STEM教育理论下的项目化学习研究

李白灵 郝星宇 杨晓梅

摘   要：STEM教育理论下的项目化学习有利于通过任务驱动和问题解决的方式培养学生的实践能力和创新思维。文章以“风力发电”项目为例，结合物理学科的特点，从教学准备、探究学习过程、教学评价三个方面设计了教学实施流程，并探讨通过该项目的实施培养学生思维创新能力的可行性，以期为中学项目化学习的开展提供参考。

关键词：STEM;项目化学习;风力发电;教学流程

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2020）11-0076-4

STEM教育是一种通过整合科学（S）、技术（T）、工程（E）和数学（M）领域内容和方法进行项目化学习的教育方式[1]。这种整合既不是对教科书知识的简单叠加，也不是各学科知识之间的无意义交融，而是在项目工程实施过程中为有效达成任务、解决问题，学生自主地调动全学科知识而形成的整合。本文以“风力发电”项目化学习设计为例，从教学准备、探究学习过程、教学评价三个方面，探讨通过该项目的实施培养学生思维创新能力的可行性，提出可供中学项目化学习参考的探究实施流程。

1    STEM教育理论下的项目化学习

STEM教育理论中基于项目的学习为学生提供真实的情境和特定的教学目标，让学生制定计划，综合运用所学的多学科知识和技能，有效利用各种资源，解决一系列相互关联的现实问题，最终以产品或研究报告的形式结束。基于项目的学习强调在活动过程和活动结束之后产生人工制品[2]，产生人工制品是现阶段开展STEM学习最主要的成果，也是我们设计项目化学习流程的出发点和目标。

结合物理学科的特点，我们从教学准备、教学实施、教学反馈三个阶段提出了如图1所示的项目化学习流程图。

2    风力发电机项目的探究学习过程

2.1    确定项目目标

风力发电项目是基于现实生活的复杂工程型问题，融合了多学科知识。其中，风力发电机涉及了物理學中力学和电磁学等多个方面的基础知识，有利于学生深化物理知识的学习与应用。从产品制作的角度来看，其可实现性高，且与社会和生活关系密切。

“制造风力发电机使二极管发光”的教学目标可描述为：“学生通过参观考察、文献查阅等方式了解风力发电机的发展历史与前景;通过科学探究，学习风力发电机涉及的基本原理;通过设计电机的结构、制作小型风力发电机，体会工程设计与制作的过程;能够运用数学思维解决真实情境中的计算问题。”详细分解见表1。 [1]

2.2    制定跨学科知识和方法细目表

具体内容见表2。

2.3    制定学习活动细目表

具体内容见表3。

2.4    探究环节

2.4.1    提出并界定问题

我们能否在家庭或实验室里设计出小型风力发电机呢？教师引导学生思考：风力发电的原理是什么？制作风力发电机需要什么样的材料和工具？风力发电机所产生的电能如何处理？

2.4.2    工程分解，明确工作机制

学生通过查阅资料、实地调查了解风力发电机的结构组成和工作原理，在此基础上进行 “头脑风暴”发散思维，归纳出有关风力发电工作机制的诸多问题，教师可引导学生将有关问题梳理为如图2所示的问题框架。

2.4.3    搭建学习支架，建立物理模型

在围绕产品设计进行“头脑风暴”后，复杂的原始问题将被分解成若干个基础问题。教师则需要引导学生围绕这些问题采用文献调查、科学探究等方式解决问题，并建立物理、数学模型。

通过学习学生将建立以下物理模型：

①受力分析——传统风车发电中风叶的旋转原理：选取风叶的中心点作为研究对象，如图3所示，风叶所受到的力可分解为径向和切向两个方向的力，其中径向力不做功，切向力推动风车旋转。

②流体流速模型——现代风力发电机的风叶旋转原理如图4所示[3]。图示为扇叶的横切图，v表示风速和方向，叶片上方的流速大压强小，下方的流速小压强大，从而产生一个向上的升力Fy，同时风对叶片会产生水平推力Fx，两个力的合力为F，方向如图4所示。在该力的作用下，风叶开始旋转。

③法拉第电磁感应定律，如图5所示，闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比，即E=n （其中，n表示线圈的匝数，Δφ表示Δt时间内的磁通量变化，E表示Δt时间内的平均感应电动势）[4] 。

④闭合线圈置于匀强磁场，绕垂直于磁场方向的轴进行转动，线圈中将产生正弦规律变化的交流电，电压方向随时间做周期性变化，如图6所示。

2.4.4    工程设计，技术制作

学生在掌握产品的基本原理后，根据需要确定风叶的形状，设计发电机结构，并根据需要实现的功能绘制图样、注明各元件的材料与参数，选择工具。该图纸需要满足功能性、美观性、实惠性、操作性等多项可行性条件，获得最优方案。在绘图时可选用电脑绘制，也可手绘，但要求清晰、直观，因为该图样是下一步进行技术制作的指导性材料。学生以小组为单位绘制图样，教师组织各小组展示自己的设计图纸并提出指导。图7、8示例参考图纸。

2.4.5    项目成品展示，交流反思总结

产品制作完成后，学生以小组汇报的形式展示其运作效果，并制作PPT从以下几个方面进行展示：产品结构原理、小组分工情况、制作过程中的收获和面对的问题、真正使用风力发电还面临哪些困难、风力发电的应用前景、节约能源的必要性（如图9）。

在學生学习结束后，教师应对学生的学习情况进行评价，基于STEM 理论的项目式学习以对学生的形成性评价为主，重视学生在产品制作过程中的整体表现。评价将由学生的自我评价和教师的客观评价综合组成，结合教学目标，从情感体验、能力培养、科学知识等多方面展开。近年来，我国有多名学者融合国外STEM评价体系从课堂环境、课程结构、教学内容、学生表现等方面编制了行之有效的评价体系，因此我们引入该评价体系对教学效果进行评价[5]。

3    结  论

STEM理念下项目化学习的最终学习成果是产生人工制品，围绕这个特点，我们从物理探究学习的角度设计了教学开展的流程。通过制定项目目标、解决方法和学习活动的细目表，有效地将跨学科学习依据问题解决的模块设置成教学活动。并通过风力发电的项目探讨了问题提出、工程分解、模型建立和技术制作等几个环节的具体操作方法，强调了学生在学习过程中的主体地位，有利于培养学生的思维能力。

物理知识与项目化学习的有效结合，不仅能促进学生对基础知识的理解，还有助于学生通过实践探索的方式掌握物理建模的思想。同时，工程制作对提升学生的动手操作能力和统筹规划能力有重要作用。有关项目化学习在物理学科的应用我们需要研究的还有很多，只有多种资源的充分调动和整合才能推动STEM教育的长远发展。

参考文献：

[1]李克东，李颖.STEM教育跨学科学习活动5EX设计模型[J].电化教育研究，2019，40（4）：5-13.

[2]杨彦军，饶菲菲.跨学科整合型STEM课程开发案例研究及启示——以美国火星教育项目STEM课程为例[J].电化教育研究，2019，40（2）：113-122.

[3]吴斌，刘耀昌，田冰涛，等.自制风力发电机及其特性研究[J].物理通报，2012（10）：23-24，28.

[4]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2 [M].北京：人民教育出版社，2010：15.

[5]李艳燕，董笑男，李新，等.STEM教育质量评价指标体系构建[J].现代远程教育研究，2020，32（2）：48-55，72.

（栏目编辑    李富强）