基于STEAM教育理念改進(jìn)實(shí)驗(yàn)學(xué)具

吳益錁

在課程改革的新形勢(shì)下，全面推進(jìn)素質(zhì)教育刻不容緩，在小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)中，教師要為學(xué)生探究活動(dòng)提供新穎的材料，挖掘適合探究的主題，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。學(xué)具能讓學(xué)生獲得最直觀的感性認(rèn)識(shí)。“工欲善其事，必先利其器?！蓖ㄟ^(guò)自制或改進(jìn)學(xué)具的利用，能讓許多科學(xué)概念、現(xiàn)象變抽象為具象。而STEAM 教育強(qiáng)調(diào)知識(shí)與實(shí)踐之間的關(guān)聯(lián)，工程、技術(shù)類(lèi)課程作為銜接理論知識(shí)與應(yīng)用實(shí)踐的橋梁，在工程、技術(shù)類(lèi)課程的基礎(chǔ)上，整合科學(xué)、數(shù)學(xué)與藝術(shù)等相關(guān)課程的內(nèi)容，既可以有效彌補(bǔ)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域中工程與技術(shù)教育的短板，又可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)化的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

一、緣起

小學(xué)科學(xué)學(xué)具作為一種新的知識(shí)載體，為學(xué)生理解理論知識(shí)以及實(shí)驗(yàn)提供了極大的輔助作用。我們可以依據(jù)學(xué)生的心理特點(diǎn)為其展開(kāi)有效的服務(wù)，使得學(xué)生在輕松愉悅的科學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中得到知識(shí)、技能的協(xié)調(diào)發(fā)展，從而發(fā)揮學(xué)具的優(yōu)質(zhì)特性。通過(guò)STEAM教育理念的融合提升學(xué)生的綜合實(shí)踐與創(chuàng)新應(yīng)用能力，在綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)及數(shù)學(xué)等跨學(xué)科的知識(shí)中，解決真實(shí)問(wèn)題，親歷體驗(yàn)、探究創(chuàng)新、內(nèi)化吸收的過(guò)程，從而培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，使其獲得有益終身的學(xué)習(xí)能力和情感價(jià)值。

STEAM（Science科學(xué)、Technology技術(shù)、Engineering工程、Arts藝術(shù)、 Mathmatics數(shù)學(xué)的首字母）的原型為STEM，是一種用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)跨學(xué)科方式認(rèn)識(shí)世界和綜合創(chuàng)新形式的教育，強(qiáng)調(diào)知識(shí)與實(shí)踐之間的關(guān)聯(lián)。在新課改背景下，小學(xué)科學(xué)成為一門(mén)以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為宗旨的基礎(chǔ)性課程。學(xué)具的展示與應(yīng)用既可以優(yōu)化教材內(nèi)容，又可以快速吸引學(xué)生學(xué)習(xí)的注意力，使得學(xué)生在學(xué)具的開(kāi)發(fā)與制作中得到課堂實(shí)驗(yàn)與探究欲望的滿足感。通過(guò)寓教于樂(lè)的學(xué)習(xí)過(guò)程使得學(xué)生獲得學(xué)習(xí)的自信心，在優(yōu)秀學(xué)具的運(yùn)用中激發(fā)學(xué)生科學(xué)的探索精神，讓學(xué)生可以充分利用學(xué)科知識(shí)的鏈接進(jìn)行科學(xué)知識(shí)的探索，從而提高學(xué)生的思維能力。在STEAM教育理念的落實(shí)中提高學(xué)生科學(xué)能力，推動(dòng)科學(xué)課堂教學(xué)的進(jìn)展。

通過(guò)思考和探索，對(duì)教科版小學(xué)科學(xué)六上第一單元第七課《斜面的作用》中的實(shí)驗(yàn)做了一定的改進(jìn)和創(chuàng)新。斜面是本單元學(xué)習(xí)的最后一種簡(jiǎn)單機(jī)械，此前學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)杠桿、輪軸和滑輪組，已經(jīng)掌握了一些研究簡(jiǎn)單機(jī)械的實(shí)驗(yàn)方法。

這一課，學(xué)生將在實(shí)驗(yàn)中對(duì)比測(cè)量直接提升重物與用斜面提升重物所用力量的大小，也將在實(shí)驗(yàn)中更深入地對(duì)比研究同一重物在不同坡度斜面提升時(shí)的用力情況。在前面一系列簡(jiǎn)單機(jī)械原理及作用研究的幫助下，通過(guò)認(rèn)識(shí)斜面，提出“斜面是否能夠省力”的科學(xué)問(wèn)題，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的對(duì)比實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，學(xué)生可以獲得對(duì)簡(jiǎn)單機(jī)械斜面的作用及省力原理的認(rèn)識(shí)，從而培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、動(dòng)手能力，激發(fā)他們探究簡(jiǎn)單機(jī)械的興趣。

二、學(xué)具原理

把書(shū)上用木板隨意搭成的斜面做成用卡扣固定的裝置，使得學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)搭成的斜面很穩(wěn)固;電源、直流減速馬達(dá)和彈簧測(cè)力計(jì)（電子測(cè)力計(jì)）制作在一起并固定在斜面上，使得提升物體變得勻速，學(xué)生讀數(shù)更加方便和精準(zhǔn)。在研究坡度越小越省力的實(shí)驗(yàn)中，在兩塊木板中間加了一根螺旋桿，可以利用調(diào)節(jié)螺絲任意調(diào)節(jié)斜面的坡度。為了加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)角度的準(zhǔn)確性和對(duì)比性，又在木板中增加一個(gè)45°的量角器。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生研究不同坡度所提升物體的拉力，如斜面15°、斜面30°、斜面45°（當(dāng)然也可以調(diào)節(jié)成其他不同角度），提升同一物體所用力的大小，從而讓學(xué)生很容易地得出“坡度越小越省力”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。不用時(shí)，又可以把它合攏，平放，易于整理和收藏。綜上所述，筆者將其取名為“多功能斜面”教學(xué)儀。

三、學(xué)具所需器材及裝置圖

“多功能斜面”教學(xué)儀包含：木質(zhì)斜面、彈簧測(cè)力計(jì)（包括電子測(cè)力計(jì)）、雙向開(kāi)關(guān)、直流減速馬達(dá)、量角器、刻度尺、電源、砂皮紙、相同鉤碼10個(gè)、木塊、鐵塊。

四、學(xué)具改進(jìn)與創(chuàng)新之處

改進(jìn)的學(xué)具“多功能斜面”教學(xué)儀，取材簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)，通過(guò)更改某些條件，可以完成小學(xué)科學(xué)中與力學(xué)和斜面相關(guān)的多種實(shí)驗(yàn)。斜面傾角可以在0～45°之間靈活調(diào)節(jié)，且通過(guò)調(diào)節(jié)螺絲和卡扣牢牢固定木板角度，使之固定在指定角度進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。附以量角器、刻度尺、砂皮紙的接觸面和彈簧測(cè)力計(jì)（也可更換成電皮子測(cè)力計(jì)），并在斜面最上端安裝了直流減速馬達(dá)、電源及雙向開(kāi)關(guān)等電子元件，克服了速度不易勻速控制的缺點(diǎn)，減少人為因素。這些裝置的安裝與改進(jìn)都能有效地提高實(shí)驗(yàn)的可視性和準(zhǔn)確度。

1.用直流減速馬達(dá)、電源、雙向開(kāi)關(guān)等電子元件來(lái)勻速控制提拉彈簧測(cè)力計(jì)（電子測(cè)力計(jì)），代替手拉彈簧測(cè)力計(jì)，讀數(shù)更加精準(zhǔn)。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作中科學(xué)教師都知道，用手提拉彈簧測(cè)力計(jì)時(shí)，手的拉力與斜面的摩擦力會(huì)導(dǎo)致彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)忽大忽小，會(huì)影響觀察者讀數(shù)的準(zhǔn)確性。而采用這種“多功能斜面”教學(xué)儀，就完全杜絕了這兩大因素的干擾，讀出的數(shù)會(huì)更加精準(zhǔn)，這樣就更容易引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行比較和得出斜面實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。

2.使用“多功能斜面”教學(xué)儀，斜面容易固定，坡度大小易顯現(xiàn)。學(xué)生想要研究多大的坡度，只要調(diào)節(jié)斜面上的調(diào)節(jié)螺絲和卡扣，用量角器就能呈現(xiàn)出相應(yīng)的角度。這樣的一個(gè)裝置，讓學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)更加科學(xué)、規(guī)范，有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究態(tài)度。

3.小學(xué)科學(xué)所有涉及斜面的知識(shí)都可以用“多功能斜面”教學(xué)儀這個(gè)裝置演示出來(lái)，當(dāng)然，同樣可以在斜面表面貼上一張砂皮紙來(lái)改變表面的光滑程度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。例如，在教科版五上第四單元第五課《運(yùn)動(dòng)和摩擦力》這節(jié)典型的科學(xué)探究課中，以探究摩擦力大小與哪些因素有關(guān)為主線，通過(guò)學(xué)生猜想、設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)探究和合作交流等教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在科學(xué)探究的過(guò)程中親自構(gòu)建科學(xué)概念，主動(dòng)獲取科學(xué)知識(shí)。使用“多功能斜面”教學(xué)儀可以完成這一課中的兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)一是木板光滑面與砂皮紙粗糙面之間的比較;實(shí)驗(yàn)二是彈簧測(cè)力計(jì)改變提拉物體的重量（鉤碼的多少或者是木塊與鐵塊的比較）得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生一比較，自然明白了其中的道理。讓學(xué)生親身經(jīng)歷探究摩擦力大小與接觸面粗糙程度和物體重量關(guān)系的過(guò)程。

五、學(xué)具用于部分探究實(shí)驗(yàn)及其探究過(guò)程

實(shí)驗(yàn)一：探究斜面有什么作用。

1.用彈簧測(cè)力計(jì)分別測(cè)出提起1個(gè)鉤碼、3個(gè)鉤碼、5個(gè)鉤碼所用的力。

2.打開(kāi)“多功能斜面”教學(xué)儀，調(diào)整到一定坡度（如30°），將彈簧測(cè)力計(jì)掛在直流減速馬達(dá)下面，分別將1，3，5個(gè)鉤碼掛在彈簧測(cè)力計(jì)上，測(cè)出此時(shí)拉起這些鉤碼所用的力。

3.將測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較，得出結(jié)論：當(dāng)其他條件相同時(shí)，使用斜面具有省力的作用。

實(shí)驗(yàn)二：研究不同坡度的斜面。

1.測(cè)出直接提起2個(gè)鉤碼所用的力，也就是斜面坡度為 90°時(shí)。

2.改變斜面的坡度為45°，用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出提起2個(gè)鉤碼所用的力。

3.再測(cè)出坡度為 30°和15°時(shí)，提升鉤碼所用的力。

4.增加鉤碼數(shù)量，在按照上述3個(gè)步驟再操作一遍。

5.比較力的大小，得出結(jié)論：當(dāng)其他條件相同時(shí)，斜面的坡度越小越省力。

實(shí)驗(yàn)三：摩擦力的大小與物體接觸面粗糙程度的關(guān)系。

1.把“多功能斜面”教學(xué)儀放平，在木質(zhì)光滑平面上用直流減速馬達(dá)帶動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出2個(gè)鉤碼（或鐵塊）的拉力大小，用同樣的方法測(cè)量3次并記錄數(shù)據(jù)，取平均值。

2.在木質(zhì)平面貼上砂皮紙（粗糙），用直流減速馬達(dá)帶動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出2個(gè)鉤碼（或鐵塊）的拉力大小，用同樣的方法測(cè)量3次并記錄數(shù)據(jù)，取平均值。

3.再用4個(gè)鉤碼和6個(gè)鉤碼按照上述2個(gè)步驟操作，得出數(shù)據(jù)，取平均值。

4.比較這些測(cè)出力的大小，得出結(jié)論：當(dāng)其他條件相同時(shí)，物體接觸面越粗糙，摩擦力就越大。

當(dāng)然，也可以改變物體的重量這一因素，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出：當(dāng)其他條件相同時(shí)，物體越重摩擦力就越大。

六、運(yùn)用學(xué)具后的課堂實(shí)驗(yàn)效果

使用“多功能斜面”教學(xué)儀與原實(shí)驗(yàn)相比，操作更加簡(jiǎn)單方便，斜面可隨意調(diào)節(jié)到所需要的角度并能固定住相應(yīng)的角度（坡度準(zhǔn)確）。原來(lái)的由學(xué)生手提彈簧測(cè)力計(jì)改成直流減速馬達(dá)提升彈簧測(cè)力計(jì)，以相同的速度提升重物，從而得出更加精準(zhǔn)的拉力數(shù)據(jù)。還可以改變斜面接觸面的光滑程度（木板表面光滑與粗糙砂皮紙之間的更換）引導(dǎo)學(xué)生做改變光滑程度的實(shí)驗(yàn)。由此各個(gè)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀、形象、有趣。“多功能斜面”教學(xué)儀還能演示教材內(nèi)實(shí)驗(yàn)所沒(méi)有涉及的相關(guān)內(nèi)容，比如最前端裝上一個(gè)定滑輪，也讓學(xué)生能更輕松地理解滑輪的相關(guān)知識(shí)。

現(xiàn)在以教科版小學(xué)科學(xué)六上第一單元第七課《斜面的作用》中的探究活動(dòng)為例，學(xué)生利用“多功能斜面”教學(xué)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作并得出相關(guān)數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)在于斜面ABC用角度斜面15°、斜面30°、斜面45°來(lái)操作實(shí)驗(yàn)，提升同一物體所用力的大小。要比原來(lái)ABC更加直觀，學(xué)生讀取數(shù)據(jù)過(guò)程更加精準(zhǔn)，從而讓學(xué)生很容易得出“坡度越小越省力”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

七、自我反思評(píng)價(jià)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)，加深學(xué)生對(duì)斜面、滑輪、接觸面光滑程度等知識(shí)的理解，有利于學(xué)生更好地掌握簡(jiǎn)單機(jī)械的知識(shí)，解決教師在實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的尷尬。對(duì)于STEAM教育理念下，小學(xué)科學(xué)學(xué)具的開(kāi)發(fā)以及課堂應(yīng)用而言，要想讓學(xué)生得到科學(xué)知識(shí)與科學(xué)能力的雙重提升，我們可以通過(guò)學(xué)習(xí)氛圍的創(chuàng)設(shè)以及多元化教學(xué)手段的創(chuàng)新，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其在自主性學(xué)習(xí)動(dòng)力的驅(qū)使下，增強(qiáng)對(duì)科學(xué)學(xué)具的認(rèn)識(shí)，發(fā)揮學(xué)具在課堂教學(xué)中的優(yōu)化作用。