基于STEM理念引導(dǎo)學(xué)生制作秒擺

王東

基于STEM教育理念及以工程設(shè)計(jì)整合跨學(xué)科學(xué)習(xí)的思想，我們對蘇教版四年級《擺》一課的內(nèi)容進(jìn)行拓展、改造，自編了《制作秒擺》一課。本課的基礎(chǔ)任務(wù)是探究擺的等時(shí)性，其挑戰(zhàn)性任務(wù)是嘗試制作一個(gè)秒擺。

問題與聚焦——明確制作秒擺任務(wù)

課的開始教師向?qū)W生介紹道，從古老的擺鐘到小巧的手表，盡管式樣繁多，卻都有個(gè)擺。在人類計(jì)量史和物理學(xué)史中，擺的發(fā)明是個(gè)重大的歷史事件。

在學(xué)生充分交流對擺的了解與問題后，教師引導(dǎo)他們觀察教室里的座鐘，發(fā)現(xiàn)：座鐘的鐘擺每分鐘都擺動(dòng)30次，并且在相同時(shí)間里擺動(dòng)次數(shù)是相等的，揭示出秒擺的概念——每2秒鐘擺動(dòng)1次的擺。

在了解了秒擺的概念和特點(diǎn)后，教師調(diào)動(dòng)學(xué)生探究熱情，明確本課的主要任務(wù)：制作一個(gè)秒擺。

調(diào)查與研究——探究擺的等時(shí)性

為什么要設(shè)計(jì)“探究擺的等時(shí)性”的探究活動(dòng)？引導(dǎo)學(xué)生探究發(fā)現(xiàn)擺的等時(shí)性，相機(jī)滲透科學(xué)史教育，就是讓學(xué)生重復(fù)科學(xué)家的探究過程，讓他們意識到科學(xué)研究需要堅(jiān)持不懈、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，從而體驗(yàn)科學(xué)技術(shù)改變了人類生活。

科學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦學(xué)科學(xué)。STEM學(xué)習(xí)重視科學(xué)思維的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)在掌握相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行思考或設(shè)計(jì)，之后再動(dòng)手實(shí)踐，最后檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性和合理性。

首先，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察同一個(gè)擺1分鐘的擺動(dòng)次數(shù)，經(jīng)過3次觀察和測量活動(dòng)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)同一個(gè)擺每分鐘擺動(dòng)的次數(shù)是相同的。

然后，觀察同一個(gè)擺在不同時(shí)段的擺動(dòng)次數(shù)。學(xué)生發(fā)現(xiàn)同一個(gè)擺在連續(xù)擺動(dòng)時(shí)，擺動(dòng)幅度會(huì)越來越小，速度會(huì)越來越慢，產(chǎn)生“前一段與后一段的相同時(shí)間內(nèi)，擺動(dòng)次數(shù)會(huì)不會(huì)改變”的疑問，從而激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探究的熱情。學(xué)生經(jīng)過分組實(shí)驗(yàn)后得出結(jié)論：同一個(gè)擺在連續(xù)擺動(dòng)過程中，每擺動(dòng)一次的時(shí)間都是相等的，即單擺的等時(shí)性規(guī)律。

在上述觀察和測量活動(dòng)中，要做到準(zhǔn)確計(jì)量并得到有效的數(shù)據(jù)，涉及很多因素，如學(xué)生的操作能力、觀測能力、合作能力、器材裝置的改進(jìn)等，體現(xiàn)了技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中的重要性。

設(shè)計(jì)與制作——嘗試制作一個(gè)秒擺

科學(xué)課要使學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)地看問題和想問題，意識到對事物不僅要有質(zhì)上的認(rèn)識，更要從量上分析得出結(jié)論。教師要善于運(yùn)用數(shù)學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生采集數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、分析整理數(shù)據(jù)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)規(guī)律。讓學(xué)生在動(dòng)手制作之前進(jìn)行整體性的思考和設(shè)計(jì)，是工程思維的具體體現(xiàn)之一。

1.探究擺的快慢規(guī)律，掌握設(shè)計(jì)的方法

各組用于研究等時(shí)性的擺的擺長確定并測量后，將不同擺長的擺掛到黑板上，記下各組的擺長和1分鐘擺動(dòng)的次數(shù)，觀察這些不同的擺，學(xué)生發(fā)現(xiàn)擺的快慢與擺長有關(guān)，擺長越長，擺得就越慢，反之?dāng)[得越快。擺長和擺動(dòng)次數(shù)之間有沒有一定的規(guī)律呢？教師引導(dǎo)各組對數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察和分析（如表1）。

對四年級學(xué)生來說，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系具有比較大的難度，教師通過課件輔助，用直觀形象的方式，把相對應(yīng)的數(shù)據(jù)用同樣的顏色標(biāo)注出來，并且將對應(yīng)的數(shù)據(jù)生成條形圖，引導(dǎo)學(xué)生對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較觀察。學(xué)生經(jīng)過小組討論、交流后，發(fā)現(xiàn)了如果擺長是原來的4倍，1分鐘擺動(dòng)次數(shù)就減少為原來的一半——教學(xué)實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與科學(xué)學(xué)習(xí)的有機(jī)整合。

設(shè)計(jì)秒擺是對教材《擺》部分活動(dòng)的深化探究，是在學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識到“擺的快慢與擺錘輕重、擺角的大小無關(guān)，與擺線長短有關(guān)”，并具備了較好的測量擺在單位時(shí)間內(nèi)擺動(dòng)次數(shù)的技能的基礎(chǔ)上，通過測量和比較的方法，進(jìn)一步探究擺的快慢規(guī)律。如果教學(xué)還停留在教材中“反復(fù)調(diào)整擺線長短做出秒擺”的能力水平上，其意義和價(jià)值不大。綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、工程等跨學(xué)科知識解決問題，從“反復(fù)調(diào)整”變?yōu)椤案鶕?jù)發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)之間的規(guī)律”來設(shè)計(jì)擺長，不僅體現(xiàn)了科學(xué)與數(shù)學(xué)的融合學(xué)習(xí)，也符合“重視過程中數(shù)據(jù)資料的搜集與積累”的學(xué)習(xí)要求。

2.根據(jù)發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)關(guān)系，嘗試制作秒擺

要想制作1分鐘擺動(dòng)30次（即每2秒鐘擺動(dòng)1次）的秒擺，能不能從剛才發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)關(guān)系入手設(shè)計(jì)秒擺的擺長呢？

學(xué)生根據(jù)擺長和擺動(dòng)次數(shù)變化之間的數(shù)量關(guān)系，就能設(shè)計(jì)出用“1分鐘擺動(dòng)60次的擺的擺長乘4”的方案，即秒擺的擺長應(yīng)該為1米。

接下來，學(xué)生可以根據(jù)發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)關(guān)系制作秒擺。

測試與改進(jìn)——制作符合標(biāo)準(zhǔn)的秒擺

學(xué)生對制作的秒擺進(jìn)行測試，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生細(xì)致地調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置上的擺繩長短并測量、改進(jìn)和優(yōu)化，制作出符合要求的秒擺，發(fā)展了技術(shù)能力和工程迭代思維。學(xué)生通過測量驗(yàn)證、匯報(bào)交流后發(fā)現(xiàn)，秒擺的擺長為1米時(shí)，每2秒鐘擺動(dòng)1次，再來測量教室里座鐘鐘擺的擺長，發(fā)現(xiàn)其擺長也為1米。

科學(xué)研究常常會(huì)運(yùn)用到大量的數(shù)據(jù)分析，科學(xué)家善于把隱藏在一大堆看似雜亂無章的數(shù)據(jù)背后的信息提煉出來，總結(jié)出研究對象的內(nèi)在規(guī)律，從而改進(jìn)生活、造福人類?？茖W(xué)探究中的數(shù)據(jù)處理、模型建立離不開數(shù)學(xué)，在探究過程中，教師要盡可能引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)知識和數(shù)學(xué)思維。

小結(jié)與反思——激發(fā)繼續(xù)探究的興趣

科學(xué)教育開始重視STEM，我認(rèn)為至少有以下幾點(diǎn)積極的變化：

1.關(guān)注深度學(xué)習(xí)

STEM不僅是一種新的課程形態(tài)，也是一種新的學(xué)習(xí)方式，其建立在現(xiàn)代學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上，以學(xué)習(xí)者為中心，基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)，基于問題解決學(xué)習(xí)，基于綜合學(xué)習(xí)，是需要較高水平的學(xué)習(xí)策略作為支持的深度學(xué)習(xí)樣式。項(xiàng)目創(chuàng)作、課題研究是深度學(xué)習(xí)的兩種基本方式。在設(shè)計(jì)、制作秒擺的學(xué)習(xí)任務(wù)中，學(xué)生需要靈活提取科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)等各學(xué)科知識，經(jīng)歷科學(xué)探究和工程實(shí)踐的學(xué)習(xí)過程。這有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，有利于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的形成，能促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

2.關(guān)注工程設(shè)計(jì)取向

STEM教育和以往的科學(xué)教育相比，更關(guān)注學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決真實(shí)世界中的問題，通常需要制作出完整的作品或設(shè)計(jì)出方案。STEM學(xué)習(xí)通常開始于一個(gè)可測量的目標(biāo)，設(shè)計(jì)任務(wù)包含了明確、可知的規(guī)格或標(biāo)準(zhǔn)。

STEM學(xué)習(xí)是將任務(wù)置于豐富情境下并提出明確目標(biāo)，要求學(xué)生解決若干問題，通過學(xué)生完整的作品展示，來考量學(xué)生對STEM所涉及的各個(gè)學(xué)科概念的掌握情況。工程設(shè)計(jì)是STEM學(xué)習(xí)的基石，有利于發(fā)展學(xué)生的整體性思維，有利于提高學(xué)生解決問題的能力。教師進(jìn)行STEM課程設(shè)計(jì)時(shí)，要了解工程設(shè)計(jì)中“識別問題和制約因素—調(diào)查研究—形成概念—分析觀點(diǎn)—建立模型—測試和優(yōu)化—溝通和反思”的基本步驟，了解工程師們是怎樣設(shè)計(jì)解決問題的方案和控制設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的，從而讓學(xué)生了解工程設(shè)計(jì)的流程和思想。

3.關(guān)注課程開發(fā)

長期以來，一線教師只關(guān)注如何教，怎樣教好，很少去思考為什么教，普遍缺少課程開發(fā)意識。STEM教育重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，但STEM項(xiàng)目從哪里來？本課制作秒擺就是對國家課程的合理改造和設(shè)計(jì)，涉及課程資源的開發(fā)和設(shè)計(jì)問題。

基于STEM理念的小學(xué)科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)，需要教師熟悉STEM教育理念，了解項(xiàng)目學(xué)習(xí)的歷史背景、實(shí)施原則和主要途徑，熟悉問題解決學(xué)習(xí)的基本模式和主要形式等，這樣才能去拓展、改進(jìn)、完善教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計(jì)。這就要求教師樹立課程意識，關(guān)注課程開發(fā)，更多地從課程開發(fā)的視角審視科學(xué)教育、現(xiàn)有科學(xué)課程學(xué)習(xí)、學(xué)生科技活動(dòng)、學(xué)生日常生活等。