基于STEM教育理念的“模型建構(gòu)式”復(fù)習(xí)課

賴樟新

摘? ? 要：以STEM教育理念作為初中科學(xué)復(fù)習(xí)課的核心，就是尋找在一個真實的情境下，通過將其簡化為若干個問題，提煉出實踐性強的“目標模型”，通過任務(wù)驅(qū)動，完成“目標模型”的構(gòu)建，同時，在此過程中實現(xiàn)知識的構(gòu)建、思維的訓(xùn)練、能力的提升。

關(guān)鍵詞：STEM;復(fù)習(xí)課;構(gòu)建式;目標模型

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）11-0015-4

初中科學(xué)復(fù)習(xí)課引入STEM教育理念，將科學(xué)與技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)進行全面融合，不僅能在復(fù)習(xí)科學(xué)知識的過程中對復(fù)習(xí)內(nèi)容進行查漏補缺、織線成網(wǎng)，還能溫故知新，從而促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，特別是在批判性思維、問題解決能力以及創(chuàng)造性能力上都獲得有效的培養(yǎng)[1]。基于STEM教育理念的“模型建構(gòu)式”復(fù)習(xí)課以實際問題或情境為切入點，提煉簡化為課堂操作性強的“目標模型”，在“目標模型”構(gòu)建中，將富有創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)過程作為教學(xué)的核心，將技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)整合到科學(xué)復(fù)習(xí)內(nèi)容當中來，借助“目標模型”構(gòu)建起科學(xué)知識與現(xiàn)實世界的相互聯(lián)系，并且鼓勵學(xué)生自主探索?；赟TEM教育理念的“模型建構(gòu)式”復(fù)習(xí)課有自身的特征，這些特征不同于一般的常規(guī)復(fù)習(xí)課，兩者對比如表1所示。

1? ? 基于STEM的復(fù)習(xí)課模型構(gòu)建

現(xiàn)以“浮力專題復(fù)習(xí)”為例，分析基于STEM教育理念的“模型建構(gòu)式”復(fù)習(xí)課的操作方法：

1.1? ? 提煉“目標模型”

情境：蛟龍?zhí)栞d人潛水器是一艘由中國自行設(shè)計、自主集成研制的載人潛水器，2012年6月，在馬里亞納海溝創(chuàng)造了下潛7062米的中國載人深潛紀錄，也是世界同類作業(yè)型潛水器最大下潛深度紀錄。

任務(wù)：學(xué)生觀看蛟龍?zhí)枬撍^程的視頻，思考蛟龍?zhí)枬撍髟谒幸樌ぷ髟谪Q直方向應(yīng)該具備幾種運動狀態(tài)或運動過程。

以蛟龍?zhí)栞d人潛水器為情境引入，一是蛟龍?zhí)枬撍魇歉×?yīng)用的典型實例，其下潛、上浮過程與物體的浮沉條件有密切聯(lián)系;二是蛟龍?zhí)栞d人潛水器是我國自主研制和集成的，在世界同類作業(yè)型潛水器中屬于領(lǐng)先地位，能激發(fā)學(xué)生的愛國情懷。

影響蛟龍?zhí)枬撍鬟\作的因素非常多，涉及到的知識面非常廣，分析和設(shè)計起來非常困難。讓學(xué)生在觀看視頻的過程中思考潛水器在豎直方向應(yīng)該具備的幾種運動狀態(tài)或運動過程，將眾多的因素聚焦到“什么因素影響潛水器浮沉”這一問題上，構(gòu)建學(xué)生已有知識與實際情境間的認知橋梁，找準目標模型構(gòu)建的切入點，具體內(nèi)容如表2所示。

問題1：一般的潛水器是如何實現(xiàn)上浮或者下沉的？

綜合學(xué)生的答案，主要如下：

（1）通過吸水和排水改變自身重力來實現(xiàn)上浮或下沉;（2）通過改變潛水器上的壓載鐵來實現(xiàn)上浮或下沉。

綜合學(xué)生的答案與影響物體浮沉的條件，引導(dǎo)學(xué)生對潛水器在豎直方向上的受力情況進行進一步分析，梳理物體的浮沉條件在潛水器中的應(yīng)用，拓展其在物體浮與沉中的現(xiàn)實意義，提煉出“構(gòu)建簡易潛水器”這一“目標模型”。

圖1為由“蛟龍?zhí)枬撍鳌钡健昂喴诐撍髦谱鳌钡哪Ｐ吞釤捔鞒虉D。

真實的問題或情境往往會因空間、技術(shù)、資源、安全、教學(xué)時間等因素的限制，而無法身臨其境，但將真實的問題或情境簡化、提煉為可操作的“目標模型”，在構(gòu)建“目標模型”的過程中融合所需要復(fù)習(xí)的科學(xué)知識，這樣可避免單純講解科學(xué)知識的枯燥。

1.2? ? 剖析“目標模型”

問題 2：在以下材料中，如何選擇合適材料來制作一個簡易潛水器？（討論）

材料：60 mL注射器2只、鐵塊2個、不同規(guī)格的木塊、剪刀、彈簧測力計、量筒、溢水杯、燒杯、長方形大理石、鐵絲、橡皮筋、水槽等。

綜合學(xué)生答案，主要如下：

（1）用導(dǎo)管將兩個注射器相連，通過拉動1號注射器的活塞來改變2號注射器中的水體積與氣體體積比，從而控制2號注射器的浮與沉;

（2）在（1）的基礎(chǔ)上，將木塊、鐵塊或大理石綁在2號注射器上，改變注射器的重力和浮力之間的關(guān)系，來控制2號注射器的浮與沉。

在材料選擇過程中，必然驅(qū)使學(xué)生思考密度與浮力的關(guān)系、排水體積與浮力的關(guān)系、重力與浮力的關(guān)系等，將多個零散的知識點聚焦到如何選擇制作簡易潛水器材料這一真實的問題上來，在此過程中實現(xiàn)知識的主動構(gòu)建。

上述學(xué)生對簡易潛水器的設(shè)想是否可行？選擇什么樣的材料能實現(xiàn)目標？為此，學(xué)生需要進行嚴格的計算和分析，主要通過以下幾個任務(wù)來完成。

任務(wù)一：已知注射器的重力和浮力（表3）。

求：①當增加的物體與注射器（滿水）綁定時，物體的重力G■和浮力F■滿足什么條件時，潛水器恰好上?。?/p>

②當增加的物體與注射器（空）綁定時，物體的重力G■和浮力F■滿足什么條件時，潛水器恰好下沉？

從表3中可以看出，不管是空的注射器還是裝滿水的注射器，其重力均小于最大浮力，注射器始終處于漂浮狀態(tài)。因此，對于綁在注射器上的物體平均密度要大于水的密度。另外，綁定物體后的簡易潛水器，要通過改變注射器中的水量來實現(xiàn)上浮或下沉，因此，需要尋找兩個臨界點（即恰好上浮和恰好下沉）。通過各小組討論、計算，得出綁定物體應(yīng)該滿足的條件（表4）。

該項任務(wù)的設(shè)定是對物體浮沉條件的靈活運用，是數(shù)學(xué)計算、工程設(shè)計思維的重要體現(xiàn)，在分析、討論過程中體驗解決問題的不同方法，為學(xué)生選擇制作簡易潛水器材料明確了目標。同時，對引出測量物體重力和浮力有著重要作用。

任務(wù)二：分小組測量各種材料的重力和浮力。

測量浮力的方法有稱量法、阿基米德原理法、平衡法、壓力差法等，不同的物體選擇的測量方法也是有所不同的。在該任務(wù)中，重點復(fù)習(xí)了稱量法和阿基米德原理法，并提供了彈簧測力計、量筒、溢水杯、燒杯等實驗器材，以開放的形式，引導(dǎo)學(xué)生通過小組交流、討論，選擇合適的方法進行測量。最終測得數(shù)據(jù)如表5所示。

在理解了各種測量方法原理的基礎(chǔ)上，學(xué)生根據(jù)材料特點來選擇最恰當?shù)臏y量方法。值得指出的是，這個看似簡單的浮力測量，在實際操作過程中出現(xiàn)了各種問題。不僅出現(xiàn)用稱量法測木塊浮力等理解方面的錯誤，還暴露了繩子系不住鐵塊等操作技術(shù)方面的不足。但通過組員的交流和組間的相互學(xué)習(xí)，學(xué)生對浮力知識的理解也更加深刻。在實踐與合作中學(xué)習(xí)，不僅從本質(zhì)上促進學(xué)生對科學(xué)知識的理解，更重要的是提升學(xué)生的思維質(zhì)量和動手能力。

1.3? ? 構(gòu)建“目標模型”

結(jié)合簡易潛水器上綁定物體應(yīng)具備“0.05 N <G■-F■<0.55 N”這一條件，以及上表中各組所測得的數(shù)據(jù)，滿足實驗需求的材料或材料組合有以下幾種：

（1）2只注射器、1個方形大理石;

（2）2只注射器、2個大木塊、1個鐵塊;

……

在制作和調(diào)試簡易潛水器的過程中，會遇到與理論沖突的問題。例如，固定材料的橡皮筋需要考慮質(zhì)量嗎;木塊的吸水性將會如何影響實驗的結(jié)果;多種材料的組合如何考慮重心的變化;連接兩支注射器的導(dǎo)管對實驗會產(chǎn)生哪些影響;如果要在注射器中預(yù)留一定的空氣來模擬“控制艙”，則如何設(shè)計方案。但正是因為這些問題的存在給學(xué)生創(chuàng)造了交流和思考的空間，也讓學(xué)習(xí)離生活更近，讓學(xué)習(xí)更具有意義。

2? ? 基于STEM教育理念的“模型建構(gòu)式”復(fù)習(xí)課的操作步驟

2.1? ? 創(chuàng)設(shè)與復(fù)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的真實情境

一個真實而有意義的情境是知識附載的綜合體，能激發(fā)學(xué)生的興趣，構(gòu)建起科學(xué)知識與現(xiàn)實之間的橋梁，體現(xiàn)學(xué)習(xí)科學(xué)知識的現(xiàn)實意義。

2.2? ? 簡化情境，聚焦問題，提煉“目標模型”

真實的情境往往都比較復(fù)雜，一般很難通過一節(jié)課的時間完成，這就需要教師對其進行科學(xué)的簡化，聚焦與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的核心問題。在保持原有情境本質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，以問題解決為目標，提煉出“目標模型”，構(gòu)建課堂教學(xué)流程。

2.3? ? 任務(wù)驅(qū)動，數(shù)據(jù)收集，剖析“目標模型”

基于STEM教育理念的“模型建構(gòu)式”復(fù)習(xí)課，簡化情境，提煉出的“目標模型”只是組織課堂教學(xué)的一個載體。更重要的是，通過教師引領(lǐng)，生生之間的合作探究，通過分析、實驗、交流，剖析“目標模型”中隱藏的科學(xué)知識及這些科學(xué)知識間的內(nèi)在聯(lián)系。在此過程中實現(xiàn)知識的內(nèi)化和思維的訓(xùn)練，同時為“目標模型”的建構(gòu)作準備。

2.4? ? 學(xué)科融合，實踐創(chuàng)新，構(gòu)建“目標模型”

構(gòu)建“目標模型”是在維持真實情境本質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，融合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)，完成“目標模型”的構(gòu)建過程，在此過程中，學(xué)生所需要復(fù)習(xí)的內(nèi)容蘊含其中。同時，將“目標模型”與真實情境從實用性、安全性、可操作性、經(jīng)濟性等角度進行比較，實現(xiàn)由模型認知向真實情境認知的跨越，深入認識科學(xué)本質(zhì)。

綜上，四個操作步驟可以用如圖2所示的流程圖來表示。

基于STEM教育理念的“模型建構(gòu)式”復(fù)習(xí)課是基于學(xué)科課程標準下的課堂教學(xué)，注重理論知識與實際生活之間的聯(lián)系和學(xué)科間的融合，強調(diào)在實踐操作過程中發(fā)展學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新精神[2]?？茖W(xué)知識則滲透于實際操作的各個階段中，在潤物細無聲中促使學(xué)生主動完成知識的構(gòu)建過程。

參考文獻：

[1]魏曉東，于冰，于海波.美國STEAM教育的框架、特點及啟示[J].華東師范大學(xué)學(xué)報（教育科學(xué)版），2017，35（04）：40-46.

[2]劉繁華，李克，肖名望，等.STEM+創(chuàng)客教育的中小學(xué)SM教學(xué)模式研究[J].中國教育信息化，2018（10）：9-13.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）