STEM理念下项目式学习的实践探索

顾洁

STEM理念下的项目式学习，强调为学生提供真实生活中的情境，引导他们运用科学、技术、工程、数学等学科知识，通过层层递进的科学探究和工程设计等活动，完成主题项目，解决生活中的实际问题，从而提高他们的思维能力和解决问题的能力。以《点亮红绿灯》为例，教师从实际问题出发，以项目式学习为主线，以科学探究、工程设计与制作为基础，不断地用问题驱动课堂教学。

教学目标

本案例是围绕教科版小学科学四年级《电》单元的教学目标进行的，指向物质科学领域，涉及课程标准中的主要概念是：认识电是生活和工作中常用的能量来源;了解安全用电常识;知道常用电器的工作需要一个完整的回路;知道开关的功能，能用一些基本组件连接一个简单电路;知道有的材料容易导电，有的材料不容易导电。由此确定本案例的分科教学目标：

科学：要让灯泡亮，必须形成一个电流的回路。开关可以用来连接或断开电路。

技术：设计简单开关，使其可以控制一盏灯，以及红绿灯、红黄绿灯的亮和灭，利用电路图解释原理。

工程：通过小组合作制作简单开关，并会对其进行改进，用开关控制一盏灯，以及红绿灯、红黄绿灯的亮和灭，能够根据电路图进行实物的连接。

数学：能借助图形和线条准确表示电路实物图中的各部分，及电路的连接。

本案例主要针对小学四年级学生，根据他们的知识储备和探究能力，共安排了3个活动“点亮小灯泡”“导体和绝缘体”和“做个小开关”，在此基础上进行红绿灯的设计制作与测试优化。本案例共用5课时，内容包含：点亮小灯泡、导体和绝缘体、做个小开关、设计制作红绿灯和测试优化红绿灯。

教学过程

1.问题与聚焦

随着科技的发展，国内汽车保有量已经达到了惊人的地步，人们出行最头疼的问题就是堵车。马路上我们随处可见的红绿灯，是设置于交叉路口或一些特殊地点，指示车辆及行人停止、注意与行进的交通管制设施。如果没有红绿灯，交通的拥堵情况将无法想象，人们的出行安全也无法得到保障。那么，红绿灯是如何做到光色讯号更换的呢？为了解决这一问题，我们开展《点亮红绿灯》的项目式活动。

2.活动一：点亮小灯泡

四年级学生对于电路的相关知识还不是很清楚，因此，通过一系列活动帮助学生初步认识电的本质，是他们学习制作红绿灯的基础。教师从家里或教室的电灯入手，引导学生发现问题：为什么闭合开关，电灯就会亮呢？教师先组织学生观察、认识小灯泡的构造，再引导他们尝试自己点亮小灯泡，想办法使小灯泡亮起来的同时，用手比画说说电流是怎么流动的，并做好记录，用箭头画出电流流动的方向。

点亮小灯泡的方法不止一种，教师鼓励学生尽可能地多尝试几种连接方式，有利于培养他们的创新思维和发散思维。通过各小组的展示、汇报，引导学生一起分析能够点亮小灯泡的共同之处：只有电流流过灯丝时，小灯泡才会发光。教师介绍并与学生一同总结：电流从电池的正极流出，经过导线到达小灯泡的一个连接点，电流从这个连接点进入，经过灯丝再从另一个连接点流出，经过导线回到电池的负极，电流形成了回路，使小灯泡发光。

这个活动中，学生还会学习用简单符号画电路图的方法（如图1），能借助简单电路图准确表示电路实物图中的各部分，及电路的连接方式，为后面的学习奠定基础。

图1  电路实物图和简单电路图

3.活动二：导体和绝缘体

这个活动中，学生在了解简单电路的基础上，学习如何连接电路检测器，并能利用電路检测器正确进行各种物质导电性的检测，认识到有的物质易导电，这样的物质叫作导体，有的物质不易导电，这样的物质叫作绝缘体。这样可以使学生对身边物质性质的认识得到进一步发展，同时加深他们对电的理解。

活动先以“点亮小灯泡PK赛”导入，既对活动一的内容进行了回顾，又激发了学生的探究兴趣。这时教师展示用3根导线连接的电路（如图2），提出问题：如果把导线1和导线2断开后小灯泡还亮吗？你有没有什么办法，在断开的地方放个材料让电流继续通过，使小灯泡亮起来？学生通过实验发现，铁片、铜丝接入电路都能使小灯泡亮起来，说明电流能够通过铁片、铜丝。教师向学生介绍，像这种能够检测是否有电流通过的装置叫作电路检测器。

活动时，教师应给学生充足的时间进行探究，学生分小组根据要求制订研究计划，通过检测12种常见物体是否导电，让他们积累经验去认识生活中的导体和绝缘体（见表1）。教师并没有提供全部的12种物体，而是留一些“空白”给学生，期望学生能留心身边的物体，让科学回归于生活。学生通过亲身经历、动手操作来实施检测步骤，并利用表格记录实验数据，再整理、分析并总结导体和绝缘体的特点。这也体现了把课堂还给学生，通过探究式学习，发展他们的科学探究能力和思维能力。

表1  “导体和绝缘体”的检测记录表

第     小组

[物体名称 预测 检测1 检测2 检测表明 亮 不亮 亮 不亮 亮 不亮 容易导电 不容易导电 1 铜钥匙 2 塑料棒 3 塑料尺 4 木片 5 铁钉 6 铝片 7 纸板 8 玻璃棒 9 回形针 10 橡皮 11 12 ]

最后以游戏——“玩一玩人体导电球”为拓展活动，全班同学手拉手，一起点亮导电球。教师提问：导电球亮了，说明我们人体是导体吗？适时进行安全用电教育。

4.活动三：做个小开关

教师创设情境：这个电路中的小灯泡一直在亮着，很浪费电，你有什么方法可以控制小灯泡的亮和灭吗？从而引出本活动的“主角”——小开关，引导学生仔细观察小开关，并把发现用“简图+关键词”的形式记录下来。在认识了小开关的主要构造及材料特点后，学生尝试将小开关连接到电路中，探究它是怎样控制电路的连接与断开的。

如何利用身边的材料设计并制作一个简单的小开关呢？教师提供材料：带有鳄鱼夹的导线、木块、金属环（如图3）;学生以小组合作的形式讨论、设计、制作一个小开关，并能用它来控制电路。制作完成后，全班展示交流，教师追问：为什么开关闭合的时候小灯泡会亮，断开的时候小灯泡会灭？

图3  做个小开关实验材料

5.活动四：设计制作红绿灯

教师提出问题：我们能不能用开关控制两盏灯，生活中有没有这样的例子？之后介绍：其实我们常见的红绿灯就是这样的例子。

教师先通过设置连续的疑问，启发学生思考：这个开关有什么样的特点？要求开关连接到红灯时，红灯亮，绿灯不亮;连接到绿灯时，绿灯亮，红灯不亮，这样的开关应该怎样设计呢？活动三中，我们设计的控制一盏灯的开关上有两个金属环，现在加了一盏灯，两个金属环还够不够？我们应该在原来的小开关上如何改进呢？学生在这样头脑风暴式的思考中，通过小组讨论，逐步形成开关的设计思路。此时，教师引导学生将设计的红绿灯的电路图记录下来（如图4）。

圖4  红绿灯电路图

接下来就是学生动手制作红绿灯的时间了，按照设计好的电路图，根据提供的材料进行连接（如图5）。学生通过实践发现，红灯和绿灯都分别有两根导线（一红一蓝），两根红色的导线可以连接在开关的两个金属环上，另外一个金属环用导线连接到电池的正极。为了连接方便，我们可以用一根特殊导线，一头是鳄鱼夹直接夹住红灯和绿灯的两根蓝色导线，一头连接到电池的负极，这样红绿灯的电路就连接完成了（如图6）。

图5  红绿灯实验材料

图6  红绿灯电路实物连接图

6.活动五：测试优化红绿灯

各小组对制作的红绿灯电路进行测试，看电路是否符合要求，并介绍是怎样控制红绿灯的，若未达到预设要求，继续对电路加以改进。

教师提出新问题：生活中我们看到的不仅仅只有红灯和绿灯，还有黄灯，如何对红绿灯的电路进行方案优化，设计出一个开关，能控制红、黄、绿三盏灯的亮和灭呢？学生以小组为单位，先进行电路图的优化，再根据提供的材料进行实物连接（如图7、图8），最后进行全班分享、交流，并对本项目学习案例进行总结：（1）小组在设计制作过程中遇到了哪些困难？是如何解决的？（2）本项目学习案例中，你们有哪些收获和体会？（3）你对设计制作的红黄绿灯作品还有什么改进与优化的建议吗？

图7  红黄绿灯电路图

图8  红黄绿灯实物连接图

7.学习评价

评价是促进学生成长、教师专业发展和提高课堂效率的重要手段之一，在项目式学习中是必不可少的一部分。本案例中，学习评价是贯穿于整个教学过程中的，学生根据学习过程和学习结果进行自我评价（见表2）。

教学反思

1.着眼真实性问题

STEM理念下的项目式学习是对真实世界中遇到的问题进行深入调查和学习，并通过合作找出答案，这也是STEM教育和传统科学教育的不同之处。教师引导学生关注真实情境下的“红绿灯”并提出明确目标，促使他们积极主动地参与项目式学习，通过解决若干个问题，最终呈现出完整的作品。学生在整个活动过程中，经历了“聚焦问题—调查分析—活动体验—设计与制作—测试与优化—展示与评价”等基本步骤，这使得学生的思维能力和解决实际问题的能力得到提高。

2.实现跨学科教学

STEM理念下的项目式学习是一门跨学科的整合性课程，也是一门内容丰富的开放性课程，以提高每个学生的STEM素养为目标。项目式学习的特点与STEM教育理念是非常契合的，选择合适的项目通常能将各学科要素有机融合在一起。在《点亮红绿灯》中，学生需要灵活运用各学科知识，经历科学探究和工程设计的学习过程，完成主题项目，从而提高自身的科学素养。

3.设计递进式活动

STEM理念下的项目式学习不是简单的一节课，而是需要学生通过一段时间的调查、探究、实践来解决真实问题的一种学习方式。《点亮红绿灯》中，教师根据学生的知识储备和探究能力水平，先布置了“点亮小灯泡”“导体和绝缘体”和“做个小开关”3个学习活动，让学生在由浅入深、层层递进的实践中打下扎实的知识基础;再在此基础上，引领学生进行红绿灯的设计制作与测试优化，让他们在一步步探究、一次次测试中发现问题，解决问题，最终完善方案。

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