基于A-STEM 理念的跨学科课程实践与反思——以“超声波测量平均速度”为例

四川省成都市龙舟路小学 邢 飞

一、项目背景

当代，任何重大的经济、社会和科技问题都是复杂的综合性问题，需要综合运用多学科、跨学科的知识和方法才能顺利攻克，因此重视培养和造就跨学科人才已成为世界各国教育的一种新的趋势。理论发展与教育实践不总是平衡的，当前跨学科综合教育课程已经取得长足发展，但发展的过程仍伴随着一些问题。STEM 教育理念强调跨学科整合，有人将其等同于综合实践活动，认为多个学科教师在一起开展了学习活动就是跨学科，其实不然。跨学科课程一旦离开了学科基础，很容易流于形式，当学生对单个学科中的思想了解甚少或根本不了解时，跨学科间建立联系也是困难的。学科学习才是基础，一味地强调跨学科整合，甚至把跨学科的价值凌驾于单学科之上，可能是有害的。

基于上述问题，教育界也提出了相应的教育策略与发展规划，如深圳市龙岗区教育局于2018 年7 月颁布的《深圳市龙岗区A-STEM 课程建设指导意见》中提出A-STEM 新型教育理念，与常见的STEM 教育不同，A-STEM 教育是由“三驾马车”驱动，即学科核心概念、跨学科概念和项目实践，三驾马车不是三驾独立的马车，而是指三匹马合力拉一辆马车，它们朝着共同的方向协同使力。对于A-STEM 教育而言，这三匹马各有分工又相互合作——学科核心概念是基础，跨学科概念是连接不同学科的核心，项目实践是方法。

新型A-STEM 教育理念强调跨学科课程内容的独立与统一，对跨学科实验教学的设计与实施具有很大的指导意义。笔者与学科教师经过充分研讨，发现在测量平均速度这一物理实验中，原实验方法存在诸多缺陷，例如，人工计时误差太大、实验设计过于简单、对学生实验思维锻炼不到位、实验方法毫无拓展空间等。基于A-STEM 教育理念，笔者提炼出原实验中的学科核心知识，结合信息化电子元件和编程思想改进了实验。

希望通过这次跨学科实验促进学生主动构建各学科知识体系间的联系，提升跨学科解决问题的能力，以及能够深入思考信息能力、新工具和课堂知识的结合方式，真正成为学习的主人。

二、项目目标

在设计教学目标前，笔者进行了充分的学情分析，发现学生已经具备图形化编程的逻辑思维能力、搭建开源硬件的动手能力，掌握了关于平均速度的基础知识，且对新功能元件有强烈的好奇心、探索欲。笔者充分考虑学生的认知情况，结合A-STEM 理念进行了教学目标设计。

（一）知识与技能

一是理解超声波传感器测速的工作原理（科学）；二是搭建实验模拟场景以及测速元件系统（工程、艺术）；三是运用嵌入式编程手段控制超声波传感器测量数据，并实现项目数据可视化（技术）；四是根据实验数据计算出平均速度，加深对平均速度的理解（数理）。

（二）过程与方法

一是掌握超声波传感器的使用（科学、技术）；二是体会设计实验、实验操作、记录数据、分析实验结果的完整过程（技术、数理）。

（三）情感态度与价值观

一是通过借助开源硬件及软件进行实验，激发学习兴趣，提升信息素养；二是培养认真仔细、不断改进的科学态度，以及正确、实事求是测量和记录数据的良好作风。

三、重难点分析

遵循A-STEM 教育理念，本实验以物理公式v=s/t 为学科核心基础，以超声波传感器为工具，结合编程思想，设计项目实践方案，从而达到更好的实验效果和能力提升。从这一理念出发，笔者对整个实验流程中的关键环节进行了梳理，并分析了重难点的突破策略。

（一）项目重点

本次实验项目的重点是理解超声波传感器测速、测距的工作原理，模仿并抽象出实验场景、设计实验方法、记录和整理数据、分析实验结果，从而进一步掌握物体运动的平均速度的含义和求解方法。

（二）项目难点

本次实验项目的难点是根据搭建的场景和实验方案，运用嵌入式编程手段控制超声波传感器测量数据，并实现项目数据的可视化。

（三）重难点突破策略

1.生活经验与物理公式相结合

在实验开始前，教师为学生提供高速公路上测速仪的工作视频，唤起学生的生活经验，再将生活中电子测速仪的工作方式抽象为物理形式的简单动画，便于学生理解和模仿如何根据公式v=s/t 实际测量一个物体运动的平均速度。

2.制作超声波传感器的使用手册

这本使用手册针对超声波传感器的连线方式以及编程模块进行了详细的讲解，并为实验设计了相关表格。学生参照手册中的讲解辅助实验过程，逐步填写表格，可降低实验难度，但不会降低实验拓展深度。

3.异质分组，合作探究

课前教师对学生进行了充分的学习进度和能力调查，分组时，教师在尊重学生意愿的前提下，保证小组各组员间能力有别，能够有针对性的任务分工，同时也提供了学生间相互学习的机会。

4.采用信息化手段优化实验过程

在实验过程中，教师鼓励学生运用电脑解决遇到的问题、进行资料拓展搜集以及代码注释等。在评价方面，教师重视过程性反馈和评价，对学生实验过程给予反馈，并做好记录。

跨学科实验项目实施流程

四、项目的设计与实施

本次跨学科实验项目主要是为了引导学生跨学科解决问题、研究性学习，体验完整的实验过程，解决生活中的真实问题。项目实施流程包含“四阶段、十环节”（如上图所示）。

以下为实验的具体流程。

（一）设计实验方案，确定实验器材，搭建实验场景

学生初步制定的实验方案为：在斜面上搭建两个超声波传感器，根据小车与超声波传感器的距离，采集被测试小车接触时间和离开时间，经计算将运动时间显示在屏幕上。

需要的实验器材有：斜面、刻度尺、小车、超声波传感器、UNO 主控板、显示屏、电池盒。

（二）编程实现具体功能及数据可视化

根据实验方案，学生利用编程手段获取需要的原始数据，并对数据进行处理，将处理后的有效数据显示在液晶屏上，便于读取记录。

（三）分层次进行实验并真实记录数据

本实验项目分为两个层次，为保证数据准确性，每个层次进行3 次重复实验。小车从顶部出发，学生分别测量通过斜面全程（0.30m）和斜面下半部分（0.15m）的时间，进一步根据公式计算出两者的平均速度。

根据实验结果，实验误差基本控制在0.01s 左右。学生总结出的初步结论为：全程小车的平均速度是0.57m/s，下半段路程小车的平均速度是0.82m/s。

（四）分析数据，延伸总结

基于A-STEM 教育理论的跨学科实验不仅仅局限于表面现象，而是要进一步从现象找规律，才能全面提升学生的综合素质。学生再次分析数据，得到延伸结论：小车在斜面上做的是变速直线运动，小车从斜面顶端滑下，运动速度越来越大。

（五）改进实验方案，进一步减小误差

本实验项目开放度很高，借助超声波传感器有多种方案都可测量出平均速度，前面的方案中使用了两个传感器，不仅耗材还增大了误差。提出问题后学生自主搜集资料，经过充分思考讨论后提出两种新方案。

方案一：多增加一个车体长度数据，将超声波传感器放置于斜面侧部，测量小车开始经过至完全经过超声波传感器的时间，速度可以表示为v=L车长/（t’-t’’）

方案二：将超声波传感器放置于斜面底部正对小车，测量小车由远距离点s1到近距离点s2的运动时间，速度可以表示为v=（s1-s2）/（t’-t’’）

通过改进实验方案，只使用一个超声波传感器测试时间，这样在减少传感器使用的同时也减少了误差，让学生从细节处养成严谨的科学探究态度。

五、总结与反思

从分析实例、设计方案、搭建场景、编写功能、分析数据、延伸总结到最后的提升改进，学生经历了完整的跨学科实验过程，各组学生的实验过程也记录得十分详细、严谨。实验项目结束后，笔者通过问卷星调查了解到绝大多数学生非常认可此次跨学科实验教学，表示各方面能力切实得到了提升。将物理知识与信息化工具、手段结合起来解决生活中的问题，对学习方式、学习工具产生了新的思考。通过对学生实验过程的分析，笔者认为本实验项目对于培养学生信息素养、创新能力、实践能力、跨学科解决问题能力有重要意义。

笔者认为以下五项策略是跨学科实验得以顺利完成的保证，同样适用于其他学科融合的案例。

第一，从学科核心知识出发，最终落脚于学科核心知识的延伸。本实验项目以“平均速度公式v=s/t”为理论基础，从学生熟悉的学科核心知识出发，融合跨学科概念即以图形化编程为载体，借助模块化电子元件进行实践，驱动实现学科核心知识的升华。学科核心知识既作为理论支撑与实验前提，又保证了相对独立，既不囿于课本课程的说教体验，又实现了在教材实验内容上的突破创新，充分保证了学生自主学习与思维创新的结合。

第二，从熟悉的方式与工具出发引导思维创新与突破。在本实验中，学生对图形化编程已经非常熟悉，超声波在生活中也有广泛应用，在此基础上的学科融合才是有意义的，实现了1+1 ＞2 的效果，避免了片面求新求异的课程格局，使跨学科知识能真正落实应用。通过创设新实验方案将熟悉的转化为新奇的，在已经掌握的知识之间建立起相互联系的体系框架，从而自然地培养起学生综合运用跨学科知识解决问题的能力与思维。

第三，异质分组实践。学科融合强调的是不同学科能力综合运用，而学生个体在学科基础、综合应用能力、性格特点乃至性别、家庭背景等方面都是不同且互补的。异质分组探究完成项目，不仅能让学生掌握课堂知识，还有利于学生之间相互切磋学习，充分发挥分组合作的意义。

第四，实验环节具备较高的开放程度，避免天花板效应。通过跨学科综合应用的组织与升级，能够生成多样化的衍生实验方案，有利于学生拓展思维，进一步探索学习。同时，对实验的改进探究，有利于学生进一步探索跨学科知识融合，不会限制高层次学生的发展。

第五，重视解决问题的思维培养。本实验不单单要求学生灵活掌握学科核心知识，更重要的是形成跨学科综合应用知识的意识，培养利用综合知识解决问题的思维倾向，摒弃学科知识只为应试的传统思维惯性，而使学生更多地将学习能力转移到具体实践内容当中，在生活中能够主动学会与利用跨学科的技术来解决问题。

跨学科课程的实践，不仅培养了学生综合运用、跨学科解决问题的能力，提升了信息素养、实践能力和创新能力，真正实现了素质教育，还让学生对新型学习方式产生思考。信息技术的普遍使用促进了跨学科教学的发展，运用信息技术开展跨学科人才培养势在必行。未来中国将成为科技世界的中心，面对巨大的挑战，只有具备综合能力的新型人才才有足够的竞争力，因此父母和教师应该多关注教育和未来的趋势，教育理念应该符合未来的世界需求，而不是现在，更不是过去。