初中科學(xué)STEAM 課程教材編寫(xiě)淺析
——以浙教版科學(xué)《溫度計(jì)》為例

陳振峰

（浙江省溫州市第十七中學(xué)，浙江 溫州 325000）

從《科學(xué)（7-9 年級(jí)）課程標(biāo)準(zhǔn)》到李克強(qiáng)總理對(duì)“創(chuàng)客”的肯定，大家會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)今的教育和社會(huì)越發(fā)關(guān)注學(xué)生能夠進(jìn)行靈活遷移所學(xué)知識(shí)，應(yīng)用數(shù)學(xué)和工程技術(shù)解決真實(shí)世界的問(wèn)題。從這個(gè)目標(biāo)出發(fā)，作為教師需要不斷提高學(xué)科專業(yè)知識(shí)和教學(xué)能力，但與此同時(shí)，更缺少相應(yīng)的STEAM 性質(zhì)的拓展性課程教材。因此筆者以浙教版七上科學(xué)《溫度計(jì)》部分的課本知識(shí)為依托，借助同事和教研員的力量，將STEAM 的相關(guān)理念作為材料編寫(xiě)和活動(dòng)設(shè)計(jì)的核心，針對(duì)七八年級(jí)學(xué)生的知識(shí)特點(diǎn)，編寫(xiě)了一個(gè)主題拓展性課程。

一、教學(xué)目標(biāo)和整體設(shè)計(jì)

STEAM 框架下的拓展性課程強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)以跨學(xué)科的課堂形式整體出現(xiàn)，要求四門(mén)學(xué)科在教學(xué)過(guò)程中必須找到不同學(xué)科知識(shí)點(diǎn)之間的連接點(diǎn)和整合點(diǎn)，將分散的課程知識(shí)按實(shí)際問(wèn)題和項(xiàng)目結(jié)構(gòu)化，通過(guò)有序的問(wèn)題或場(chǎng)景有機(jī)地串聯(lián)起來(lái)，使整個(gè)課程各要素形成有機(jī)結(jié)構(gòu)。根據(jù)STEAM 要求，因此此次的課程內(nèi)容整合方式，采用的是知識(shí)整合取向模式中的基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)模式，將學(xué)習(xí)任務(wù)和動(dòng)手實(shí)踐活動(dòng)嵌入在有意義的真實(shí)問(wèn)題情境中，通過(guò)學(xué)生協(xié)同的思考討論和合作交流解決相關(guān)問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的進(jìn)一步理解和建構(gòu)，從而習(xí)得隱含在問(wèn)題背后的各學(xué)科知識(shí)和能力素養(yǎng)，形成解決問(wèn)題的技能和勤于動(dòng)手的態(tài)度。根據(jù)七八年級(jí)學(xué)生所學(xué)內(nèi)容和具有的基礎(chǔ)能力，筆者選用了《溫度計(jì)》這一拓展對(duì)象，在課本原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行STEAM 的拓展性學(xué)習(xí)。在整體的內(nèi)容安排上，以溫度計(jì)的分類為明線，以溫度計(jì)的發(fā)展歷史為暗線，一明一暗，學(xué)科知識(shí)結(jié)合人文關(guān)懷，這樣的設(shè)計(jì)旨在讓學(xué)生能夠以更寬泛的視角看待事物，不僅關(guān)注溫度計(jì)本身的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，更要注意到科學(xué)研究背后承載的人文溫度，真正做到通過(guò)課程的學(xué)習(xí)讓學(xué)生的綜合能力得到發(fā)展和提升。在學(xué)習(xí)方式上，既有閱讀、思考分析、討論等腦力層面，也有制作、使用、探究等動(dòng)手層面。針對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)場(chǎng)景，思考和討論是主要場(chǎng)景，而且大多的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)也是在課本指示和實(shí)驗(yàn)操作手冊(cè)下的簡(jiǎn)單模仿，真正基于實(shí)際問(wèn)題和場(chǎng)景的動(dòng)手操作少之又少。因此在整個(gè)設(shè)計(jì)中，在完成前期的任務(wù)驅(qū)動(dòng)和支架學(xué)習(xí)后，中后期的重點(diǎn)就落在學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐上，突出STEAM 的工程要素，讓學(xué)生依次經(jīng)歷樣品的設(shè)計(jì)、制作、改進(jìn)、迭代一系列真實(shí)的產(chǎn)品制作過(guò)程，體驗(yàn)完整的開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，對(duì)真實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)有一定的認(rèn)識(shí)。最后提供資源性支架和活動(dòng)性支架，為學(xué)生后續(xù)進(jìn)一步地改進(jìn)和開(kāi)發(fā)提供一定的學(xué)科知識(shí)支持，讓此次課程的生命力得到更加持久地延續(xù)，讓學(xué)生在課外能夠繼續(xù)根據(jù)興趣延展樣品的“寬度”和“深度”。

二、環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)和拓展思考

（一）課程中情境性的體現(xiàn)

基于STEAM 課程的理念，整個(gè)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該具有情境性特征，它要求教師們不是教授學(xué)生孤立的、抽象化的學(xué)科知識(shí)，而應(yīng)該是把學(xué)科知識(shí)還原在真實(shí)生活或歷史發(fā)展中，結(jié)合有趣或具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，通過(guò)學(xué)生完成一系列問(wèn)題實(shí)現(xiàn)教學(xué)。STEAM 課程強(qiáng)調(diào)知識(shí)應(yīng)該是學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)環(huán)境互動(dòng)構(gòu)建的產(chǎn)物，而非來(lái)自教師和課本等的簡(jiǎn)單外部灌輸。因此在此課程中以溫度計(jì)的發(fā)展為暗線，讓學(xué)生以第一視角參與到溫度計(jì)的改良和設(shè)計(jì)中去，在解決情境問(wèn)題的同時(shí)，體驗(yàn)科學(xué)的進(jìn)步歷程，獲得知識(shí)和社會(huì)性的多重成長(zhǎng)。

【課程節(jié)選1：】

溫度是表示物體冷熱程度的物理量，從古至今人類能感受到大自然中溫度的不同：火是燙的，冰是冷的，夏季是炎熱的，冬季是寒冷的。從史料來(lái)看，中國(guó)人很早就確立了寒、冷、溫、熱的“溫度”概念，先秦時(shí)期觀察“瓶中之冰”、南朝已使用“腋下溫度”，還通過(guò)“火候”“物候”測(cè)定超高溫、預(yù)測(cè)未來(lái)氣溫趨勢(shì)等，像“春暖花開(kāi)”“天寒地凍”“爐火純青”最早都是古人推測(cè)氣溫的用語(yǔ)。但古人對(duì)溫度高低的辨別并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越需要一把測(cè)量溫度的“尺子”。經(jīng)過(guò)各個(gè)時(shí)代科學(xué)家的努力，終于找到了測(cè)量溫度的“尺子”——溫度計(jì)。

1593 年，意大利科學(xué)家伽利略發(fā)明了世界上第一支溫度計(jì)。該溫度計(jì)是用一根細(xì)長(zhǎng)的玻璃管，它的一端是玻璃泡（空心球形泡），另一端開(kāi)口事先往管內(nèi)灌少許帶色的水，然后把開(kāi)口倒過(guò)來(lái)插在帶色水的容器里。在玻璃管上等距離地標(biāo)上刻度。

1632 年，法國(guó)物理學(xué)家雷伊（J.Ray）第一個(gè)改進(jìn)了伽利略的溫度計(jì)。他將伽利略的裝置倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，將水注入玻璃泡內(nèi)，而將空氣留在玻璃管中，仍然用玻璃管內(nèi)水柱的高低表示溫度的高低。由于這項(xiàng)改進(jìn)使水成了測(cè)溫物質(zhì)，實(shí)際上這成了第一支液體溫度計(jì)。由于向上的管口沒(méi)有封閉，水會(huì)不斷蒸發(fā)，必將影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

（二）課程中工程性的體現(xiàn)

STEAM 課程不僅強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過(guò)各種方式獲取抽象知識(shí)，更強(qiáng)調(diào)學(xué)生動(dòng)手制作出相關(guān)樣品或設(shè)計(jì)概念性模型。科學(xué)在于認(rèn)識(shí)世界，解釋自然界的客觀規(guī)律，技術(shù)和工程則是在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)自然的控制和利用，解決社會(huì)和科學(xué)發(fā)展中的各種問(wèn)題。按照科學(xué)和數(shù)學(xué)規(guī)律在教學(xué)過(guò)程中開(kāi)展動(dòng)手實(shí)踐是科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)和工程整合的重要途徑，因此學(xué)生通過(guò)動(dòng)手制作和設(shè)計(jì)，才能促進(jìn)學(xué)科知識(shí)的融合和遷移運(yùn)用，通過(guò)作品外化顯現(xiàn)學(xué)習(xí)成果和習(xí)得的能力。這不僅是獲得成就感的重要方式，也是維持和激發(fā)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)，保持好奇心的重要途徑。

【課程節(jié)選2：】

制作一支伽利略式溫度計(jì)

1.取一只燒瓶，在瓶口塞上一個(gè)帶細(xì)玻璃管的橡膠塞，確保裝置氣密性完好。

2.用雙手捂住燒瓶30 秒，使瓶?jī)?nèi)空氣受熱膨脹，排出一部分空氣。

3.把玻璃管插入紅墨水中，燒瓶?jī)?nèi)空氣受冷收縮，讓水進(jìn)入到細(xì)玻璃管內(nèi)形成水柱。

4.用溫水或冰水接觸燒瓶，觀察玻璃管內(nèi)水柱的變化情況。

請(qǐng)你發(fā)揮想象，設(shè)計(jì)一款未來(lái)的溫度計(jì)，簡(jiǎn)要說(shuō)明它的樣式和具有的奇特之處。

（三）課程中技術(shù)性和數(shù)學(xué)性的體現(xiàn)

STEAM 課程的跨學(xué)科性意味著在教學(xué)過(guò)程中，不再將重點(diǎn)放在某個(gè)特定學(xué)科上，而是將重心放在特定的某個(gè)待解決的問(wèn)題上，強(qiáng)調(diào)利用科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)科相互聯(lián)合解決問(wèn)題。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，要求學(xué)生能夠利用技術(shù)手段和數(shù)學(xué)思維簡(jiǎn)化和激發(fā)研究過(guò)程，并通過(guò)技術(shù)手段讓結(jié)果和樣品更加多元化和直觀化，讓結(jié)果和創(chuàng)意更加容易分享與交流。同時(shí)STEAM 課程主張，技術(shù)手段應(yīng)該作為認(rèn)知工具，無(wú)縫地融入每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，不僅是在解決問(wèn)題時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生熟練運(yùn)用相關(guān)技術(shù)，增強(qiáng)個(gè)人獲取復(fù)雜信息、進(jìn)行建模與計(jì)算的能力，從而進(jìn)行更加深度的學(xué)習(xí)。在這個(gè)部分當(dāng)中筆者設(shè)計(jì)了對(duì)熱敏溫度計(jì)的探究和分析，借助生活中一些常用的工具對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行拆解，獲取相關(guān)部件，并用萬(wàn)用表對(duì)熱敏原件進(jìn)行測(cè)量電阻，對(duì)所得數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)形轉(zhuǎn)換，獲得相關(guān)數(shù)學(xué)圖像并加以分析，鍛煉學(xué)生在實(shí)際動(dòng)手中的各種技術(shù)能力和數(shù)學(xué)邏輯分析能力。

【課程節(jié)選3：】

探究和分析熱敏溫度計(jì)的工作原理

1.拆解熱敏溫度計(jì)，觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)部件。

2.從線路板上剝離熱敏電阻并去除外層絕緣層，露出導(dǎo)線。

3.利用熱水、溫度計(jì)、萬(wàn)能表測(cè)出10 組不同溫度下熱敏電阻的阻值。

4.將所測(cè)得數(shù)據(jù)通過(guò)幾何畫(huà)板或EXCEL 程序繪制溫度和電阻關(guān)系曲線，分析兩者之間的關(guān)系。

5.根據(jù)提供的熱敏溫度計(jì)工作原理圖（如圖1）和溫度與電阻關(guān)系，分析熱敏溫度計(jì)工作原理。

圖1 熱敏溫度計(jì)工作原理圖

【課程節(jié)選4：】

觀察和使用紅外測(cè)溫儀

觀察紅外測(cè)溫儀的外觀和控制面板，閱讀使用手冊(cè)，了解基本操作和使用注意事項(xiàng)。

按住儀器測(cè)溫開(kāi)關(guān)，通過(guò)紅色激光點(diǎn)瞄準(zhǔn)目標(biāo)，激光點(diǎn)應(yīng)打在被測(cè)目標(biāo)的中心，此時(shí)儀器顯示器顯示的即為被測(cè)目標(biāo)的瞬時(shí)溫度，同時(shí)儀器顯示器顯示有“SCAN”符號(hào)。松開(kāi)測(cè)溫開(kāi)關(guān)后，測(cè)量停止，顯示器出現(xiàn)“HOLD”符號(hào)，顯示的溫度值保持5 秒后消失。

注意事項(xiàng)：

1.使用紅外線測(cè)溫儀分別測(cè)量同桌的體溫、熱水、冰塊的溫度。

2.分享和討論使用過(guò)程中的心得。

（四）課程中人文性的體現(xiàn)

在STEM 課程提出以后，有部分教育學(xué)者又提出了在原有的STEM 課程中加入Art 學(xué)科，即在課程內(nèi)容中增加藝術(shù)、人文學(xué)科方面的涉及。它的目的在于強(qiáng)調(diào)在自然科學(xué)教學(xué)中增加對(duì)學(xué)生人文和社會(huì)方面的關(guān)注。例如增加科學(xué)、技術(shù)或工程等相關(guān)發(fā)展歷史和人文思考，從而激發(fā)學(xué)生多維度的思考，加強(qiáng)STEAM 課程與生活聯(lián)系的理解，感知整個(gè)科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的艱辛給人們帶來(lái)的便利與喜悅，加入審美維度的評(píng)價(jià)，提高動(dòng)手制作樣品的藝術(shù)性和美感。

【課程節(jié)選5：】

小資料：最早的溫度計(jì)究竟是誰(shuí)發(fā)明的？曾經(jīng)有過(guò)爭(zhēng)論，有的人把最早的溫度計(jì)的發(fā)明歸功于荷蘭的有名機(jī)械師德里貝爾（C·Drebbel）；也有人把這項(xiàng)優(yōu)先權(quán)歸功于帕杜亞的解剖學(xué)家桑托留斯（Sanctorius）；還有人把它歸功于克拉科夫的神父保羅（Paul）、倫敦的醫(yī)生弗拉德（R·Fludd）及德國(guó)的蓋里克。但現(xiàn)代的歷史研究一致同意把溫度計(jì)的發(fā)明歸功于伽利略。

1.關(guān)于小資料中“最早的溫度計(jì)究竟是誰(shuí)發(fā)明的？”的爭(zhēng)論，你有什么看法？

2.以下是溫度計(jì)發(fā)展歷史的時(shí)間軸（如圖2）。在整個(gè)溫度計(jì)的發(fā)展過(guò)程中，它不僅替人們測(cè)量了物體的冷熱程度，更讓人們感知了整個(gè)科學(xué)發(fā)展過(guò)程中的“冷”與“熱”。請(qǐng)觀察歷史時(shí)間軸，談一談對(duì)整個(gè)溫度計(jì)發(fā)展的感受。

圖2 溫度計(jì)發(fā)展歷史的時(shí)間軸

（五）課程實(shí)施后的思考

整個(gè)課程的實(shí)施在教學(xué)過(guò)程中因?yàn)榇蚱屏嗽袝?shū)本的限制，以知識(shí)拓展和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)為主要設(shè)計(jì)，所以學(xué)生在課堂上表現(xiàn)出了非常高的參與熱情，在教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施過(guò)程中都得到了學(xué)生的配合。尤其在動(dòng)手制作伽利略式溫度計(jì)時(shí)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題能夠及時(shí)地組內(nèi)相互討論，發(fā)表自己的意見(jiàn)，及時(shí)跟進(jìn)對(duì)樣品的改進(jìn)方法的思考，因此在后面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析時(shí)能夠清晰地表述出存在的問(wèn)題和產(chǎn)生的原因。從效果上看，學(xué)生的學(xué)習(xí)和拓展得到了真實(shí)的發(fā)生，課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)目標(biāo)得到落實(shí)。在介紹和了解現(xiàn)在的溫度計(jì)時(shí)，筆者給出熱敏溫度計(jì)的介紹和紅外測(cè)溫儀的使用，因?yàn)檎n時(shí)的安排，在這節(jié)課中筆者對(duì)此部分的處理是讓學(xué)生通過(guò)原理圖嘗試闡述熱敏溫度計(jì)的工作原理和上手體驗(yàn)紅外測(cè)溫儀的使用。如果課時(shí)安排充裕，此部分可以作為課程項(xiàng)目的后續(xù)科學(xué)探究和數(shù)理分析的環(huán)節(jié)，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取溫度與電流、電壓等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)方法繪制溫度和電阻的關(guān)系圖，再通過(guò)分析結(jié)構(gòu)圖，整體上對(duì)熱敏溫度有一個(gè)較深刻和完整的認(rèn)識(shí)，這樣更能突出學(xué)科整合和工程技術(shù)的運(yùn)用。再由此延伸到紅外測(cè)溫儀的探究，讓學(xué)生基于前面對(duì)熱敏溫度計(jì)的學(xué)習(xí)，自主地設(shè)計(jì)和實(shí)施整個(gè)探究過(guò)程，讓前期學(xué)習(xí)到的經(jīng)驗(yàn)得到實(shí)踐和鍛煉，真正將學(xué)習(xí)的過(guò)程還給學(xué)生。