STEAM理念下的跨学科学习案例研究

◇陈 群 马艳玲（安徽：长丰县教育体育局教研室长丰县北城实验小学）

一、现状分析

2022 年版课标实施首个学年，各地中小学掀起了跨学科主题学习热潮。2022 年版课标指出，要“强化课程综合性和实践性，推动育人方式变革，着力发展学生核心素养”。但是很多中小学教师对“什么是跨学科学习”认知模糊，在教学设计和实施教学中呈现各种样态的“跨学科”学习。其实在跨学科学习理念提出之前，已经有了类似的探索，如创客教育、STEAM 学习、项目式学习（简称PBL）等。为了落实全面育人的目标，聚焦核心素养，我们积极探索基于STEAM 理念的跨学科学习新样态，引导学生运用多学科的知识和方法思考解决现实问题，培养学生融会贯通、实践创新能力。

二、研究理念

STEAM 从字面上看，代表科学、技术、工程、艺术和数学五个学科领域，基于跨学科和项目式学习，为学生提供真实情境的体验，帮助其理解科学、技术、工程、艺术、数学各领域的知识概念，同时把所学到的知识综合应用于生活，从而找到自己想要的答案，实现开发潜能的目的。本文以暑期返校学生发现教室的绿植干枯为背景，创设真实的情境，以解决问题为导向，让学生自己动手完成他们感兴趣并且和实际生活相关的项目，发挥想象力，找到解决问题的方案，并从中学到跨学科的知识。

三、“湿度感应自动浇灌仪”STEAM项目研究

（一）研发背景

每年寒暑假学生返校之后，都会发现教室、办公室的绿植盆栽因缺水而枯萎死亡。假如有人能给它们浇水多好呀！可是那么多教室，又是在放假期间，谁去做呢？湿度感应自动浇灌仪就能解决这个问题。这个案例制作源于学生生活，能够解决学生观察到的问题，学生兴趣浓厚。因为这是涉及科学、数学、工程等多科融合的STEAM 项目，故安排了三课时。

第一课时：头脑风暴。引导学生观察假期后教室场景，发现问题、提出问题和解决问题，引入作品制作主题。

课程内容:继电器和土壤湿度传感器的介绍以及各模块在电路中的使用。

第二课时:设计电路图，组装电路。

课程内容:根据要求设计电路图，尝试组装电路；把土壤湿度检测仪放在水中模拟实验，寻找问题，进一步改进实验。

第三课时:完善装置，美化作品。

课程内容:把湿度感应自动浇灌仪接入教室绿色盆栽、学校农场中，用管道、木板美化作品，完善制作。

（二）实施目标

科学目标：了解继电器在电路中的使用原理，学会各种电路的连接方式；了解继电器、水泵、土壤湿度传感器的原理，能将继电器应用于报警显示装置。

技术目标：实现无人自动浇灌功能，了解土壤湿度传感器技术原理，能够通过继电器控制电路。

工程（设计）目标：学会用工程思维分析整个项目的可行性，能够准确设计电路图，并按照电路图连接实物图，实现无人自动浇灌。

艺术目标：能对整个装置作品进行艺术设计，为了使作品更具有艺术美感，可以使用其他材料进行装饰或者彩绘笔上色。

数学目标：能科学计算水管的长度、导线的长短、储水容器的高度和容量，精准定位各个模块的位置。

（三）实施条件

设施设备：土壤湿度传感器、继电器、水泵、电源、学生平板等。

材料：导线、饮料瓶、绿植盆栽、热熔胶、热熔枪、螺丝刀、剪刀、塑料管、一次性杯子、电胶带等。

（四）实施过程

1.问题导向

当一个集体围绕一个特定的兴趣领域产生新观点的时候，这种情境就叫头脑风暴。“头脑风暴”是一种创造性思维的方法，需要以小组的形式展开，通过小组人员积极思考、畅所欲言来体现。由于团队讨论采用没有拘束的规则，学生能够更自由地思考，进入思想的新区域，从而产生很多新观点和解决方法。⑴观察情境，以提问的方式引发学生思考；⑵头脑风暴，引入本节课需要探讨的问题；⑶小组内讨论，查阅资料；⑷学生发言，如何在假期做到绿植盆栽的无人自动浇灌。

小结：接下来我们需要完成以下几项任务的研究。第一项：如何判断绿植盆栽需要浇灌水；第二项：如何实现无人自动浇灌绿植盆栽；第三项：如何提供供水装置。

2.方案设计

湿度感应自动浇灌仪，就是要解决判断土壤湿度、感应自动浇灌、供水储水等基础问题。首先，利用土壤湿度检测仪检测土壤湿度，当湿度不够时，比较模块输出高电平，继电器吸合，供水设备电路导通，水泵开始工作自动浇水。随着土壤中含水量的增加，插入土中的湿度检测器二脚间电阻会越来越小，当湿度达到设定的阈值时，比较模块输出低电平，继电器断开，供水设备的电路断路，水泵得不到电而停止供水。

如此反复，土中水分蒸发到一定程度时，比较模块输出高电平，供水设备电路通路，水泵供水，土壤中水达到设定的阈值时，低电平继电器不吸合，供水设备电路断开。如此反复，湿度会保持在一定程度。

3.实践活动

（1）引导学生学习继电器

电磁继电器由电磁铁、衔铁、弹簧、触点组成。触点一般有常开触点和常闭触点，两者往往有一个公共端。线圈在没有带电情况下，常闭触点和公共端是连接的，常开触点和公共端是开路的，灯不亮；线圈带电以后，常开触点和公共端是连接的，常闭触点和公共端是开路的，灯亮了。这样通过控制线圈的电压（电流），就可以控制触点串联的电路工作。继电器的种类很多，根据输入量可以分为：电流、电压、频率、温度、速度、光、压力等。本次我们的装置采用的继电器输入量就是土壤湿度。

（2）实验—：测试继电器

谈话：通过以上电路分析，我们了解了继电器的使用原理，下面我们在组内测试继电器。小组测试。提示：将继电器模块VCC 连接到5V，GND 连接到负极，IN 接VCC 则继电器跳动，IN悬空则继电器恢复，如此反复可以听到继电器“卡卡”声。通过测试，大家知道继电器是怎么工作的了吗？

（3）实验二：测试土壤湿度传感器

学生观察传感器，小组讨论。小组发言：土壤湿度传感器由湿度检测仪和比较模块组成。传感器两极采用加宽的感应铜箔，表面镀镍，可以更好地防止生锈，提升导电性，延长使用寿命。比较模块中的电位计可以调节土壤湿度的阈值大小，顺时针、逆时针旋转就可以调节控制湿度阈值的大小。小组测试。提示：用两条导线连接叉子探头和变送器模块。变送器模块VCC 接5V，变送器GND 接负极。上电后，电源灯常亮，绿色指示灯微弱闪烁一次。

（4）实验三：测试水泵

在测试过程中，供水设备的电源应该如何选择？是用单独电源还是和传感器共用电源？两者各有优点：单独电源连接简单，但是不够节能；共用电源节约资源，但是连接复杂。另外，测试水泵一定要在水中工作。小组测试。提示：水泵红线接5V，黑线接负极，水泵工作。测试1 秒即可，水泵不可长时间暴露在空气中工作，在水中完成测试也可以。

（5）设计电路图，连接电路

谈话：经过各个模块的测试学习，我们对各个模块有了一定的了解。那电路连接起来是不是就能实现无人自动浇灌呢？根据电路要求，学生分组设计电路图。小组讨论交流并修改。连接实物图，测试电路，发现问题并改进实验。

（6）完善装置，美化作品

经过电路测试，我们已经初步实现湿度感应浇灌，是不是很激动？现在我们把装置接入绿植盆栽中，完成我们的作品。再次实验，进一步完善作品。实验发现：通过调节电位器，还可调节土壤在何种湿度时才要补水，也可结合插入土探头的深浅来调节。发现不足：水管直径大，水流过大可能会溢出，部分土壤流失。在实验过程中，会遇到各种各样的问题，美好的事物总是可以让人赏心悦目，我们的实验装置在外观上是否可以更美观一些呢？有的学生认为，可以利用废旧材料进行装饰，废物利用；有的学生认为，可以借助3D 打印设备进行升级改造，但因为条件有限，这只能是“心有余而力不足”；还有学生认为，可用更好的材质，如亚克力板，进行改进。

4.作品分享与评价

（1）作品分享

各个小组都完成自己的作品，在班内，我们以小组或个人为单位，分别展示并分享自己的作品。以小组为单位，在校园内开展精彩“微课堂”。学校在公众号、校报、板报展示。

（2）项目综合评价

教师对整个项目进行总结评价，小组内和学生之间进行相互评价，并填写项目评价量表。

姓名： 评价人：★等级设计方案缺少文字或图画设计★★★合理地设计文字和图画说明，对设计结构的表述条理清晰；实验步骤、观察记录表述清楚材料利用材料使用充分，并且使用合理分工合作材料使用不充分，只用了少部分材料分工不明确，成员不清楚自己的角色有明确的分工且能贯彻实施，每个成员都安排了相应的任务，并且每个人都明确自己的任务改进方案方案未改进，缺乏指导性改进后的方案较细致，有设计图，有说明说明展示小组对设计和实验过程的描述缺乏逻辑，不能说明结果或无结果★★设计了文字和图画说明，但是说明缺少条理；实验步骤表述较清楚材料使用较充分，个别材料使用错误有基本的分工，但是分工不系统，或执行分工不彻底，或出现没有承担任务的成员方案有改进，但不明显，不够细致小组对设计和实验过程进行部分展示，展示较具体，但是部分显得混乱和无意义展示条理清晰明确，有效地体现了实验的目的，效果显著

四、案例分析与总结

湿度感应自动浇灌仪虽然已经完成，但还存在不少问题，比如湿度传感器的灵敏度、支架的稳定性、材料的局限性以及外形美观等方面还需改进。我们需要不断地完善装置，优化作品。

我们的项目还可以增加其他功能，可以用太阳能电池板代替电池供电，可以增加天气显示模块，更能与科技结合，体现智能生活的创造。

学生在本案例中不仅掌握了知识和技能，还能灵活运用所学知识解决生活中的实际问题。跨学科主题学习正式进入课程，意味着中国基础教育中人才培养方式将发生变革。