STEAM理念下的跨學(xué)科學(xué)習(xí)案例研究

◇陳 群 馬艷玲（安徽：長豐縣教育體育局教研室長豐縣北城實(shí)驗(yàn)小學(xué)）

一、現(xiàn)狀分析

2022 年版課標(biāo)實(shí)施首個學(xué)年，各地中小學(xué)掀起了跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)熱潮。2022 年版課標(biāo)指出，要“強(qiáng)化課程綜合性和實(shí)踐性，推動育人方式變革，著力發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)”。但是很多中小學(xué)教師對“什么是跨學(xué)科學(xué)習(xí)”認(rèn)知模糊，在教學(xué)設(shè)計和實(shí)施教學(xué)中呈現(xiàn)各種樣態(tài)的“跨學(xué)科”學(xué)習(xí)。其實(shí)在跨學(xué)科學(xué)習(xí)理念提出之前，已經(jīng)有了類似的探索，如創(chuàng)客教育、STEAM 學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（簡稱PBL）等。為了落實(shí)全面育人的目標(biāo)，聚焦核心素養(yǎng)，我們積極探索基于STEAM 理念的跨學(xué)科學(xué)習(xí)新樣態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科的知識和方法思考解決現(xiàn)實(shí)問題，培養(yǎng)學(xué)生融會貫通、實(shí)踐創(chuàng)新能力。

二、研究理念

STEAM 從字面上看，代表科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)五個學(xué)科領(lǐng)域，基于跨學(xué)科和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供真實(shí)情境的體驗(yàn)，幫助其理解科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)各領(lǐng)域的知識概念，同時把所學(xué)到的知識綜合應(yīng)用于生活，從而找到自己想要的答案，實(shí)現(xiàn)開發(fā)潛能的目的。本文以暑期返校學(xué)生發(fā)現(xiàn)教室的綠植干枯為背景，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，以解決問題為導(dǎo)向，讓學(xué)生自己動手完成他們感興趣并且和實(shí)際生活相關(guān)的項(xiàng)目，發(fā)揮想象力，找到解決問題的方案，并從中學(xué)到跨學(xué)科的知識。

三、“濕度感應(yīng)自動澆灌儀”STEAM項(xiàng)目研究

（一）研發(fā)背景

每年寒暑假學(xué)生返校之后，都會發(fā)現(xiàn)教室、辦公室的綠植盆栽因缺水而枯萎死亡。假如有人能給它們澆水多好呀！可是那么多教室，又是在放假期間，誰去做呢？濕度感應(yīng)自動澆灌儀就能解決這個問題。這個案例制作源于學(xué)生生活，能夠解決學(xué)生觀察到的問題，學(xué)生興趣濃厚。因?yàn)檫@是涉及科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程等多科融合的STEAM 項(xiàng)目，故安排了三課時。

第一課時：頭腦風(fēng)暴。引導(dǎo)學(xué)生觀察假期后教室場景，發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題，引入作品制作主題。

課程內(nèi)容:繼電器和土壤濕度傳感器的介紹以及各模塊在電路中的使用。

第二課時:設(shè)計電路圖，組裝電路。

課程內(nèi)容:根據(jù)要求設(shè)計電路圖，嘗試組裝電路；把土壤濕度檢測儀放在水中模擬實(shí)驗(yàn)，尋找問題，進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

第三課時:完善裝置，美化作品。

課程內(nèi)容:把濕度感應(yīng)自動澆灌儀接入教室綠色盆栽、學(xué)校農(nóng)場中，用管道、木板美化作品，完善制作。

（二）實(shí)施目標(biāo)

科學(xué)目標(biāo)：了解繼電器在電路中的使用原理，學(xué)會各種電路的連接方式；了解繼電器、水泵、土壤濕度傳感器的原理，能將繼電器應(yīng)用于報警顯示裝置。

技術(shù)目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)無人自動澆灌功能，了解土壤濕度傳感器技術(shù)原理，能夠通過繼電器控制電路。

工程（設(shè)計）目標(biāo)：學(xué)會用工程思維分析整個項(xiàng)目的可行性，能夠準(zhǔn)確設(shè)計電路圖，并按照電路圖連接實(shí)物圖，實(shí)現(xiàn)無人自動澆灌。

藝術(shù)目標(biāo)：能對整個裝置作品進(jìn)行藝術(shù)設(shè)計，為了使作品更具有藝術(shù)美感，可以使用其他材料進(jìn)行裝飾或者彩繪筆上色。

數(shù)學(xué)目標(biāo)：能科學(xué)計算水管的長度、導(dǎo)線的長短、儲水容器的高度和容量，精準(zhǔn)定位各個模塊的位置。

（三）實(shí)施條件

設(shè)施設(shè)備：土壤濕度傳感器、繼電器、水泵、電源、學(xué)生平板等。

材料：導(dǎo)線、飲料瓶、綠植盆栽、熱熔膠、熱熔槍、螺絲刀、剪刀、塑料管、一次性杯子、電膠帶等。

（四）實(shí)施過程

1.問題導(dǎo)向

當(dāng)一個集體圍繞一個特定的興趣領(lǐng)域產(chǎn)生新觀點(diǎn)的時候，這種情境就叫頭腦風(fēng)暴?！邦^腦風(fēng)暴”是一種創(chuàng)造性思維的方法，需要以小組的形式展開，通過小組人員積極思考、暢所欲言來體現(xiàn)。由于團(tuán)隊(duì)討論采用沒有拘束的規(guī)則，學(xué)生能夠更自由地思考，進(jìn)入思想的新區(qū)域，從而產(chǎn)生很多新觀點(diǎn)和解決方法。⑴觀察情境，以提問的方式引發(fā)學(xué)生思考；⑵頭腦風(fēng)暴，引入本節(jié)課需要探討的問題；⑶小組內(nèi)討論，查閱資料；⑷學(xué)生發(fā)言，如何在假期做到綠植盆栽的無人自動澆灌。

小結(jié)：接下來我們需要完成以下幾項(xiàng)任務(wù)的研究。第一項(xiàng)：如何判斷綠植盆栽需要澆灌水；第二項(xiàng)：如何實(shí)現(xiàn)無人自動澆灌綠植盆栽；第三項(xiàng)：如何提供供水裝置。

2.方案設(shè)計

濕度感應(yīng)自動澆灌儀，就是要解決判斷土壤濕度、感應(yīng)自動澆灌、供水儲水等基礎(chǔ)問題。首先，利用土壤濕度檢測儀檢測土壤濕度，當(dāng)濕度不夠時，比較模塊輸出高電平，繼電器吸合，供水設(shè)備電路導(dǎo)通，水泵開始工作自動澆水。隨著土壤中含水量的增加，插入土中的濕度檢測器二腳間電阻會越來越小，當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)定的閾值時，比較模塊輸出低電平，繼電器斷開，供水設(shè)備的電路斷路，水泵得不到電而停止供水。

如此反復(fù)，土中水分蒸發(fā)到一定程度時，比較模塊輸出高電平，供水設(shè)備電路通路，水泵供水，土壤中水達(dá)到設(shè)定的閾值時，低電平繼電器不吸合，供水設(shè)備電路斷開。如此反復(fù)，濕度會保持在一定程度。

3.實(shí)踐活動

（1）引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)繼電器

電磁繼電器由電磁鐵、銜鐵、彈簧、觸點(diǎn)組成。觸點(diǎn)一般有常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)，兩者往往有一個公共端。線圈在沒有帶電情況下，常閉觸點(diǎn)和公共端是連接的，常開觸點(diǎn)和公共端是開路的，燈不亮；線圈帶電以后，常開觸點(diǎn)和公共端是連接的，常閉觸點(diǎn)和公共端是開路的，燈亮了。這樣通過控制線圈的電壓（電流），就可以控制觸點(diǎn)串聯(lián)的電路工作。繼電器的種類很多，根據(jù)輸入量可以分為：電流、電壓、頻率、溫度、速度、光、壓力等。本次我們的裝置采用的繼電器輸入量就是土壤濕度。

（2）實(shí)驗(yàn)—：測試?yán)^電器

談話：通過以上電路分析，我們了解了繼電器的使用原理，下面我們在組內(nèi)測試?yán)^電器。小組測試。提示：將繼電器模塊VCC 連接到5V，GND 連接到負(fù)極，IN 接VCC 則繼電器跳動，IN懸空則繼電器恢復(fù)，如此反復(fù)可以聽到繼電器“卡卡”聲。通過測試，大家知道繼電器是怎么工作的了嗎？

（3）實(shí)驗(yàn)二：測試土壤濕度傳感器

學(xué)生觀察傳感器，小組討論。小組發(fā)言：土壤濕度傳感器由濕度檢測儀和比較模塊組成。傳感器兩極采用加寬的感應(yīng)銅箔，表面鍍鎳，可以更好地防止生銹，提升導(dǎo)電性，延長使用壽命。比較模塊中的電位計可以調(diào)節(jié)土壤濕度的閾值大小，順時針、逆時針旋轉(zhuǎn)就可以調(diào)節(jié)控制濕度閾值的大小。小組測試。提示：用兩條導(dǎo)線連接叉子探頭和變送器模塊。變送器模塊VCC 接5V，變送器GND 接負(fù)極。上電后，電源燈常亮，綠色指示燈微弱閃爍一次。

（4）實(shí)驗(yàn)三：測試水泵

在測試過程中，供水設(shè)備的電源應(yīng)該如何選擇？是用單獨(dú)電源還是和傳感器共用電源？兩者各有優(yōu)點(diǎn)：單獨(dú)電源連接簡單，但是不夠節(jié)能；共用電源節(jié)約資源，但是連接復(fù)雜。另外，測試水泵一定要在水中工作。小組測試。提示：水泵紅線接5V，黑線接負(fù)極，水泵工作。測試1 秒即可，水泵不可長時間暴露在空氣中工作，在水中完成測試也可以。

（5）設(shè)計電路圖，連接電路

談話：經(jīng)過各個模塊的測試學(xué)習(xí)，我們對各個模塊有了一定的了解。那電路連接起來是不是就能實(shí)現(xiàn)無人自動澆灌呢？根據(jù)電路要求，學(xué)生分組設(shè)計電路圖。小組討論交流并修改。連接實(shí)物圖，測試電路，發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

（6）完善裝置，美化作品

經(jīng)過電路測試，我們已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)濕度感應(yīng)澆灌，是不是很激動？現(xiàn)在我們把裝置接入綠植盆栽中，完成我們的作品。再次實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步完善作品。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：通過調(diào)節(jié)電位器，還可調(diào)節(jié)土壤在何種濕度時才要補(bǔ)水，也可結(jié)合插入土探頭的深淺來調(diào)節(jié)。發(fā)現(xiàn)不足：水管直徑大，水流過大可能會溢出，部分土壤流失。在實(shí)驗(yàn)過程中，會遇到各種各樣的問題，美好的事物總是可以讓人賞心悅目，我們的實(shí)驗(yàn)裝置在外觀上是否可以更美觀一些呢？有的學(xué)生認(rèn)為，可以利用廢舊材料進(jìn)行裝飾，廢物利用；有的學(xué)生認(rèn)為，可以借助3D 打印設(shè)備進(jìn)行升級改造，但因?yàn)闂l件有限，這只能是“心有余而力不足”；還有學(xué)生認(rèn)為，可用更好的材質(zhì)，如亞克力板，進(jìn)行改進(jìn)。

4.作品分享與評價

（1）作品分享

各個小組都完成自己的作品，在班內(nèi)，我們以小組或個人為單位，分別展示并分享自己的作品。以小組為單位，在校園內(nèi)開展精彩“微課堂”。學(xué)校在公眾號、校報、板報展示。

（2）項(xiàng)目綜合評價

教師對整個項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)評價，小組內(nèi)和學(xué)生之間進(jìn)行相互評價，并填寫項(xiàng)目評價量表。

姓名： 評價人：★等級設(shè)計方案缺少文字或圖畫設(shè)計★★★合理地設(shè)計文字和圖畫說明，對設(shè)計結(jié)構(gòu)的表述條理清晰；實(shí)驗(yàn)步驟、觀察記錄表述清楚材料利用材料使用充分，并且使用合理分工合作材料使用不充分，只用了少部分材料分工不明確，成員不清楚自己的角色有明確的分工且能貫徹實(shí)施，每個成員都安排了相應(yīng)的任務(wù)，并且每個人都明確自己的任務(wù)改進(jìn)方案方案未改進(jìn)，缺乏指導(dǎo)性改進(jìn)后的方案較細(xì)致，有設(shè)計圖，有說明說明展示小組對設(shè)計和實(shí)驗(yàn)過程的描述缺乏邏輯，不能說明結(jié)果或無結(jié)果★★設(shè)計了文字和圖畫說明，但是說明缺少條理；實(shí)驗(yàn)步驟表述較清楚材料使用較充分，個別材料使用錯誤有基本的分工，但是分工不系統(tǒng)，或執(zhí)行分工不徹底，或出現(xiàn)沒有承擔(dān)任務(wù)的成員方案有改進(jìn)，但不明顯，不夠細(xì)致小組對設(shè)計和實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行部分展示，展示較具體，但是部分顯得混亂和無意義展示條理清晰明確，有效地體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的目的，效果顯著

四、案例分析與總結(jié)

濕度感應(yīng)自動澆灌儀雖然已經(jīng)完成，但還存在不少問題，比如濕度傳感器的靈敏度、支架的穩(wěn)定性、材料的局限性以及外形美觀等方面還需改進(jìn)。我們需要不斷地完善裝置，優(yōu)化作品。

我們的項(xiàng)目還可以增加其他功能，可以用太陽能電池板代替電池供電，可以增加天氣顯示模塊，更能與科技結(jié)合，體現(xiàn)智能生活的創(chuàng)造。

學(xué)生在本案例中不僅掌握了知識和技能，還能靈活運(yùn)用所學(xué)知識解決生活中的實(shí)際問題?？鐚W(xué)科主題學(xué)習(xí)正式進(jìn)入課程，意味著中國基礎(chǔ)教育中人才培養(yǎng)方式將發(fā)生變革。