从美国小学“声音”教学案例谈STEM教育的实施

2018-02-26

物理之友 2018年1期

(南京师范大学物理科学与技术学院，江苏南京 210023)

本文介绍一个美国小学的STEM课程案例，它以美国《新一代科学教育标准》为指导，参与教学活动的学生来自小学三年级。由大学教授、小学教师、工程师组成的团队打磨了一系列的工程设计挑战活动来实施教学。活动分为四个部分：探究、设计、制作、评价。活动的目的是让学生建构对声音特点和性质的认识，然后通过团队协作，运用他们所了解的关于声音的知识来完成工程设计。

1 STEM课程实施过程

1.1 探究：声音是如何产生和传播的

首先老师们提出一系列问题：声音是怎样产生的？什么导致了声音的传播？声音是如何传播的？声音的传播需要什么？教师引导学生相互讨论，但不给出解答，通过这一过程可以帮助教师了解学生头脑中的前概念。

然后将全班学生分成小组，每组5人，并给每组发放一个音叉和一根约1.5米长的绳子。让学生敲击音叉，感受音叉的振动及其发出的声音。有些学生会尝试握住音叉的叉股，感受到音叉几乎没有振动，这时需要老师引导他们正确地使用音叉。敲击音叉后通过触摸音叉、使音叉接近脸颊等方式，让学生感受到音叉的振动。敲击音叉后，使音叉靠近耳朵让学生听到声音。大部分学生都能清楚地认识到声音是通过振动产生的。

图1

这时，老师引导学生将绳子穿过音叉，把绳子的两端绕在他们食指上，再把食指塞进耳朵里(如图1)，请其他学生敲击音叉。老师又抛出一系列的问题：发生了什么？为什么她能听到那个声音？为什么那个声音与直接敲击音叉时听到的不一样？由此引导学生构建振动通过介质传播的概念。

接下来的活动是自制有线电话，进一步探索声音的振动通过介质传播的概念。用一次性杯子，通过长绳连接制作电话。学生两人一组合作，使用预先做好的一个有线电话打电话玩。几分钟后老师让学生总结这次探究活动中他们发现了什么，学生们提到了绳子绷紧与松弛的影响，绳子拉紧时比绳子松弛时声音能更好地传播。还有几个学生发现：当他们将绳子绷紧，使得4根绳子连接在同一个结点时，那么一个人通过电话说话，其他三个学生都可以听到他的声音。

案例分析：通过这个基础型的探究活动，使学生认识到：声音是通过振动产生的，通过介质传播。与我们传统教学所不同的是，教师几乎不讲授关于声音的知识，完全依靠问题串的形式，引导和启发学生的思维，让学生通过自主探究去建构相关的概念。这既提高了学生探索问题的兴趣，又培养了学生探究、解决问题的能力。

1.2 工程设计挑战活动

工程设计挑战的内容如表1所示。

表1

任何工程设计都是为了解决一个特定的问题，在设计活动开始时，有必要向学生解释相关术语。在介绍了挑战之后，老师问了学生以下几个问题：目标是什么？客户是谁？什么是设计？学生们能够相对容易地回答第一个问题，许多学生都知道客户的意思，并能正确地认识到摇滚乐队是客户。难的是让他们区分目标和设计，所以老师需要解释它们之间的不同，例如设计通常遵循一定的标准和约束，接下来便引出本次设计挑战的制作标准和限制条件，并向学生们介绍了可用的材料。

在所有学生都清楚挑战的内容后，再次将全班分为5组。每个小组的学生需要为他们的乐器做出一个设计方案，并标明所使用的材料。老师鼓励学生先做出自己的设计，然后与其他成员讨论。并非所有的学生都要完成自己的设计，但他们必须参与小组讨论，最后确定小组的设计方案。讨论的目的是鼓励学生的合作，指出每个设计的优缺点，并提出一个最终的方案。

案例分析：设计是制作的前提，也是工程技术的核心。让学生以探究活动中获得的知识为基础，解决现实中的问题，将头脑中的想法呈现在图纸上，进而做出设计，这对他们思维的发展大有帮助。

1.3 制作并展示

给学生们一个小时的时间来完成任务。每组的动态各不相同，其中一个组由两名成员领导，他们在设计的基础上制作了一个弦乐器，而其他成员在组内很少参与；另两组各成员均不同程度地参与制作过程；剩下的两组并没有按计划制作乐器，结果这两组中的每一个成员都开始制作自己的乐器。

在完成了乐器的制作后，每个小组派一名成员向全班同学展示他们的乐器，发出三种不同的声音或音调。有两个组制作了多个乐器，要求他们选出一个最接近原来设计的作品进行展示。在展示的过程中，老师询问学生：在设计或制作过程中存在哪些问题，如何解决这些问题？所有小组都提到：使用合适的绳子，并注意其松紧度，可以提高声音的整体质量。其中一个协作不正常的小组也提到了团队中存在的问题。

案例分析：动手制作是本节课的重点和难点。让学生动手做，可以让他们在实践中更深刻地理解之前探究所获得的关于声音的知识，当学生成功完成乐器的制作后，一定会体会到“做中学”的乐趣，在做中培养了学生将科学技术运用于工程实践解决实际问题的能力。而展示交流则能分享各组制作的经验和体会，锻炼学生的表达能力。在老师的询问下引导学生反思存在的问题，这对于学生批判思维的形成也大有裨益。

1.4 总结和评价

活动结束后，学生们需要完成自己的“课程小结”，他们需要写出在这次活动中所学到的知识。许多人做了一般性的陈述，例如“我知道振动的弦可以产生声音”“用绳子缠在你的手指上并把手指放在你的耳朵里，听起来就像使用耳机一样”。其他人提到一些在他们小组没有做好的事情，例如“气球不能用来做弦乐器”或“我们的小组成员不能和睦相处，所以我的计划没有完成，但我看到了其他小组如何利用现有材料发出声音。”这种类型的形成性评价有助于教师评估这个工程设计挑战活动带给学生的学习效果，在本次活动结束后，学生更好地了解声音是如何传播的、可以使用什么工具来发出声音和产生不同的音调，他们在设计制作过程中能够了解不同类型绳子的发音表现和所发声音的整体效果。

案例分析：通过总结和评价，让学生将这节课中通过探究、实践所建构的知识固化下来，也有助于教师评估本节课的上课效果及每位学生的掌握情况。这项活动还可以扩展为每一个小组解决他们制作仪器的缺陷或不足，并改进设计方案。

2 对我国开展STEM教育的启示

2.1 多学科背景教师参与备课

STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)的融合，对STEM的授课老师提出了更高的要求，而我国当下普遍采用分科教学模式，造成我国STEM教学存在师资不足的问题。即使是在美国，高质量的STEM在职教师也十分短缺。如何应对这种现状，本文案例中采用了多学科背景教师参与备课的方式，不仅有两位在职小学老师，还有来自美国普渡大学的三位教授参与备课，而这三位教授分别有着科学、技术、工程专业的背景，为整个教学案例的设计提供了非常有力的专业支撑。

2.2 多位教师参与授课

STEM教育十分重视专业“做中学”，在STEM探究和实践活动中蕴含了大量的难以用语言直接传授的知识，这些知识不是靠教师讲授灌输的，而是学生通过自主探究以及动手设计制作等从实践中建构获得的。整堂课中需要老师讲授的内容很少，但需要老师时时关注、及时引导的部分很多。本文案例中全班同学共25人，分为5组进行活动时，一个老师授课仍然无法照顾到全体学生。所有参与课程设计的五位老师均参与了授课，每个老师都能持续关注一组同学，更能了解学生在整堂课中的表现，及时处理“生成性”问题和突发情况，给出有针对性的指导意见，真正做到“因时施教”和“因材施教”。

2.3 多机构合作丰富教学设计

STEM教育是一种跨多学科的教学方式，强调学科间的融合。仅仅依靠小学教师的力量远远不够。本案例中有高校的研究人员参与备课、授课，取得了良好的效果。学校也可以加强与科技馆或其他组织机构的合作，融合更多的优质教育资源，创造出更加丰富的教学设计。

2.4 注重网络平台的建设

可以搭建STEM教师的网络交流平台，方便教师进行教学案例、经验和心得体会的分享与讨论。本案例中提到的“制作有线电话”就是参考了另一个网络资源，而这些资源被整合进一个教学案例中后，又分享到了网络平台供其他老师参考。分享案例、分析评价、整合设计、再分享、再评价，由此便形成了课程资源的良性循环，全球的教师都能参与其中，这对提升STEM教师素养、丰富STEM教学资源都有极大帮助。