STEM视野下的初中科学课堂的开发

费志明

摘 要：初中科学课堂里，学生思维品质的提升，不仅需要科学地设计教学流程，而且更需要以生为本，转化教学模式和行为。STEM 视野下的初中科学课堂是非常好的尝试，它将科学课程工程化、技术化、项目化，是训练和激活学生思维的有效途径。科学课程中引入项目学习策略，将STEM等多学科知识整合起来；为学生提供了一种学习情境，让学生主动探索真实的世界，设计真实生活问题的解决方案，从而培养学生的创新思维和实践能力。

关键词：STEM；课堂；开发；思维品质

STEM教育现在非常流行，然而国内有关STEM教育的研究还处于起步阶段，大多数研究集中于理论研究，而真正一线的案例、实例研究却很少。就算有，也基本都是一些有关信息技术、劳技、科学的拓展性课堂；所谓的STEM云教室，大多数是小创造和小制作的场所。而STEM教育真正在初中科学教学主阵地——课堂上非常少见。为此，开发一些在STEM视野下的初中科学课堂的实践案例，真正提高学生思维品质，显得尤为重要。

一、科学课堂工程化[1]

STEM视野下的科学课堂设计要遵循科学课程目标对培养学生综合性科学素养的要求，体现对STEM学科的整合。科学课堂工程化的目的是科学知识通过工程设计来改善生活，要充分发挥工程在课程整合中的作用，利用工程设计整合课程内容产生具体的项目，形成以问题为导向的课程。STEM视野下的科学课堂设计中利用工程设计方法把科学课程中需要学生掌握的科学知识和方法集合成了具体的项目，通过解决核心问题的活动使学生经历科学探究以及工程设计过程，给学生呈现的课程任务是需要执行产生最终产品的一个或多个任务，产品可以是一个问题方案、一个模型、一个设备。

例1 光的反射

挪威峡谷小镇（尤坎）长年没有阳光照射。2013年11月，靠三面巨镜，首次沐浴冬季阳光。沐浴在阳光下……小镇人们欢心喜悦！

那么，我们如何来放置图1所示的这三面巨镜，这三面巨镜对光的反射有什么规律呢？

我们提供一个真实的情境，让学生自己去寻找内在的規律，这里需要用到技术和数学等内容，并且从中得到科学原理（光的反射定律，如图2），这里需要用到科学知识；然后让学生归纳出光的反射定律有哪些特点；最后应用实际：如何安装这三面巨镜，这里就需要用到工程方面的知识；最后进行反思改进：如何避免光污染？如何在白天每时每刻照射到阳光？……实际问题进行改进。

课堂的主要线索是：现象（情境）——规律（技术、数学）——原理（科学）——特点（科学）——应用（工程）——反思（技术、工程）。

通过这样的课堂呈现可以让学生在不知不觉中将《光的反射》的知识真正内化：光在一些物体表面可以发生反射；光的反射定律、法线、入射光线、反射光线、入射角和反射角的含义；什么是镜面反射，什么是漫反射。

这样基于真实情境、具体问题的引入方式，一方面能够引起学生对课程内容的兴趣，同时提高学生的科学素养，培养发现问题并解决问题的能力。STEM教育理念非常重视学生对自己研究成果的展现，但是这种展示不是单纯地对研究成果的展示，而是将自己研究的思路和研究过程展示出来，同时也是学生逻辑思维能力、语言组织能力、自信心等综合素养的体现。因此，STEM教育回归了科学教育的本质——探索和发现世界的过程。凝结在STEM课堂中的精髓就是，在复杂的学习情境中培养学生的设计能力与问题解决能力。STEM教育是基于问题、设计和项目的学习与操作过程。在这样的过程中，核心概念被活学活用，从而在学生脑中进行强化，深入潜意识，为创新提供了直觉基础。

二、科学课堂技术化

《初中科学课程标准》（2011年版）明确指出，科学课堂技术化是现在科学课堂的主流趋势。技术是人们根据一定的工艺知识、技术期望、工具仪器设备、能源和材料去进行的社会实践活动。

技术素养是科学素养的重要组成部分，它是指人们对技术的性质及历史的了解，具备技术的基本动手能力，以及能够严谨地思考有关技术发展问题的习惯。

了解技术设计的过程和环节，并具有初步的技术设计能力，是学生具有技术素养的一个重要方面。技术设计能力是技术创新和实践能力的重要组成部分，为了给21世纪提供技术创新型的人才支撑，必须注重从义务教育阶段开始培养学生的技术设计能力[2]。

例2 滑动变阻器

我是小小设计师：

出示台灯，调节亮度开关，让学生感受灯光的变化，为什么调节开关时，灯泡的亮度发生变化呢？同学们能否设计一个可以调节灯的明暗的电路呢？

影响电阻大小因素：导体的长度、横截面积（粗细）和材料。那么最简便的改变电阻的的方法是什么？改变长度。

动手实验：将2节干电池、电流表、小灯泡、开关、导线、电阻丝连接成串联电路，如图3，尝试改变小灯泡亮度的方法。

师：这个直线式变阻器有何缺点？

生：合金线太长，使用不方便。

师：你想一想如何改正存在的缺点？

生：可以把较长的合金线缠绕起来（如图4）。

师：对绕合金线所选物体的材料有什么要求？图5的两种材料中你认为哪个好，为什么？

生：陶瓷筒，因为陶瓷筒是绝缘体。

师：图6和图7两种不同的绕法，你会选哪一种？为什么？

师：紧密绕法会使合金线之间相碰而短路？如何解决？

生：使用漆包线（合金线外面涂上漆，绝缘）。

师：如何解决滑片与漆包线之间的接触？

生：与滑片接触的漆包线把表面的漆去除，如图8。

经过我们的改正，制成了使用比较方便的变阻器。用很长的漆包合金丝缠绕在陶瓷圆筒上后，用改变滑片接入点的方法来调节电阻。标准的元件图如图9。

本案例通过让学生成为小小设计师，设计调光台灯的开关。抛给学生一个个需要解决的问题，让学生利用科学知识、工程知识、技术知识解决问题，问题一个个的深入。这正如杜威所认为的，思维起于直接经验得到的疑难和问题，而思维的功能“在于将经验得到的模糊、疑难、矛盾和某种纷乱的情境，转化为清晰、连贯、确定和和谐的情境”，在于“把困难克服，疑虑解除，问题解答”[3]。

三、科学课堂项目化

项目学习（PBL）是通过项目来让学生进行融入情境之中的学习体验，项目完成时通过作品的制作展示来体现其学习成果。

科学课堂项目化不是一定要完整地将项目学习（PBL）全过程展示出来，而是利用其对学生教学过程中的特点与意义，取其一部分适合初中科学教学内容、符合初中生特点展示的一种教学行为[4]。

例3 核能的和平利用——设计核电站

师：核电站是和平利用核能，那如何使不可控制的核反应，设计成可控的？

生：利用一个控制棒，让核反应变得可控，慢慢释放能量。

师：那你估计这个控制棒应该具有什么特点？提示：从链式裂变反应可知，中子就像“点燃”核燃料的火柴着手思考。

生：吸收大部分中子。

师：这个可控的核反应叫核反应堆，那么如何设计一个核电站呢？从能量转化角度来设计。

生：核能→电能。

师：在目前的技术水平，核能能不直接电能？显然不行，那电是如何产生的？

生：电磁感应，机械能产生电能。

师：那如何让核能→机械能？核反应时最大的能量是什么？

生：核反应时最大的能量是热能。

师：现在哪个同学能不能帮老师总结一下，如何使核能→电能？

生：核能→热能→机械能→电能。

师：很好，那么在这些转化过程中，分别需要哪些机器、设备呢？

生： ？

师：核能→热能，什么设备？热能→机械能，什么设备？機械能→电能，什么设备？

生：核能→热能：核反应堆，热能→机械能：汽轮机，机械能→电能：发电机。

师：现在设备已经都有了，那么如何设计一个既高效又安全的核电站呢？因为核反应时会有大量的核辐射，这些核辐射对人体有极大的危害。

生：设计一个保护罩。

师：这个保护结构，应该具备哪些要求？

生：能阻挡核辐射？能阻挡一定量的核泄露。

师：在同学们的设计一下，一个核电站基本能够正常工作了。现在我展示一下“核电站”的示意图，看看和同学们设计的是否一致？如果有不一样的地方，我们将如何进一步修正、完善？

师：展示“核电站”的示意图（如图10）。在核电站中，水起了哪些作用？

生：？

师：在热能→机械能：汽轮机中，水起了哪些作用？在冷凝器中，水起了哪些作用？

生：在热能→机械能：汽轮机中，水作为能量转化的介质。在冷凝器中，水作为冷却剂。

师：从这个示意图，可以看出同学们的设计水平，有了非常高的水准了。那么为什么核电站要建造在海边？

生：从示意图中可以看出，核电站需要大量的水体，进行水循环。

本案例让学生从示意图中归纳出核电站的工作原理：核能→热能→机械能→电能。让他们从能量的角度一步步地思考能量的转化过程。然后，再利用能量的转化，设计需要的机器、设备，再将这些机器、设备整合成一个核电站。最后出示真正的“核电站示意图”，让学生将自己设计的核电站和真正的核电站进行对比，反思还需要哪些改正和修复，进行进一步完善。让学生觉得这样高科技的核电站，自己也能够利用所学知识进行设计，在设计中不断克服一个个困难，解决一个个问题。其实，高科技离我们是如此的近，高科技并不神秘。这样STEM视野下的科学课堂，更能够提高学生的思维品质，培养学生的实践能力，提高学生解决实际问题的能力，最终培养学生的科学核心素养。

总之，我们应该更新教师的教学观念，通过新理论学习，让教师确立以生为本理念，转变教学行为。将新颖的教学模式、教学手段引入我们的课堂。也就是在我们的科学课堂中引入基于建构主义学习理论，通过PBL学习策略，将STEM等多学科知识整合起来；为学生提供了一种学习情境，让学生主动探索真实的世界，设计真实生活问题的解决方案，从而培养他们的创新思维和实践能力；采用多元化的评价，从而充分发挥创新的才能；使学生充分接触与工程相关的科学和技术；使学生能够将课堂和真实的世界联系起来。在这样的STEM视野下，开展初中科学课堂学习，为真正提高学生的思维品质打开了另一扇窗。

参考文献：

[1]李扬. STEM教育视野下的科学课程构建[D] .金华：浙江师范大学，2014：64-65.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育初中科学课程标准（2011版）[M]. 北京：北京师范大学出版社，2012：49.

[3]焦阳.初中科学教学中思维品质的培养[D].大连：辽宁师范大学，2007：4-5.

[4]章晶晶. PBL的中学科学课堂教学设计研究[D].长春：东北师范大学，2010：6-17.