STEM教育理念下的“设计简单电路”教学案例

■孔 跃

一、背景和理念

当今世界的竞争说到底是人才的竞争。人才是中华民族实现伟大复兴，赢得日趋激烈的国际竞争的重要战略资源。人才的培养离不开教育，教育的发展必须跟上时代的步伐，STEM 教育就是在这个背景下发展起来的，其中S 代表科学（Science），T 代表技术（Technology），E 代表 工程（Engineering），M 代表 数学（Mathematics）。如果把STEM 教育当作是科学、技术、工程和数学这四门学科的机械叠加，就恰恰违背了STEM 教育的核心理念。STEM教育的核心理念是跨学科、融合性、开放性、体验性、协作性、创新性、设计性和主体性。其课题的选取往往基于一个现实问题，通过情境创设、问题分析、实验探究、数据分析、交流与展示、评价与思考等过程，将科学、技术、工程、数学等学科有机融合，从而培养学生的综合素养、团队意识、创新精神和实践能力，使他们成为拥有良好科学素养的公民。

如何将STEM 教育理念运用在初中物理教学实践中？笔者以苏科版物理九年级上册综合实践活动“设计简单电路”为例，谈一谈在初中物理课堂教学中实践STEM 教育理念的做法和思考。

二、设计和流程

【课题选择】“设计简单电路”是“电路初探”这一章节中的最后一个教学内容，是学生在学习了串并联电路知识后的一次实际应用。这节课内容丰富，贴近实际，学生要灵活运用所学的串并联电路的知识来解决实际问题，不仅要有解决问题的能力，而且要有较强的动手实践能力，是一节可以体现STEM 教育理念，运用STEM教学策略的综合实践课程。

【教学目标】1.了解简单电路在生活中的运用实例，进一步加深对串并联电路的理解。2.通过简单电路模型的设计和制作，培养设计、动手能力和创新精神。3.体验科学探究过程，学会与他人合作，感受学习的乐趣。

【教学任务】1.设计病房呼叫电路。2.设计楼道灯电路。3.设计报警电路。4.设计未系安全带提醒电路。

【教学资源】教学案、多媒体视频、LED灯（若干）、干电池（若干）、蜂鸣器（若干）、导线（若干）、细导线、开关（单刀单掷和单刀双掷若干）、彩色水笔、卡纸、橡皮泥、回形针、双面胶、图钉、牙签等。

【教学流程】1.情境再现，激发学习兴趣。STEM 教学是基于现实情境的，需要学习者置身于真实、非虚构的学习任务中。所以教师在课前要准备一些贴近实际的多媒体视频，让学生了解这个领域的现实状况；还可以介绍该领域内的科学家及其研究成果，树立榜样，进一步激发学生的学习动力。我提前在网上下载了一些视频资料：《理科生浪漫起来简直没文科生什么事》《红外激光防盗报警器》，公益广告片《Heaven can wait,belt up!》。

2.问题导向，引入教学任务。问题一：设计病房呼叫电路，在护士值班室里有几盏指示灯和一个电铃，在病房中的每个病床边都有一个按钮。这个电路是如何工作的？阅读九年级教材上册80—81 页相关内容。问题二：在楼道中安装电灯，要求在楼梯的上下两端都能控制它，上楼时，能用下面的开关S1开灯，上了楼梯以后，能用上面的开关S2关灯；下楼时，又能用S2开灯，用S1关灯。问题三：设计安全带未系提醒电路，驾驶员在开车时必须系好安全带，原理：①司机坐在座位上，相当于闭合开关S；②系好安全带，相当于闭合开关S1；③当司机坐上座位，若未系好安全带，指示灯亮；若系好安全带，指示灯熄灭。问题四：某农场有一羊圈和值班室,为了防止狼闯入羊圈或羊从羊圈中跑出来,请为值班室里的牧羊人设计一个报警电路。原理：情况正常时，值班室灯亮，电铃不响；当有牲畜闯入或跑出时，碰到栅栏会拉断栅栏上的细导线，灯灭同时电铃响。

3.团队合作，设计电路并动手实践。教师先将学生分成4～5 人的合作小组，发放“设计简单电路”教学案，要求学生首先阅读导学案上的相关内容，了解任务要求、实验器材、实验准备、注意事项等，在学生了解相关电路器件的功能和实验要求的基础上，由小组成员共同商量，确定一项实验任务。在动手实验前，教师要规定活动时间，要求在规定时间内完成任务。接下来，各小组成员分工合作，讨论设计电路，并把电路图先画在纸上，然后根据设计图纸，将电路图连接成电路模型，要求电路模型具有科学性、新颖性、实用性、安全性、真实性。这个阶段是学生最喜欢的，学生的设计能力、动手能力、交往能力、创造能力等得到展示和锻炼。此时此刻，学生成了课堂的主角，而教师成了学生的伙伴和导师。教师不要过多干预，可参与到学生的小组讨论中，适时点拨和提示。如果发现有的小组遇到了困难，教师也不要直接帮助解决，而是教给学生解决问题的思路和方法。教师巡视各组的进展情况，鼓励学生利用教师提供的实验器材，发挥聪明才智，设计并制作出电路模型。

4. 展示交流，分享研究成果。在规定时间内，各组学生完成了相关电路设计和模型制作。此时的课堂应该成为学生展示交流、分享成果的舞台。各小组选出2 名成员走上讲台展示本组设计的电路和制作的模型，并交流从设计电路和观察现象中得出的结论。教师适时点拨提问，引导学生积极思考，让学生在思考和回答问题中加深对物理知识的理解。其他小组的学生可以在实验展示结束时给予评价，提出质疑和改进意见。

5.知识总结，思考深化应用。课堂教学很快就结束了，但一节课的时间并不能解决所有问题。学生在展示、交流、评价和质疑的过程中，对已有设计方案提出改进意见，对实验现象有了新的发现，对实验结果提出了新的质疑。这些都有待于课后去探究和解决。课堂结束后，需要适时进行总结，完成课后作业，促进学生将零散的知识系统化。这时就需要教师精心设计一些思考题让学生进一步加深理解，让学生通过课外阅读，上网查阅资料，再次动手改进实验，去探究更实用的电路。这样不仅能加深学生对知识的理解，而且培养了学生自主学习的能力。

三、体会和反思

从课堂状态来看，这节课大多数学生能主动参与，积极思考，踊跃发言，学生的学习兴趣和求知欲望被充分调动。运用STEM 教育理念的课堂可以激发学生的学习兴趣，有了兴趣，他们就会产生学习欲望，实现从“要我学”到“我要学”的转变。

学生的主体性得到充分体现。课堂上，教师讲授不多，在材料阅读、问题分析、实验探究、交流展示、评价与思考等一系列环节中，主要都是由学生自主完成。教师只是起到指导、点拨和协助作用。解决问题的过程、得到结论需要学生团队合作和自主探究。运用STEM 教育理念的课堂培养了学生独立自主、运用知识、解决问题的能力。

运用STEM 教育理念的课堂教会了学生解决实际问题的一般性方法，即发现问题、分析问题、查阅资料、设计实验、数据分析、得出结论。在这个的过程中，学生的计算能力、设计能力、组织能力、沟通能力、创新能力、合作精神等得到了锻炼，为今后从事更加复杂的社会实践和科学研究奠定了基础。

这节课让学生体验到了成功的快乐，增强了学生的自信心。在STEM 教学理念下，学生体会到团队合作的重要性，意识到一个复杂问题的解决仅靠一人之力是很难完成的，必须有大家的参与和分工协作。问题的结论往往也是开放性的，没有统一的答案。STEM 教育理念下的师生是平等的，有些问题可能教师也不会，但也不必担心，教师和学生可以一起学习讨论，共同提高。

STEM 教育理念下的课堂让教师感受到了学生的快乐、自信、主动与能力。但是我们能否把每一节课都上成STEM 课呢？很显然这是不现实的，也没有必要。第一，国内缺乏STEM课程的教学资源，有效的、针对性强的课程开发和设计也相对滞后。第二，受到教学进度和教学任务的制约，完成一个基于现实问题的STEM 课题往往要花费几节课、几周甚至更长时间，同时还需要学生花大量的时间和精力去广泛阅读和动手实践，而要做到这一点无疑是困难的。第三，受到当下考评方式的影响，在STEM 课程中，学生学习的知识往往是碎片化的，知识的系统性和完整性没有形成。学生也许有广泛的知识面，有良好的科学素养和创新能力，但他们的考试成绩并不一定优秀。这些都是一线教师在实践STEM 理念时所面临的困难和阻碍。但作为一名新时代的教师，我们要有责任担当，要在教育教学改革中勇于探索，灵活地把STEM 理念运用到平时的课堂教学中，把它作为传统教学的有益补充。最后引用教育家蔡元培先生的一段话与大家共勉：“我们教书，是要引起学生的读书兴趣，做教员的不可一句一句或一字一字地都讲给学生听，最好使学生自己去研究，教员不讲也可以，等到学生实在不能用自己的力量去了解功课时，才去帮助他。”