基于中學(xué)理科STEM項目式學(xué)習(xí)的探索與實踐

李澤欽 肖佳音 張性海

摘 要：針對STEM項目式學(xué)習(xí)在中學(xué)理科教學(xué)中的本土化探索缺乏課堂教學(xué)的實踐，以“制作智能垃圾桶”項目為例，闡述了基于中學(xué)理科STEM主題課程的開發(fā)、設(shè)計和實施，重點展示了課程的實施過程和設(shè)計意圖，運用STEM解決方案，通過學(xué)科融合達成目標(biāo)，以培養(yǎng)綜合性創(chuàng)新人才為根本目的.

關(guān)鍵詞：STEM ;項目式學(xué)習(xí);學(xué)科融合

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）17-0032-03

作者簡介：李澤欽（1990-），男，湖南郴州人，碩士，中學(xué)二級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

肖佳音（1994-），女，廣東汕頭人，本科，中學(xué)二級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

張性海（1973-），男，廣東廣州人，本科，中學(xué)正高級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

1 項目學(xué)習(xí)背景

STEM教育起源于美國，是為了應(yīng)對美國STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）人才優(yōu)勢減弱提出的教育集成戰(zhàn)略，旨在培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科解決問題能力和創(chuàng)新能力[1].項目式學(xué)習(xí)即基于項目的學(xué)習(xí)（PBL，Project-Based Learning）有別于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，它基于真實的問題情境，將教學(xué)內(nèi)容與生活經(jīng)驗有效整合，幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)和合作探究.

在2017年版（2020年修訂）的高中物理新課標(biāo)的基本理念中強調(diào)注重課程的時代性，關(guān)注科技進步和社會發(fā)展需求.2017年版小學(xué)科學(xué)新課標(biāo)中關(guān)于實施建議的部分也明確提出“學(xué)科關(guān)聯(lián)建議”倡導(dǎo)跨學(xué)科的科學(xué)學(xué)習(xí)方式，鼓勵教師嘗試將STEM項目式學(xué)習(xí)運用于自身的教學(xué)實踐.在學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)理念上，課程不限于培養(yǎng)學(xué)生單方面的能力，更加推崇學(xué)生綜合能力的塑造[2].為了培養(yǎng)國家綜合性創(chuàng)新人才，提高國際競爭力，基于中學(xué)理科STEM的項目式教學(xué)在多學(xué)科知識融合的教學(xué)“舞臺”上展現(xiàn)出其強大的生命力和獨特的魅力.

大部分有關(guān)STEM教育與項目式學(xué)習(xí)從理論方向研究的多，實踐方向研究的少.STEM項目式學(xué)習(xí)在中學(xué)理科跨學(xué)科教學(xué)中的本土化探索方面更缺乏課堂教學(xué)的實踐.本文結(jié)合中學(xué)實際情況，以較為熱點的“垃圾分類”話題為依托，以“制作智能垃圾桶”項目為例，制定基于中學(xué)理科STEM項目式學(xué)習(xí)的策略和方案，利用中學(xué)開設(shè)的社團活動課，力爭把中學(xué)理科STEM項目式學(xué)習(xí)的內(nèi)容落到實處.

2 項目課程開發(fā)緣由

目前，廣州市在各社區(qū)、各學(xué)校以及部分家庭都設(shè)立了垃圾分類投放點.垃圾分類已成為新時尚，但四個獨立的分類垃圾桶的制作材料多，在家庭和班級中占據(jù)的空間也大.學(xué)生通過在生活中的觀察思考，提出可否制作一款同時存放四種垃圾的一個垃圾桶？因此，為了更好地完善垃圾桶設(shè)計，同時培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力，本課程主題選定以“制作智能垃圾桶”項目來進行實踐和探索.

3 學(xué)習(xí)者分析

本文的學(xué)習(xí)者選為高二學(xué)生，通過前期的問卷調(diào)查，大部分學(xué)生對當(dāng)下比較熱門的話題即智能垃圾桶這個項目具備濃厚興趣.并且高二的學(xué)生動手能力較強，樂于合作.于是提前為這部分學(xué)生開設(shè)了為期一個學(xué)期的有關(guān)數(shù)字電路內(nèi)容的社團活動課，使得參與課程學(xué)習(xí)的學(xué)生具備了數(shù)字輸入、互動編程、電路及自動控制等最基本的電路知識.同時高二學(xué)生對中學(xué)理科知識如物理、化學(xué)、生物和數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)也比較深入.

4 項目式學(xué)習(xí)設(shè)計思路

以制作智能垃圾桶的項目式學(xué)習(xí)展開，以小組合作學(xué)習(xí)的方式，通過基于工程的學(xué)習(xí)，運用數(shù)學(xué)、科學(xué)的知識科學(xué)探究，設(shè)計解決方案，親自制作電路圖，焊接電路板，動腦動手，通過技術(shù)達成目標(biāo).在科學(xué)知識層面上，主要以物理中的電路知識為依托，涉及有關(guān)環(huán)保、垃圾種類分類、化學(xué)、生物等知識.在技術(shù)層面上，主要是以電路板的設(shè)計技術(shù)以及垃圾桶的外觀制作為核心;在工程層面上，在傳統(tǒng)垃圾桶樣式的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生初步設(shè)計了幾個工程問題，再要求學(xué)生通過討論分析最終確定方案;在數(shù)學(xué)層面上，本主題課程將數(shù)學(xué)作為有效的測算工具，主要涉及垃圾桶制作的尺寸、配重、形狀等的計算.以上問題的解決都體現(xiàn)了基于項目式學(xué)習(xí)的STEM理念.

5 項目實施

5.1 制作“智能垃圾桶”項目活動具體的教學(xué)目標(biāo)

5.2 項目實施的具體過程

5.2.1 第一階段：智能垃圾桶模型結(jié)構(gòu)的確立

解決問題：如何制作一款能同時存放4種垃圾的一個垃圾桶的模型結(jié)構(gòu)？

學(xué)生活動1：學(xué)生分為幾個小組，通過歷時1周進行查找相關(guān)文獻、書籍等參考資料，學(xué)生再通過小組內(nèi)部討論，各小組設(shè)計出初步方案.部分草圖方案如圖1所示.

教師活動1：將各個小組的方案進行比較分析，引導(dǎo)組內(nèi)派學(xué)生代表進行該小組方案的展示和講解，再引導(dǎo)學(xué)生們通過討論和分析，最終通過學(xué)生的投票選出最優(yōu)的方案.

學(xué)生活動2：再經(jīng)過1周的時間，對選定的草圖各小組再次進行優(yōu)化完善.

教師活動2：討論分析后，在教師的總結(jié)和指導(dǎo)下，確定改進后的最優(yōu)方案如圖2所示.

設(shè)計意圖： 通過讓學(xué)生查閱資料，教師指導(dǎo)學(xué)生對查閱的資料進行篩選、甄別、整理和分類，培養(yǎng)學(xué)生的信息檢索能力，讓學(xué)生體會要解決一個項目需要經(jīng)歷的一般流程，特別是如何合理地分解項目，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會提出問題，搭好項目的“腳手架”.在學(xué)生設(shè)計垃圾桶模型結(jié)構(gòu)的過程中，指導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程： 討論分析，觀察質(zhì)疑，總結(jié)解釋，發(fā)現(xiàn)問題再設(shè)計，再分析.在改良探索中激勵學(xué)生勇于探索、大膽嘗試，探究過程充滿了理性的力量和思辨的光芒，提升了科學(xué)思維的論證能力和創(chuàng)新精神.

5.2.2 第二階段： 控制電路的編程與電路板的制作

解決問題：如何設(shè)計電路來實現(xiàn)選擇開關(guān)對應(yīng)不同的功能要求？

教師活動：電路制作對于學(xué)生而言接觸較少，跨度有些大.教師首先對學(xué)生進行有關(guān)電路及自動控制的培訓(xùn)，指導(dǎo)學(xué)生通過相關(guān)的培訓(xùn)內(nèi)容進行設(shè)計.電路設(shè)計完成后，在電路板的制作方面教師對學(xué)生提供技術(shù)指導(dǎo).并對以往類似的一些電路編程案例進行展示.