袁杰 劉佳
(廣東外語外貿(mào)大學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué) 廣東 廣州 510540)
STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)4門學(xué)科英文首字母的縮寫.STEM教育融合了4門學(xué)科的基礎(chǔ)知識和思維方法,通過跨學(xué)科融合能改變課程結(jié)構(gòu)過于強(qiáng)調(diào)學(xué)科本位的現(xiàn)狀,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī),促進(jìn)學(xué)生多元智力的發(fā)展,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與實(shí)踐動手能力.
物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科,常常從簡單的現(xiàn)象入手,通過觀察與實(shí)驗(yàn),建構(gòu)物理模型,運(yùn)用科學(xué)推理和論證,探究物體運(yùn)動的本質(zhì),總結(jié)物理規(guī)律.將STEM教育的項目學(xué)習(xí)和問題解決為導(dǎo)向的理念融入物理教學(xué)中,倡導(dǎo)問題導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動,從“做中學(xué)”“玩中創(chuàng)”,將有利于學(xué)生科學(xué)思維的形成以及探究能力的培養(yǎng).
在以STEM教育的理念開展物理教學(xué)過程,筆者發(fā)現(xiàn)在以40 min或45 min為教學(xué)單元的課堂中通常是難以達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)的.突破這樣一個難題,也成為各地研究者的共同話題.
文獻(xiàn)[1]在“滲透STEM 教育的高中物理教學(xué)設(shè)計——以‘油膜法估測油酸分子直徑’實(shí)驗(yàn)為例”中給出以STEM教育理念設(shè)計物理教學(xué)的五步思維法,即情境導(dǎo)入(創(chuàng)設(shè)情境、建立模型、引入學(xué)習(xí)任務(wù))、合作探究(滲透STEM開展實(shí)踐研究)、組間交流(分享不同觀點(diǎn)拓展研究視角)、評價總結(jié)(師生互評、總結(jié)深化認(rèn)知).文獻(xiàn)[2]認(rèn)為,創(chuàng)造型、制造性的“嵌入式”STEM教育可以按如下步驟來實(shí)施:問題與聚焦、調(diào)查與研究、設(shè)計與制作、展示與評價、完善與拓展、師生反思等.以上的觀點(diǎn),在一定程度上對于STEM教育理念實(shí)施在物理教學(xué)起到了一定的作用,但在體現(xiàn)工程性方面略顯不足.
校本課程、研究性學(xué)習(xí)是學(xué)科教學(xué)的補(bǔ)充和延伸,充分利用學(xué)校資源,利用學(xué)生的機(jī)動學(xué)習(xí)時間,實(shí)施STEM教育,是STEM教育與物理教學(xué)整合的一條途徑.即教師在課堂傳授學(xué)科知識,提出學(xué)習(xí)中遇到的問題,擬定學(xué)習(xí)目標(biāo),課后由學(xué)生通過合作學(xué)習(xí)研究解決問題,即利用課內(nèi)和課外相結(jié)合的形式實(shí)施STEM教育.在物理教學(xué)中,可以基于STEM教育的理念設(shè)計一些物理實(shí)驗(yàn),如反應(yīng)時間尺的制作、過山車模型的制作、驗(yàn)電器的制作、電容器電容的定量探究等.
STEM教育最為關(guān)鍵的是跨學(xué)科融合,在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和工程思維素養(yǎng).筆者嘗試用STEM教育理念設(shè)計物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),總結(jié)出物理小實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式.下面以傳感器的應(yīng)用為例,介紹以STEM教育理念開展高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)研究.
在學(xué)習(xí)了傳感器這一節(jié)內(nèi)容后開展了小實(shí)驗(yàn)“會報警的建筑模型”的設(shè)計與制作.目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力、科學(xué)思維及科學(xué)探究能力.通過 “傳感器的應(yīng)用”的實(shí)驗(yàn)教學(xué),總結(jié)出基于STEM教育理念的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式.模式如下.
(1)了解傳感器和報警裝置的原理.
(2)探究簡易報警裝置和建筑模型的制作方法.
(3)學(xué)習(xí)繪制平面設(shè)計圖,培養(yǎng)其工程思維.
在學(xué)習(xí)了傳感器這一節(jié)內(nèi)容后,針對學(xué)習(xí)目標(biāo)提出一些問題,并通過項目的實(shí)施來解決問題.
2.2.1 本質(zhì)問題
(1)傳感器的工作原理是什么?
(2)什么是三視圖?如何繪制比較復(fù)雜的三視圖?
(3)Arduino Nano開發(fā)板的原理和用途?
2.2.2 驅(qū)動性問題(將本質(zhì)問題轉(zhuǎn)化為適合的驅(qū)動性問題)
(1)要同時實(shí)現(xiàn)聲光報警,需要哪些傳感器和電子元件?如何連接電路?
(2)繪制三視圖有哪些注意事項?
(3)從硬件上就能實(shí)現(xiàn)聲光報警嗎?如果不能,請畫出編程邏輯流程圖和Arduino Nano開發(fā)板的線路連接圖.
(4)你能寫出建筑模型制作的工程報告嗎?
傳感器原理:在現(xiàn)代技術(shù)中,傳感器是指這樣一類元件,即它能感受到諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等物理量,并能把它們按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的另一個物理量或轉(zhuǎn)化為電路的通斷.
電機(jī)原理:通電導(dǎo)線在磁場中受到安培力而發(fā)生轉(zhuǎn)動.
建筑外殼:輕質(zhì)木板,模型木棍,5 mm雪弗板,模型貼紙,白乳膠,木鋸,砂紙,刻刀,膠槍,激光切割雕刻機(jī)等.
報警系統(tǒng):電源,Arduino nano板和擴(kuò)展槽各1塊,人體紅外傳感器1個,蜂鳴器1個,觸摸傳感器1個,RGB彩燈1個,杜邦線等.
2.5.1 模型設(shè)計
(1)模型設(shè)計需要具備的幾何知識
三視圖:三視圖是能夠反映物體長、寬、高尺寸的正投影工程圖.
比例尺:比例尺等于圖上距離與實(shí)際距離的比.
(2)模型設(shè)計的方法
數(shù)學(xué)課中學(xué)過三視圖,但是主要是針對規(guī)則的幾何圖形,對于不規(guī)則的幾何圖形的三視圖不夠熟悉,可以鼓勵學(xué)生們網(wǎng)絡(luò)自主研究繪圖方法,按照一定的比例尺畫出該建筑模型的三視圖.
2.5.2 制作建筑模型
(1)工程設(shè)計與技術(shù)方面的知識
就工程方面的知識而言,需要掌握arduino程序編寫、arduino電路板的使用(通過社團(tuán)活動來達(dá)成).就技術(shù)方面而言,需要掌握編程技術(shù)、模型搭建、線路連接.
(2)設(shè)計與制作
1)根據(jù)學(xué)過的傳感器方面的知識和信息技術(shù)的知識設(shè)計制作建筑模型.
2)智能家居建筑模型創(chuàng)新設(shè)計.
如今正是智能家居高速發(fā)展的時期,教師可以鼓勵學(xué)生在建筑模型中進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計,比如說聲控開關(guān)、報警系統(tǒng)等,這里主要涉及到傳感器的使用.
3)在教師的指導(dǎo)下,學(xué)生根據(jù)所設(shè)計的圖紙,利用激光切割機(jī)、3D打印機(jī)等制作.
根據(jù)制作中出現(xiàn)的問題作出適當(dāng)?shù)母倪M(jìn),需要融合科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)各方面的知識.測試、修改及完善研發(fā)的智能家居建筑模型,組織學(xué)生完善并測試建筑模型及配套的報警裝置,根據(jù)測試結(jié)果,組織學(xué)生進(jìn)行討論分析和總結(jié),指導(dǎo)學(xué)生完成智能家居建筑模型項目書.
(1)由小組長介紹本組的制作流程以及創(chuàng)新點(diǎn),并展示項目書.各小組之間也可以相互交流,相互學(xué)習(xí),在評比后加以改進(jìn).
(2)運(yùn)行制作好的智能家居建筑報警器實(shí)施報警.
2.8.1 教師對活動的評價
教師需要從任務(wù)發(fā)布、科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)、工程素養(yǎng)的培養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)等維度來評價整個活動,從而鑒定學(xué)生對TTP223觸摸傳感器和熱釋電紅外線傳感器原理的了解、 Arduino Nano開發(fā)板的應(yīng)用熟練程度、數(shù)學(xué)運(yùn)算能力和視圖能力、對激光切割機(jī)和3D打印機(jī)操作能力、科技制作文本的撰寫能力,以及團(tuán)隊合作意識等.
2.8.2 作品的評價
可以從比例精確(20分)、精細(xì)程度(30分)、視覺效果(20分)、創(chuàng)意設(shè)計(30分)4個方面評價作品.
本項目讓學(xué)生們了解了傳感器的原理以及建筑模型的設(shè)計方法與制作流程,學(xué)會了繪制三視圖,鍛煉繪圖能力,自己切割、制作建筑模型,鍛煉了動手能力.STEM教育的理念在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了充分的體現(xiàn),同時物理學(xué)科素養(yǎng)所倡導(dǎo)的以問題為導(dǎo)向、以學(xué)習(xí)為中心的教學(xué)理念也得以貫徹實(shí)施.
基于STEM教育理念的傳感器應(yīng)用這一項目的教學(xué)需要6節(jié)課的時間來完成,學(xué)生們在完成“能報警的荷蘭風(fēng)車”的過程中遇到了很多實(shí)際的問題,在這個過程中融合信息技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)設(shè)計等知識,通過跨學(xué)科融合解決問題.
基于STEM教育理念的傳感器應(yīng)用這一項目的教學(xué),整個教學(xué)過程將物理、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)等素養(yǎng)有機(jī)地融合,培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng),以及運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力,給予了我們很多啟示.在以STEM教育理念設(shè)計物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)時,要運(yùn)用以下策略.
基于STEM教育理念的物理實(shí)驗(yàn),以學(xué)生為中心,以項目為載體,學(xué)生在教師引導(dǎo)下,通過合作的方式進(jìn)行多樣化的設(shè)計,最后呈現(xiàn)真實(shí)的產(chǎn)品并進(jìn)行展示的一種教學(xué)模式.教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)科知識,學(xué)生自主查閱資料,自主學(xué)習(xí),自主設(shè)計,自主評價.鑒于現(xiàn)實(shí)問題的復(fù)雜性和多樣性,如前面設(shè)計的智能報警器,在物理實(shí)驗(yàn)活動中,教師應(yīng)鼓勵學(xué)生提出多種解決方案,經(jīng)歷提出方案、嘗試應(yīng)用、反思優(yōu)化的過程,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力.
基于STEM教育理念的物理實(shí)驗(yàn),不是簡單的模仿或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),而應(yīng)該是一種創(chuàng)新性設(shè)計的實(shí)驗(yàn).教師鼓勵學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計,學(xué)生提出設(shè)想,教師引導(dǎo)學(xué)生分析創(chuàng)新設(shè)計的可行性并確定實(shí)現(xiàn)設(shè)計所需的工具和器材.在創(chuàng)新設(shè)計中培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力以及科學(xué)探究的能力.
在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動中,要求學(xué)生能獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計,體現(xiàn)物理教學(xué)中對學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng).在跨學(xué)科教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中形成不同的核心素養(yǎng),在學(xué)科知識儲備過程中,形成了數(shù)學(xué)、物理以及工程技術(shù)的觀念.
STEM教育在孤立的學(xué)科中建立起一座貫通的橋梁,為學(xué)生提供了整體認(rèn)知的契機(jī).通過把各領(lǐng)域的學(xué)科知識和技能有機(jī)整合,學(xué)生能將各科的知識相互聯(lián)系成為一個整體,是一種跨學(xué)科的融合.在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動中,按照“(1)學(xué)習(xí)目標(biāo)→(2)問題提出→(3)材料及工具→(4)科學(xué)原理→(5)制作或設(shè)計→(6)設(shè)備調(diào)整或活動調(diào)整→(7)活動展示→(8)活動評價→(9)活動總結(jié)”的教學(xué)模式,以學(xué)生為主體,采用小組合作模式,明確分工,撰寫工程報告.整個教學(xué)流程,充分體現(xiàn)了以問題為趨動,以學(xué)生為主體的教學(xué)理念,有效地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識.