STEM理念与物理教学零距离对接——面对学生的STEM课程系列之“探究面团的导电性”

耿 红

(北京理工大学附属中学，北京 100089)

在物理课程标准中将科学探究明确地列为课程内容.多年来,初中物理教学一直致力于开发探究式教学模式,以学生主动探索认知物理现象和规律为目标,然而,在实际教学过程中常因教学内容结果的既定性而被教师规划为“同一”路径,使得探究的过程形式化,很难自发地、自然地将教授内容以探究为载体呈现出来,时常为探而探．那么现今的教学内容能否实现真实的探究过程呢?笔者在参加北京市教育学院组织的STEM项目培训中获得启示,从而结合电学的学习内容,为突破这一尴尬局面设计并实施了“探究点亮彩灯的面团”一课,为实现真实的探究教学,将物理授课与STEM教育理念零距离对接提供了可行性案例．

1 与物理教学对接的STEM教育模式

STEM教育是将科学、技术、工程和数学这4门学科有逻辑、有组织地进行交叉融合,以培养跨学科思维,提升学生核心素养的一种教育理念．STEM教育更能体现物理教学的实践性和物理规律之间的关联性,它与物理教学中的探究式教学相同的是强调学生的主体地位,重视发挥学生在知识建构上的主动性,同时,STEM教育更加关注物理规律在实际问题解决中的整合与应用．从对STEM教育内涵的理解上,可以看出该教育模式是基于项目或者是问题导向教学法,是通过引导学生完成某个项目而进行具体的教学实践活动．在完成某个项目,或者解决某个问题的情境中,教师提供“支架”,引导学生提出解决方案,从而有效促进跨学科知识的整合,培养创造力,开辟新的研究视角．

根据学生的思维特点和能力水平,初中物理的探究学习过程是在教师的引导下逐渐完成的,在通常的教学实践中,常因不同的学习阶段和学习内容而采用不同的学习模式．因STEM教育以“项目教学法或问题引导法”为基础,故在尝试与物理教学进行对接时,有以下3种模式,见表1．

表1 STEM教育模式

一是教学内容以实验室资源为背景的,可以独立成为一节课的,采用“指定式”STEM教育模式,即探究问题与探究方法均由教师指定,通过经历探究学习过程而得出同一答案的模式.该项目主要来源于教学内容本身,如在进行机械效率一个单元的教学中,为了研究功的原理等内容而有意设定一些项目目标,学生们在看物理教师把一箱箱的实验器材从1层楼搬运到6层楼时,非常辛苦而想到如何设计一种简单机械,来更好地完成这一工作,从而引出以“探究滑轮的省费问题”为切入点的项目学习．通过对“一个滑轮省费问题研究”的学习,展开对2个、3个滑轮的逐渐探究,进而进一步研究其他简单机械——杠杆、斜面的省费问题,从而真正理解机械效率的现实意义和研究价值．这样的项目式学习方式虽然比较耗时,但只要教师精心设计,可以很好的促进学生建立能量观,真正落实注重培养学生物理核心素养的理念．

二是教学内容以实际生活资源为背景的,通常是生活中的真实问题,解决问题的方法适合于学生现有知识和能力,教师找一个恰当的时间点将探究的问题与教材内容进行重新整合,即探究问题与探究方法指定,而探究结果开放的层次,这种模式就是“半开放式”STEM教育模式,它更适合单元学习,用以突破学习中的难点．如在简单电路这一章的学习中,因基本概念和规律颇多,尤其是“短路”、“并联电路”等难点,学生需要很长时间进行理解,这时就可以将这一章的内容进行重组,利用生活中常吃的“面团”为资源,进行探究学习,以“制作一款可以点亮彩灯的面团”为项目学习目标,来展开对电路连接和串并联规律的深入认识．该项目的学习很有趣,既可以激发学生对物理的兴趣,又可以促进对知识的深入理解,在实际开展的项目学习中这一项目受到学生好评．

三是教学内容以学生自发生成性问题为背景的,随机应运而发,可以高于学生现阶段学习内容的,即探究问题、探究方法和探究结果均为开放式,叫“开放式”STEM教育模式.它适合课后时间自主完成的,有共同兴趣和爱好的学生自发结合成一组进行探究学习的．如圣诞来临,学生们看到节日的彩灯总是忽明忽暗,一闪一闪的发光,根据自己掌握的知识从而以“探究节日彩灯的闪烁问题”为学习目标展开探究的．

从上述3种模式的解释中可以看出,“指定式”、“半开放式”STEM教育模式在教学时间上、教学内容上把控性更强一些,更适合初中学段的课堂授课．

2 与物理教学对接的“半开放式”STEM教学案例

下面以“探究面团的导电性”为例,来分析一下“半开放式”STEM教育模式与物理教学零对接的实施策略．

2.1 项目背景来源

在参加一次好朋友的生日家庭宴会时,点燃的蜡烛流淌在蛋糕上影响了口感,于是设想用别的发光物体来代替蜡烛,经过一番讨论和思考,制定了“设计一款点亮彩灯的蛋糕”学习项目,并以“探究一款能点亮彩灯的面团”为课题进行了实际授课,获得学生们的喜爱．

2.2 学习方法分析

这是一个比较复杂的学习项目.为了完成目标,将学习过程进行分解,化难为易．“制作一款能点亮彩灯的面团”应该分为3大部分,一部分是电路的连接,一部分是面团的制作,第三部分是将电路和面团组合在一起,从而完成项目．本节课的教学流程如图1．

第一部分:简单电路的连接．授课学生为七年级学生,还没有简单电路的知识,所以这部分的学习要占用一定的时间,先从点亮一盏灯开始学习,而后逐渐扩展点亮二盏灯、三盏灯的顺序．这部分的学习有两个目的:检测面团的导电性和最后将面团与彩灯进行连接．

图1

第二部分:面团的制作．由于蛋糕的制作材料比较复杂,为顺利完成项目,选取几种主要食材:面粉、鸡蛋、牛奶、食用油、水、盐、食用色素等.这些材料可以分为两大类,即固体的干面粉与和面的液体．干面粉是不导电的,而和面的液体是否导电呢?从这个问题切入进行探究——食用油、纯净水、自来水、添加少许食用盐的自来水、添加多一些食用盐的自来水、牛奶、蛋液的导电性,再进一步探究添加了这些液体掺入面粉制成面团后的导电性．探究成功得出结论后进入导电面团、绝缘面团的制作过程及造型设计．

第三部分:制作一款能点亮彩灯的面团,并配合keykey软件进行音乐表演,在对知识进行深刻的理解以后,促进学生对物理的深层次喜爱．

根据对上面问题的分析,可以看出本项目涉及了物理、化学、生物、美术、音乐等几方面知识的融合,而主要的基础动作在于探究物质的导电性上,故此项目是与物理教学零对接的典型案例．

2.3 实施过程分析

从上面的流程中可以看出,要探究学习的内容很多,故实际授课过程中,以任务驱动的方式进行,使得条理清楚,容易接受和成功．

我们把整个项目分成了4个单元,每一个单元又划分成若干项任务,每一项任务完成的都有评价量表,见表2,根据评价量表推动项目的完成．

表2 完成任务评价量表

主要学习活动设置.

(1) 电路部分学习,要完成4个任务．首先学习微课内容:面包板的结构及使用方法．然后利用实验桌上现有器材:面包板、4节干电池、导线将发光二极管点亮,注意有些二极管要配有保护电阻一起使用．教师巡视指导,确保每一位成员都能完成任务,这是后面学习的基础,必须人人过关．在完成任务的同时可以给自己一个评价．

图2

在4个任务都完成后,教师介绍电路元件的表示符号以及电路图的画法,并设计一个简易方便的检测电路,如图2．通过交流讨论揭示检测物质导电性的方法:发光二极管相当于指示灯,若指示灯亮则代表被检测物质导电,反之,若指示灯不亮,则表示被检测物质不导电．

(2) 面团制作部分的学习中,首先检测几种液体导电性,将被检测液体放入贴有标签的蒸发皿中少许,与检测电路连接,观察指示灯亮度情况并记录表格中,如表3．

表3 实验数据记录表格

这部分是本节课的第一个重点环节,学生检测完后将实验数据填入表格,通过手机界面截屏进行交流展示．学生的检测电路往往比较单一,那么有没有更优秀的检测方案呢?

图3

教师询问后若有则让其展示,若没有则教师展示自己的检测方案,如图3所示,并讨论此种检测方法的优点．

图3检测方法的设计有以下几个意图:一是通过对比实验的设计可以很明显的比较出物质导电性能的强弱,为得出结论增添思维深度;二是让学生感受到对比实验的优越性,体会物理学的研究方法;三是渗透电路的并联特点——彼此独立互不影响．这一点睛之笔的设计让我们深深体会到STEM教育的研究方法的开放性,凸显探究过程中对学生创造性思维的培养．

再将少许面粉放入被检测液体中,制成稀面团后进行导电性能检测,观察指示灯亮度情况并记录表格中,如表3．

把学生的探究数据与教师的探究数据进行对照,发现探究结果的相似度极高,说明这一过程探究的结果是经得起反复实验的.这就是科学的结论,不是一种偶然的现象,为培养学生科学的责任和态度起到很好的促进作用．

经过6个任务的完成,得出结论:导电面团=面粉+自来水+盐+色素;绝缘面团=面粉+食用油;而后进行自我评价．

(3) 造型的设计和彩灯的组装．

这又是本节课的一个重要环节,学生设计了各种有创意的造型后,当组装彩灯时又遇到极大困难,如图4所示,学生想设计一款能发光的毛毛虫面包,将彩灯按装在毛毛虫上,彩灯并没有发光,而指示灯发光,电路图如图5,这怎么回事呢?

动脉瘤为因动脉壁的损伤或病变，而引发的动脉壁的局限性及弥漫性的扩张或者膨出的疾病，颅内的动脉瘤为发生于颅内的动脉管壁上异常性的膨出，为引发蛛网膜下腔出血的重要病因，在脑血管的意外中，其仅次于高血压脑出血与脑血栓，位居第三[1]。引发动脉瘤的病因主要为动脉粥样硬化、外伤、感染、免疫疾病及先天性动脉壁的结构异常。

图4 图5

请看下面一段教师与学生的精彩对话.

生:是不是彩灯L1的正负接线柱接反了?

师:好,我们换一下L1正负接线柱的位置,来试一试．

生:彩灯L1还是没有发光,是不是这个彩灯L1坏了?

师:好,把这个二极管L1从面团上取下来,直接将检验电路与其这负接线柱相接,如图6．

图6 图7

生:二极管L1发光,说明是好的,没有坏．

师:这是为什么呢?把二极管L1从面团上取下来直接接入检验电路,二极管L1的两个引脚是分开的,二极管L1就发光.把它的两个引脚都接在面团上,二极管L1就不发光,两次的区别是什么呢?

生:发光时二极管L1的两个引脚是分开的,不发光时二极管L1的两个引脚是接在一起的．

师:那么我们接下来怎么做?是不是可以将毛毛虫面团一分为二呢?如图7．

生:果然,将面团分开时,二极管L1又发光,面团合在一起,二极管L1就不发光,这相当于把二极管的两个引脚接在了一起．

师:这就是我们平常说的短路现象．

生:可是问题又来了?为什么指示彩灯L的亮度会发生变化呢?也就是当二极管L1发光时,指示彩灯L的亮度变暗了,这又如何解释呢?

师:大家观察得很仔细,当两个二极管都发光时,相当于两个二极管组成了一个串联电路,两个灯的亮度都有明显的变暗情况.我们可以做一个对比实验,如图8所示电路图,还是刚才的电源和同样规格的发光二极管,明显看出串联时灯都变暗了,这就是串联的分压作用.图9所示的电路中两个二极管的正极与正极接在一起,负极与负极接连在一起,拆掉一个二极管不影响另一个,但图8的串联就不行,拆掉一个另一个也不发光了,所以图9的这种连接是并联.生活中,我们教室的日光灯管、家庭用的各种电器都常常采用这种并联的方式,它的优点是互不影响哦．

图8

图9

师:学会了这几种电路的连接方式以后,我们怎样把分开的两个毛毛虫面团接在一起又能让彩灯发光呢?

师:可以在分开的地方连接一块绝缘面团,这样一个能发光的毛毛虫面团就制作成功啦．

学生完成自己的设计,如图10、11,造型各异的发光面团,交流展示评价．在评价环节教师要对张节课进行评价总结,除了对新颖的探究方案、创新观点提出鼓励之外,还有对过程中出现的错误进行分析和指导．学生头脑中的思维、先验概念很多都是不科学的,有一些还带有明显的错误.这些都要通过以学生为主导的探究和交流讨论来辨别和改正,因此这一环节也是STME教育的本质所在．

图10

图11

3 与物理教学零对接的STEM教学反思

从上面的教学过程中可以看出,STEM教学的实施框架一般是:解决一个实际问题→将复杂的问题进行分解→逐一探究学习→完成任务并展示评价．这种框架思路与物理教学非常吻合,所以实施起来很得心应手．

3.1 体现了物理教学与STME教育零对接的可能性

通过本节课实施,让我们看到物理教学与STME教育零对接成为可能．这主要体现在:精细设计有鲜明主题的探究活动,来揭示物理教学内容知识和规律,例如为了让学生能真正理解短路的概念进行的一番师生讨论;对学生探究方法的培养与物理研究方法相呼应,如在探究各种液体导电性时采用的若干指示灯亮度对比法,后面研究串联和并联电路时进行的对比分析等方法都是物理学典型的研究方法．

3.2 促进了学生对物理学习的深层次的思考

学生进行造型创意时,物理、化学与美术、音乐等艺术学科的融合,吸引了很多女生对此探究过程的热爱,尤其是课后有很多女生围在一起彼此欣赏交流作品,并利用keykey软件进行音乐表演,现场氛围非常热烈;生活元素——面点的制作的引入,使得课堂趣味生动,孩子们学习起来轻松愉快,真正体现STEM理念,促进学生对物理学习浓厚的兴趣．

3.3 使教学内容丰厚饱满,事半功倍

虽然这一课的授课对象是7年级的学生,他们还没有学习电学的知识,对这种授课形式也是感到相对陌生,但师生在最后的小结非常完美,从知识点、研究方法到探究态度上进行点拨和提升,使得学生们有明确的思考方向和回忆的空间．小结如下.

从知识层面上,学习了几个概念,即通路、断路和短路,并对短路进行了比较细致的研究;学习了几种电路的连接方式,认识到串联和并联的不同特点,在后面的学习中可以根据这些特点来识别电路．

从研究方法上,将复杂的问题进行逐一分解,从而提出具体的可探究问题,这是一个很重要的能力,需要在今后的学习中继续加强;在对实验数据进行采集时,可以通过对比实验的方法来较为生动地再现实验现象,把定性的结果描述得更加准确一些;探究的步骤上从简单到复杂,如探究电路的连接上我们就是从1个彩灯开始,依次进行2个、3个到多个的连接;在对灯泡的亮度无法辨识时,提出用电流表进行测量的方案,这些都是我们今天最重要的收获．

从研究态度上,实验中有思考,不莽撞,不胡乱作为,每一个动作都有一定的目的,显现科学探究时应有的研究品格．

当然本节课也有很多不足,如教学时间较长;要用到实验很多器材,就单单是蒸发皿一种就需要近100个;学生们逐一展示的环节匆忙而过,没有真正体现每一个学生的特点,课上的话语权在很大的程度上还是把握在教师这里,没有真正的放手,也就没能充分体现STEM的特色.这些都是后续教学实施时要充分注意的．

总之,与传统的教学相比,STEM教育的优势在于充分认识到真实的研究过程的多元性和灵活性,认识到跨学科知识的重要性．在全球科技不断进步的今天,选择正确的教育发展道路,对于学生的未来乃至国家的发展都是至关重要的.STEM教育结合当代最先进的教育理念,将学生的学习过程方法化、系统化、多元化.通过学生之间的合作,探究实验的方式,充分调动学生学习的自主性,培养学生的科学思维品质,提高学生的物理核心素养．