)和模型制作。此時(shí)的課堂應(yīng)該成為學(xué)生展示交流、分享成果的舞臺(tái)。各小組選出2 名成員走上講臺(tái)展示本組設(shè)計(jì)的電路和制作的模型，并交流從設(shè)計(jì)電路和觀察現(xiàn)象中得出的結(jié)論。教師適時(shí)點(diǎn)撥提問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，讓學(xué)生在思考和回答問(wèn)題中加深對(duì)物理知識(shí)的理解。其他小組的學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)展示結(jié)束時(shí)給予評(píng)價(jià)，提出質(zhì)疑和改進(jìn)意見(jiàn)。

5.知識(shí)總結(jié)，思考深化應(yīng)用。課堂教學(xué)很快就結(jié)束了，但一節(jié)課的時(shí)間并不能解決所有問(wèn)題。學(xué)生在展示、交流、評(píng)價(jià)和質(zhì)疑的過(guò)程中，對(duì)已有設(shè)計(jì)方案提出改進(jìn)意見(jiàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有了新的發(fā)現(xiàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了新的質(zhì)疑。這些都有待于課后去探究和解決。課堂結(jié)束后，需要適時(shí)進(jìn)行總結(jié)，完成課后作業(yè)，促進(jìn)學(xué)生將零散的知識(shí)系統(tǒng)化。這時(shí)就需要教師精心設(shè)計(jì)一些思考題讓學(xué)生進(jìn)一步加深理解，讓學(xué)生通過(guò)課外閱讀，上網(wǎng)查閱資料，再次動(dòng)手改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，去探究更實(shí)用的電路。這樣不僅能加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，而且培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

三、體會(huì)和反思

從課堂狀態(tài)來(lái)看，這節(jié)課大多數(shù)學(xué)生能主動(dòng)參與，積極思考，踴躍發(fā)言，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望被充分調(diào)動(dòng)。運(yùn)用STEM 教育理念的課堂可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有了興趣，他們就會(huì)產(chǎn)生學(xué)習(xí)欲望，實(shí)現(xiàn)從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變。

學(xué)生的主體性得到充分體現(xiàn)。課堂上，教師講授不多，在材料閱讀、問(wèn)題分析、實(shí)驗(yàn)探究、交流展示、評(píng)價(jià)與思考等一系列環(huán)節(jié)中，主要都是由學(xué)生自主完成。教師只是起到指導(dǎo)、點(diǎn)撥和協(xié)助作用。解決問(wèn)題的過(guò)程、得到結(jié)論需要學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作和自主探究。運(yùn)用STEM 教育理念的課堂培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立自主、運(yùn)用知識(shí)、解決問(wèn)題的能力。

運(yùn)用STEM 教育理念的課堂教會(huì)了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的一般性方法，即發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、查閱資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析、得出結(jié)論。在這個(gè)的過(guò)程中，學(xué)生的計(jì)算能力、設(shè)計(jì)能力、組織能力、溝通能力、創(chuàng)新能力、合作精神等得到了鍛煉，為今后從事更加復(fù)雜的社會(huì)實(shí)踐和科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。

這節(jié)課讓學(xué)生體驗(yàn)到了成功的快樂(lè)，增強(qiáng)了學(xué)生的自信心。在STEM 教學(xué)理念下，學(xué)生體會(huì)到團(tuán)隊(duì)合作的重要性，意識(shí)到一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題的解決僅靠一人之力是很難完成的，必須有大家的參與和分工協(xié)作。問(wèn)題的結(jié)論往往也是開(kāi)放性的，沒(méi)有統(tǒng)一的答案。STEM 教育理念下的師生是平等的，有些問(wèn)題可能教師也不會(huì)，但也不必?fù)?dān)心，教師和學(xué)生可以一起學(xué)習(xí)討論，共同提高。

STEM 教育理念下的課堂讓教師感受到了學(xué)生的快樂(lè)、自信、主動(dòng)與能力。但是我們能否把每一節(jié)課都上成STEM 課呢？很顯然這是不現(xiàn)實(shí)的，也沒(méi)有必要。第一，國(guó)內(nèi)缺乏STEM課程的教學(xué)資源，有效的、針對(duì)性強(qiáng)的課程開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)也相對(duì)滯后。第二，受到教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)任務(wù)的制約，完成一個(gè)基于現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的STEM 課題往往要花費(fèi)幾節(jié)課、幾周甚至更長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)還需要學(xué)生花大量的時(shí)間和精力去廣泛閱讀和動(dòng)手實(shí)踐，而要做到這一點(diǎn)無(wú)疑是困難的。第三，受到當(dāng)下考評(píng)方式的影響，在STEM 課程中，學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)往往是碎片化的，知識(shí)的系統(tǒng)性和完整性沒(méi)有形成。學(xué)生也許有廣泛的知識(shí)面，有良好的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，但他們的考試成績(jī)并不一定優(yōu)秀。這些都是一線教師在實(shí)踐STEM 理念時(shí)所面臨的困難和阻礙。但作為一名新時(shí)代的教師，我們要有責(zé)任擔(dān)當(dāng)，要在教育教學(xué)改革中勇于探索，靈活地把STEM 理念運(yùn)用到平時(shí)的課堂教學(xué)中，把它作為傳統(tǒng)教學(xué)的有益補(bǔ)充。最后引用教育家蔡元培先生的一段話與大家共勉：“我們教書(shū)，是要引起學(xué)生的讀書(shū)興趣，做教員的不可一句一句或一字一字地都講給學(xué)生聽(tīng)，最好使學(xué)生自己去研究，教員不講也可以，等到學(xué)生實(shí)在不能用自己的力量去了解功課時(shí)，才去幫助他。”