基于STEM教育理念的核心概念課程開發(fā)舉隅

蔡呈騰

摘? ? 要：在當(dāng)前初中科學(xué)課程內(nèi)容、資源等條件下，開發(fā)基于STEM教育理念的核心概念教學(xué)課程，是提高學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的重要途徑。結(jié)合STEM教育理論對(duì)浮力、密度、杠桿等科學(xué)核心概念的教學(xué)，從課程目標(biāo)、內(nèi)容、實(shí)施和評(píng)價(jià)四個(gè)角度闡述課程開發(fā)過(guò)程。課程立足于科學(xué)概念與工程、技術(shù)以及數(shù)學(xué)的有機(jī)結(jié)合，通過(guò)創(chuàng)造性的選擇材料和應(yīng)用科學(xué)原理，經(jīng)過(guò)工程設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)運(yùn)算，最后動(dòng)手實(shí)踐，制成彩球溫度計(jì)、浮力秤、密度秤、密度筒和密度天平。

關(guān)鍵詞：STEM;核心概念;課程開發(fā)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)教育界大力推廣STEM教育理念和實(shí)踐，STEM教育研究和實(shí)踐非?；馃帷５诨馃岬谋趁?，也存在著不同意見與紛爭(zhēng)。結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)STEM教育研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，主要的爭(zhēng)論圍繞著四個(gè)方面：一是STEM教育自身的相關(guān)理論;二是STEM教育研究方法運(yùn)用;三是STEM教育發(fā)展變革方向;四是STEM教育課程教學(xué)研究。對(duì)于中小學(xué)教師來(lái)說(shuō)，我們更多地是關(guān)注STEM教育課程教學(xué)研究的路向。

在還不太可能大規(guī)模、大范圍地對(duì)現(xiàn)有課程進(jìn)行改革的情況下，要徹底實(shí)踐全科式的STEM教育理念，就需要對(duì)當(dāng)前的教學(xué)進(jìn)行跨領(lǐng)域的整合性。這里的“整合”不光是STEM包含的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)領(lǐng)域的整合，也包含解決問(wèn)題的方法與教師資源的整合。也就是學(xué)生在解決問(wèn)題時(shí)可以融合各領(lǐng)域的特點(diǎn)，創(chuàng)造出獨(dú)特的解決方案。[1]對(duì)初中科學(xué)學(xué)科來(lái)說(shuō)，最好的整合方式是科學(xué)核心概念的教學(xué)與STEM教育理念整合的模式。這種模式通過(guò)共同的科學(xué)核心概念整合STEM各學(xué)科，按照技術(shù)與工程課程標(biāo)準(zhǔn)，聚焦核心概念，融合真實(shí)情境，整合科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。[2]

初中科學(xué)課程內(nèi)容中，一些科學(xué)核心概念可以與工程、技術(shù)和數(shù)學(xué)結(jié)合，成為STEM教育的“新課程”，如利用浮力、密度、杠桿等科學(xué)核心概念，通過(guò)一定的設(shè)計(jì)、加工與制作，形成一種可以測(cè)量質(zhì)量、重力、密度、溫度等的工具。學(xué)生通過(guò)整體項(xiàng)目的開發(fā)、設(shè)計(jì)、制作、使用、評(píng)價(jià)等，提高科學(xué)核心素養(yǎng)。

結(jié)合著名的“泰勒原理”[3]，科學(xué)核心概念與STEM教育理念整合的課程開發(fā)按照課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程實(shí)施和課程評(píng)價(jià)四個(gè)方面進(jìn)行闡述。

一、STEM教育理念的核心概念課程目標(biāo)

STEM教育理念的核心概念課程的最突出特征是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（project based learning）。它是通過(guò)一個(gè)項(xiàng)目，讓學(xué)生主動(dòng)地去探索現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，在這個(gè)過(guò)程中領(lǐng)會(huì)到更深刻的知識(shí)和技能。如本文闡述的“制作溫度計(jì)”“制作浮力秤”“制作密度秤”“制作密度筒”“制作密度天平”等項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程，情境真實(shí)，能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，需要學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作和領(lǐng)導(dǎo)力，以及動(dòng)手能力、計(jì)劃和執(zhí)行項(xiàng)目的能力。這些能力正符合《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》所闡述的“學(xué)生應(yīng)具備的，能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力”[4]。當(dāng)然，在培養(yǎng)、鍛煉這些能力時(shí)，完成項(xiàng)目過(guò)程中就蘊(yùn)含著學(xué)習(xí)科學(xué)核心概念，如阿基米德原理、物體沉浮條件、杠桿原理和密度公式等。

二、STEM教育理念的核心概念課程內(nèi)容

課程內(nèi)容選擇能把相關(guān)科學(xué)核心概念和數(shù)學(xué)融合到技術(shù)、工程當(dāng)中來(lái)，而技術(shù)與工程的制作與材料選擇等，都是基于學(xué)生學(xué)力水平和認(rèn)知能力，適合在課內(nèi)完成的（或者需要課外的補(bǔ)充）“項(xiàng)目”。

1.認(rèn)識(shí)彩球溫度計(jì)

核心概念：浮力知識(shí)。

課程材料：彩球溫度計(jì)。

課程內(nèi)容：探究彩球溫度計(jì)的工作原理，并利用此工作原理設(shè)計(jì)一個(gè)單球溫度計(jì)。

2.浮力秤的制作

核心概念：浮力的知識(shí)。

課程材料：去底柱體空飲料瓶，圓柱形筒（水槽）、50克鉤碼2個(gè)、金屬墊片、有刻度的紙條、刻度尺等。

課程內(nèi)容：利用浮力知識(shí)，以去底柱體飲料瓶制作一個(gè)浮力秤，在飲料瓶體上標(biāo)上相應(yīng)的質(zhì)量刻度，并用它稱量物體質(zhì)量。

3.密度秤的制作

核心概念：浮力、密度的知識(shí)。

課程材料：水、煤油、密度為1.2克/厘米3的食鹽水溶液、彈簧測(cè)力計(jì)、刻度尺、筆、紙、金屬塊等。

課程內(nèi)容：將普通的彈簧測(cè)力計(jì)改裝為可以直接用來(lái)測(cè)液體密度的密度秤，將彈簧測(cè)力計(jì)上的刻度改為密度的刻度。

4.密度筒的制作

核心概念：浮力、密度的知識(shí)。

課程材料：小型透明柱體塑料筒、水槽、鉤碼（或砂子）等。

課程內(nèi)容：根據(jù)塑料筒漂浮于水面時(shí)浮力等于重力的知識(shí)，構(gòu)建“塑料筒中一定體積的不同密度液體質(zhì)量”與“塑料筒漂浮于水面時(shí)浸入水中的深度”之間的關(guān)系。

5.密度天平的制作

核心概念：杠桿平衡原理、密度公式等。

課程材料：杠桿、鐵架臺(tái)、小筒、鉤碼等。

課程內(nèi)容：根據(jù)杠桿平衡原理，構(gòu)建“小筒中一定體積的不同液體的質(zhì)量”與“配重產(chǎn)生的拉力的力臂”之間的關(guān)系。

三、STEM教育理念的核心概念課程實(shí)施

STEM教育理念的核心概念課程實(shí)施主要圍繞三個(gè)層次展開：一是項(xiàng)目原理的學(xué)習(xí)，二是項(xiàng)目的制作，三是項(xiàng)目的使用。STEM教育理念融合核心概念教學(xué)的程度不同，三個(gè)層次在實(shí)施過(guò)程中的側(cè)重點(diǎn)也不盡相同。

1.認(rèn)識(shí)彩球溫度計(jì)

（1）觀察如圖1所示的彩球溫度計(jì)，討論它的工作原理。

①展示一個(gè)彩球溫度計(jì)，觀察不同彩球沉浮情況。打開旁邊的電熱器，如圖2所示，再觀察現(xiàn)象，并討論發(fā)生現(xiàn)象的原因。

②如圖3所示，分析10個(gè)體積相同的彩球在同種液體同一溫度下，有些是上浮，有些是下沉的原因。

③判斷彩球溫度計(jì)里各個(gè)彩球平均密度與液體密度的關(guān)系。

說(shuō)明：可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)管中10個(gè)彩球逐一進(jìn)行受力分析。即先分析管中發(fā)生沉浮變化的小球的受力情況，找到由于氣溫變化引起的變化量（ρ液）和不變的量（V排、G球），從而進(jìn)行原理推導(dǎo)，可以降低彩球溫度計(jì)工作原理的推測(cè)難度。

（2）利用彩球溫度計(jì)進(jìn)行讀數(shù)。

①如圖4所示，管中共有10個(gè)彩球，如何讀數(shù)？圖5中的氣溫為多少？

②10個(gè)彩球分別都標(biāo)示出不同的溫度，它們標(biāo)示的示數(shù)有何特征？

③如圖6所示，并沒(méi)有小球處于懸浮狀態(tài)，則氣溫是多少？

說(shuō)明：對(duì)圖6的讀數(shù)，學(xué)生判斷為22℃或24℃居多，這時(shí)就組織學(xué)生討論，說(shuō)明讀數(shù)不是22℃或24℃的原因：這兩個(gè)小球并非一定處于懸浮狀態(tài)。

（3）比較彩球溫度計(jì)與普通氣溫計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

引導(dǎo)學(xué)生從量程、精確度、攜帶操作方便度等角度進(jìn)行比較。其后再提問(wèn)提高彩球溫度計(jì)精確度、擴(kuò)大量程的方法。

（4）如果只給一個(gè)小球和其他附屬物，如何設(shè)計(jì)一支溫度計(jì)？

如果從“原創(chuàng)”的角度來(lái)看，這個(gè)設(shè)計(jì)的思維含量高，相當(dāng)于產(chǎn)品的開發(fā)與創(chuàng)造，需要作如圖7的引導(dǎo)。

要使小球的重量發(fā)生變化，就需要在小球上加入附屬物，使小球上的附屬物發(fā)生變化。所以，希望設(shè)計(jì)出來(lái)的模型如圖8所示。

當(dāng)外界溫度升高時(shí)，液體密度減小，輕質(zhì)小球受到的浮力變小，則小球會(huì)下沉，小球下面的金屬鏈條拉直部分變短，相當(dāng)于總重量就小，小球又重新處于平衡狀態(tài)，此時(shí)指針?biāo)傅目潭染褪且后w的密度。

2.浮力秤的制作

（1）播放《曹沖稱象》動(dòng)畫視頻，問(wèn)：如果你是曹沖，如何向大臣們解釋石頭的質(zhì)量等于大象的質(zhì)量？

（2）討論浮力秤的結(jié)構(gòu)與組成。提供器材如圖9所示：去底柱體空飲料瓶，圓柱形筒（水槽），50克鉤碼2個(gè)，金屬墊片，有刻度的紙條，刻度尺等。

①飲料瓶在水中不能豎直在水面上怎么辦？

②零刻度怎樣確定？

③最小刻度值（分度值）和最大刻度（量程）怎么標(biāo)？

（3）給浮力秤加上刻度。

①在塑料瓶上標(biāo)出50克的刻度位置。

②推測(cè)100克刻度位置，你推測(cè)的依據(jù)是什么？

說(shuō)明：在0到50克向上等距處標(biāo)上100克，如圖10所示。

理論推導(dǎo)如下：

m0g=F浮0=ρ液gV排0…①

式①中m0代表去底柱體飲料瓶加配重的質(zhì)量;V排0為漂浮于水面排開水的體積。

m0g+mg=F浮=ρ液gV排=ρ液g（V排0+Sh）…②

式②中m為被測(cè)物體的質(zhì)量;S為去底柱體飲料瓶瓶身的橫截面積;h為被測(cè)物體放入后瓶身浸入水中的深度，即稱量時(shí)0刻度到液面的距離。

將式②減去式①，則有：

mg=ρ液gSh，即m=ρ液Sh…③

由此可知，待測(cè)物體的質(zhì)量m與h成正比，所以刻度是均勻的。

③通過(guò)操作，檢測(cè)各小組所標(biāo)示的100克刻度是否準(zhǔn)確。

（4）討論如何使測(cè)量?jī)x器更精確？

說(shuō)明：發(fā)給學(xué)生的去底柱體飲料瓶，橫截面積各不相同。在展示各小組的刻度時(shí)，讓學(xué)生評(píng)價(jià)各刻度特征，并進(jìn)行比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)刻度的疏密程度不同。

（5）若將水改為酒精，會(huì)帶來(lái)哪些影響？

說(shuō)明：將水改為酒精，會(huì)減少量程，故可設(shè)問(wèn)增大量程的方法。

（6）為自制的浮力秤寫一份產(chǎn)品說(shuō)明書。此任務(wù)可作為家庭作業(yè)。

3.密度秤的制作

（1）實(shí)驗(yàn)引入：在彈簧測(cè)力計(jì)下掛一個(gè)體積為100厘米3的鋁塊，將鋁塊分別浸沒(méi)在水、煤油、鹽水中，如圖11所示，觀察現(xiàn)象，尋找規(guī)律。

（2）如果將彈簧測(cè)力計(jì)改裝為密度秤，如何確定0刻度？

（3）在彈簧測(cè)力計(jì)上標(biāo)上密度為0.8克/厘米3和1.0克/厘米3，并推測(cè)1.2克/厘米3的刻度位置。你的依據(jù)是什么？

說(shuō)明：當(dāng)學(xué)生完成這兩項(xiàng)任務(wù)后，對(duì)學(xué)生的“作品”進(jìn)行比較，分析它們的異同點(diǎn)。

可給每小組提供的金屬塊的質(zhì)量或密度等不同，這樣，在組織學(xué)生討論提高密度秤精確度時(shí)，給學(xué)生創(chuàng)造發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的機(jī)會(huì)。

推測(cè)1.2克/厘米3刻度位置的原理推導(dǎo)：

F拉=G-F浮=G-ρ液gV排得：ρ液=[GgV排]-[1gV排]F排

上式中，G為金屬塊的重量，是常量;V排是金屬塊浸沒(méi)在液體中的體積，也是常量;所以上式是ρ液關(guān)于F拉的一次函數(shù)，圖像是一條直線，如圖12所示。

此推測(cè)對(duì)密度秤原理進(jìn)行梳理與應(yīng)用，分析刻度是否均勻?？蓮睦碚撆c實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度去推導(dǎo)與驗(yàn)證。

（4）討論如何提高密度秤的精確度和量程？

說(shuō)明：密度秤的精確度與彈簧測(cè)力計(jì)自身的精確度有關(guān)，此外選擇密度大的金屬塊也可以提高精確度;提高金屬塊的重量可以增大量程。

4.密度筒的制作

（1）現(xiàn)有一杯未知密度的液體，給你一根筷子和若干鐵絲，比較它們的密度大小。

說(shuō)明：根據(jù)密度計(jì)原理，用如圖13的方法判斷，其中甲的密度小于乙。

（2）現(xiàn)給你小筒、水、配重（砂子），如何制作一個(gè)密度秤？要求待測(cè)液體放在小筒內(nèi)。

①這個(gè)密度筒的原理是什么？

②0刻度如何標(biāo)示？

③0.8克/厘米3和1克/厘米3的刻度如何刻？

（3）若倒入小筒的待測(cè)液體的體積改變了，刻度還一樣嗎？?jī)烧哂泻螀^(qū)別？通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較。

（4）該浮力密度計(jì)的刻度是均勻的嗎？為什么？

說(shuō)明：m0g=F浮0=ρ水gV排0…①

式①中m0代表小筒加配重的質(zhì)量;V排0為漂浮于水面排開水的體積。

m0g+mg=F浮=ρ水gV排=ρ水g（V排0+Sh）

…②

式②中m為待測(cè)液體的質(zhì)量;S為小筒的橫截面積（柱體）;h為被測(cè)液體倒入后小筒浸入水中增加的深度，即0刻度到液面的距離。

將式②減去式①，則有：

mg=ρ水gSh，即m=ρ水Sh…………③

ρ液V0=ρ水Sh………………………④

式④中，V0為倒入小筒的液體體積，是一個(gè)定值。所以有：

ρ液=[ρ水SV0]h

由上式可知，待測(cè)液體的密度ρ液與h成正比，所以刻度是均勻的。

（5）請(qǐng)列表比較此密度筒與現(xiàn)實(shí)生活中的密度計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。

5.密度天平的制作

（1）利用一根杠桿、小筒（內(nèi)可裝體積為V0的液體），配重（已知重量為mg）、鐵架臺(tái)，請(qǐng)利用此材料，設(shè)計(jì)一個(gè)密度天平。

①密度天平的原理？

②如何標(biāo)上0刻度？

③請(qǐng)?jiān)趫D15的杠桿上標(biāo)上0.8克/厘米3和1克/厘米3的刻度，推測(cè)1.2克/厘米3的刻度，并用已配好的1.2克/厘米3的食鹽水驗(yàn)證。

（2）請(qǐng)從理論上推導(dǎo)其刻度是否均勻？

m0g·OA=mg·L0…①

（m0+ρ液V0）g·OA=mg·（L0+L）…②

②式減去①式后整理得：

ρ液=[mV0·OAL]…③

由③式可知，液體的密度與長(zhǎng)度L成正比，所以杠桿上的刻度是均勻的。

（3）如何改變密度天平的量程、精確度？

說(shuō)明：從式③可知，改變配重m、小筒內(nèi)液體體積V0以及OA和杠桿的長(zhǎng)度等，都會(huì)改變精確度和量程。

（4）評(píng)價(jià)密度天平。

說(shuō)明：密度天平的最大特征是多量程和精確度，可按照不同要求進(jìn)行調(diào)整。

四、STEM教育理念的核心概念課程評(píng)價(jià)

在STEM教育理念的核心概念課程中，除了重視核心概念本身在課堂中的地位之外，還需要合理安排工程、技術(shù)和數(shù)學(xué)在課堂上的含量與比例，充分考慮學(xué)生對(duì)工程技術(shù)和數(shù)學(xué)的接受程度?！冻踔锌茖W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出：學(xué)生應(yīng)通過(guò)具體的案例和活動(dòng)來(lái)發(fā)展初步的技術(shù)設(shè)計(jì)能力，這種能力就包括“能初步按技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)制作簡(jiǎn)單的作品或提出設(shè)計(jì)方案”等[5]。

對(duì)五個(gè)案例進(jìn)行對(duì)比分析，除核心概念在STEM項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中相似外，還有諸多不同點(diǎn)，比較如表1。

在具體教學(xué)過(guò)程中，需要制造一些被學(xué)生容易發(fā)現(xiàn)的“問(wèn)題”，從而引發(fā)學(xué)生思考并解決問(wèn)題。以浮力秤為例，為引發(fā)學(xué)生思考“影響精確度的因素”，發(fā)給各小組的去底飲料瓶的橫截面積不相同，當(dāng)各小組完成刻度任務(wù)之后，對(duì)它們的“作品”進(jìn)行對(duì)比分析，從比較中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

基于STEM教育理念的核心概念教學(xué)，目的不是制作一個(gè)質(zhì)量精良的產(chǎn)品，而是通過(guò)制作產(chǎn)品這個(gè)大項(xiàng)目過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并通過(guò)體驗(yàn)的方式解決問(wèn)題。

受到原有課程安排的影響，課堂上已經(jīng)“省略”了諸多給學(xué)生提供創(chuàng)造性體驗(yàn)的機(jī)會(huì)。如以制作浮力秤為例，在課前就需要花大量的時(shí)間嘗試去選擇合適的材料，這其中包括去底柱體飲料瓶的選擇和制作、配重的調(diào)適、刻度的標(biāo)示等。從核心概念教學(xué)角度來(lái)看，這些程序好像并不重要，不需要在課堂上“浪費(fèi)”時(shí)間，但從提高學(xué)生科學(xué)和工程實(shí)踐能力的角度，這個(gè)不斷嘗試、選擇、取舍的過(guò)程，就是最好的實(shí)踐教育過(guò)程。[□][◢]

參考文獻(xiàn)：

[1]宋怡，馬宏佳，祁宇.STEM 教育愿景中的課程、教學(xué)與評(píng)價(jià)[J].現(xiàn)代教育科學(xué)，2017（11）：128.

[2]管光海.基于標(biāo)準(zhǔn)聚焦核心概念的STEM整合教育模式[J].開放教育研究，2017（12）：87-93.

[3][美]泰勒.課程與教學(xué)的基本原理[M].羅康，張閱，譯.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2008：1-3.

[4]林崇德.中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究報(bào)告[DB/OL].https：//m.wang1314.com/doc/webapp/topic/18798625.html.

[5]中華人民共和國(guó)教育部.初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011：59-64.