初中科學STEAM 課程教材編寫淺析
——以浙教版科學《溫度計》為例

陳振峰

（浙江省溫州市第十七中學，浙江 溫州 325000）

從《科學（7-9 年級）課程標準》到李克強總理對“創(chuàng)客”的肯定，大家會發(fā)現(xiàn)當今的教育和社會越發(fā)關注學生能夠進行靈活遷移所學知識，應用數(shù)學和工程技術解決真實世界的問題。從這個目標出發(fā)，作為教師需要不斷提高學科專業(yè)知識和教學能力，但與此同時，更缺少相應的STEAM 性質的拓展性課程教材。因此筆者以浙教版七上科學《溫度計》部分的課本知識為依托，借助同事和教研員的力量，將STEAM 的相關理念作為材料編寫和活動設計的核心，針對七八年級學生的知識特點，編寫了一個主題拓展性課程。

一、教學目標和整體設計

STEAM 框架下的拓展性課程強調科學、技術、工程和數(shù)學以跨學科的課堂形式整體出現(xiàn)，要求四門學科在教學過程中必須找到不同學科知識點之間的連接點和整合點，將分散的課程知識按實際問題和項目結構化，通過有序的問題或場景有機地串聯(lián)起來，使整個課程各要素形成有機結構。根據(jù)STEAM 要求，因此此次的課程內(nèi)容整合方式，采用的是知識整合取向模式中的基于問題的學習模式，將學習任務和動手實踐活動嵌入在有意義的真實問題情境中，通過學生協(xié)同的思考討論和合作交流解決相關問題，促進學生對所學知識的進一步理解和建構，從而習得隱含在問題背后的各學科知識和能力素養(yǎng)，形成解決問題的技能和勤于動手的態(tài)度。根據(jù)七八年級學生所學內(nèi)容和具有的基礎能力，筆者選用了《溫度計》這一拓展對象，在課本原有的基礎上進行STEAM 的拓展性學習。在整體的內(nèi)容安排上，以溫度計的分類為明線，以溫度計的發(fā)展歷史為暗線，一明一暗，學科知識結合人文關懷，這樣的設計旨在讓學生能夠以更寬泛的視角看待事物，不僅關注溫度計本身的設計和改進，更要注意到科學研究背后承載的人文溫度，真正做到通過課程的學習讓學生的綜合能力得到發(fā)展和提升。在學習方式上，既有閱讀、思考分析、討論等腦力層面，也有制作、使用、探究等動手層面。針對現(xiàn)有的教學場景，思考和討論是主要場景，而且大多的動手實驗也是在課本指示和實驗操作手冊下的簡單模仿，真正基于實際問題和場景的動手操作少之又少。因此在整個設計中，在完成前期的任務驅動和支架學習后，中后期的重點就落在學生的動手實踐上，突出STEAM 的工程要素，讓學生依次經(jīng)歷樣品的設計、制作、改進、迭代一系列真實的產(chǎn)品制作過程，體驗完整的開發(fā)環(huán)節(jié)，對真實的工業(yè)生產(chǎn)有一定的認識。最后提供資源性支架和活動性支架，為學生后續(xù)進一步地改進和開發(fā)提供一定的學科知識支持，讓此次課程的生命力得到更加持久地延續(xù)，讓學生在課外能夠繼續(xù)根據(jù)興趣延展樣品的“寬度”和“深度”。

二、環(huán)節(jié)設計和拓展思考

（一）課程中情境性的體現(xiàn)

基于STEAM 課程的理念，整個教學內(nèi)容應該具有情境性特征，它要求教師們不是教授學生孤立的、抽象化的學科知識，而應該是把學科知識還原在真實生活或歷史發(fā)展中，結合有趣或具有挑戰(zhàn)性的問題，通過學生完成一系列問題實現(xiàn)教學。STEAM 課程強調知識應該是學生通過學習環(huán)境互動構建的產(chǎn)物，而非來自教師和課本等的簡單外部灌輸。因此在此課程中以溫度計的發(fā)展為暗線，讓學生以第一視角參與到溫度計的改良和設計中去，在解決情境問題的同時，體驗科學的進步歷程，獲得知識和社會性的多重成長。

【課程節(jié)選1：】

溫度是表示物體冷熱程度的物理量，從古至今人類能感受到大自然中溫度的不同：火是燙的，冰是冷的，夏季是炎熱的，冬季是寒冷的。從史料來看，中國人很早就確立了寒、冷、溫、熱的“溫度”概念，先秦時期觀察“瓶中之冰”、南朝已使用“腋下溫度”，還通過“火候”“物候”測定超高溫、預測未來氣溫趨勢等，像“春暖花開”“天寒地凍”“爐火純青”最早都是古人推測氣溫的用語。但古人對溫度高低的辨別并沒有統(tǒng)一的標準，隨著社會的進步與發(fā)展，人們越來越需要一把測量溫度的“尺子”。經(jīng)過各個時代科學家的努力，終于找到了測量溫度的“尺子”——溫度計。

1593 年，意大利科學家伽利略發(fā)明了世界上第一支溫度計。該溫度計是用一根細長的玻璃管，它的一端是玻璃泡（空心球形泡），另一端開口事先往管內(nèi)灌少許帶色的水，然后把開口倒過來插在帶色水的容器里。在玻璃管上等距離地標上刻度。

1632 年，法國物理學家雷伊（J.Ray）第一個改進了伽利略的溫度計。他將伽利略的裝置倒轉過來，將水注入玻璃泡內(nèi)，而將空氣留在玻璃管中，仍然用玻璃管內(nèi)水柱的高低表示溫度的高低。由于這項改進使水成了測溫物質，實際上這成了第一支液體溫度計。由于向上的管口沒有封閉，水會不斷蒸發(fā)，必將影響測量的準確性。

（二）課程中工程性的體現(xiàn)

STEAM 課程不僅強調學生通過各種方式獲取抽象知識，更強調學生動手制作出相關樣品或設計概念性模型。科學在于認識世界，解釋自然界的客觀規(guī)律，技術和工程則是在尊重自然規(guī)律的基礎上實現(xiàn)對自然的控制和利用，解決社會和科學發(fā)展中的各種問題。按照科學和數(shù)學規(guī)律在教學過程中開展動手實踐是科學、數(shù)學、技術和工程整合的重要途徑，因此學生通過動手制作和設計，才能促進學科知識的融合和遷移運用，通過作品外化顯現(xiàn)學習成果和習得的能力。這不僅是獲得成就感的重要方式，也是維持和激發(fā)學生不斷學習的動機，保持好奇心的重要途徑。

【課程節(jié)選2：】

制作一支伽利略式溫度計

1.取一只燒瓶，在瓶口塞上一個帶細玻璃管的橡膠塞，確保裝置氣密性完好。

2.用雙手捂住燒瓶30 秒，使瓶內(nèi)空氣受熱膨脹，排出一部分空氣。

3.把玻璃管插入紅墨水中，燒瓶內(nèi)空氣受冷收縮，讓水進入到細玻璃管內(nèi)形成水柱。

4.用溫水或冰水接觸燒瓶，觀察玻璃管內(nèi)水柱的變化情況。

請你發(fā)揮想象，設計一款未來的溫度計，簡要說明它的樣式和具有的奇特之處。

（三）課程中技術性和數(shù)學性的體現(xiàn)

STEAM 課程的跨學科性意味著在教學過程中，不再將重點放在某個特定學科上，而是將重心放在特定的某個待解決的問題上，強調利用科學、數(shù)學、技術、工程學科相互聯(lián)合解決問題。在解決問題的過程中，要求學生能夠利用技術手段和數(shù)學思維簡化和激發(fā)研究過程，并通過技術手段讓結果和樣品更加多元化和直觀化，讓結果和創(chuàng)意更加容易分享與交流。同時STEAM 課程主張，技術手段應該作為認知工具，無縫地融入每一個教學環(huán)節(jié)中，不僅是在解決問題時，培養(yǎng)學生熟練運用相關技術，增強個人獲取復雜信息、進行建模與計算的能力，從而進行更加深度的學習。在這個部分當中筆者設計了對熱敏溫度計的探究和分析，借助生活中一些常用的工具對溫度計進行拆解，獲取相關部件，并用萬用表對熱敏原件進行測量電阻，對所得數(shù)據(jù)通過數(shù)學和計算機技術進行數(shù)形轉換，獲得相關數(shù)學圖像并加以分析，鍛煉學生在實際動手中的各種技術能力和數(shù)學邏輯分析能力。

【課程節(jié)選3：】

探究和分析熱敏溫度計的工作原理

1.拆解熱敏溫度計，觀察其內(nèi)部結構和相關部件。

2.從線路板上剝離熱敏電阻并去除外層絕緣層，露出導線。

3.利用熱水、溫度計、萬能表測出10 組不同溫度下熱敏電阻的阻值。

4.將所測得數(shù)據(jù)通過幾何畫板或EXCEL 程序繪制溫度和電阻關系曲線，分析兩者之間的關系。

5.根據(jù)提供的熱敏溫度計工作原理圖（如圖1）和溫度與電阻關系，分析熱敏溫度計工作原理。

圖1 熱敏溫度計工作原理圖

【課程節(jié)選4：】

觀察和使用紅外測溫儀

觀察紅外測溫儀的外觀和控制面板，閱讀使用手冊，了解基本操作和使用注意事項。

按住儀器測溫開關，通過紅色激光點瞄準目標，激光點應打在被測目標的中心，此時儀器顯示器顯示的即為被測目標的瞬時溫度，同時儀器顯示器顯示有“SCAN”符號。松開測溫開關后，測量停止，顯示器出現(xiàn)“HOLD”符號，顯示的溫度值保持5 秒后消失。

注意事項：

1.使用紅外線測溫儀分別測量同桌的體溫、熱水、冰塊的溫度。

2.分享和討論使用過程中的心得。

（四）課程中人文性的體現(xiàn)

在STEM 課程提出以后，有部分教育學者又提出了在原有的STEM 課程中加入Art 學科，即在課程內(nèi)容中增加藝術、人文學科方面的涉及。它的目的在于強調在自然科學教學中增加對學生人文和社會方面的關注。例如增加科學、技術或工程等相關發(fā)展歷史和人文思考，從而激發(fā)學生多維度的思考，加強STEAM 課程與生活聯(lián)系的理解，感知整個科學發(fā)展和技術進步的艱辛給人們帶來的便利與喜悅，加入審美維度的評價，提高動手制作樣品的藝術性和美感。

【課程節(jié)選5：】

小資料：最早的溫度計究竟是誰發(fā)明的？曾經(jīng)有過爭論，有的人把最早的溫度計的發(fā)明歸功于荷蘭的有名機械師德里貝爾（C·Drebbel）；也有人把這項優(yōu)先權歸功于帕杜亞的解剖學家桑托留斯（Sanctorius）；還有人把它歸功于克拉科夫的神父保羅（Paul）、倫敦的醫(yī)生弗拉德（R·Fludd）及德國的蓋里克。但現(xiàn)代的歷史研究一致同意把溫度計的發(fā)明歸功于伽利略。

1.關于小資料中“最早的溫度計究竟是誰發(fā)明的？”的爭論，你有什么看法？

2.以下是溫度計發(fā)展歷史的時間軸（如圖2）。在整個溫度計的發(fā)展過程中，它不僅替人們測量了物體的冷熱程度，更讓人們感知了整個科學發(fā)展過程中的“冷”與“熱”。請觀察歷史時間軸，談一談對整個溫度計發(fā)展的感受。

圖2 溫度計發(fā)展歷史的時間軸

（五）課程實施后的思考

整個課程的實施在教學過程中因為打破了原有書本的限制，以知識拓展和動手實驗為主要設計，所以學生在課堂上表現(xiàn)出了非常高的參與熱情，在教學環(huán)節(jié)的實施過程中都得到了學生的配合。尤其在動手制作伽利略式溫度計時，學生對實驗過程中出現(xiàn)的問題能夠及時地組內(nèi)相互討論，發(fā)表自己的意見，及時跟進對樣品的改進方法的思考，因此在后面進行實驗分析時能夠清晰地表述出存在的問題和產(chǎn)生的原因。從效果上看，學生的學習和拓展得到了真實的發(fā)生，課程設計的學習目標得到落實。在介紹和了解現(xiàn)在的溫度計時，筆者給出熱敏溫度計的介紹和紅外測溫儀的使用，因為課時的安排，在這節(jié)課中筆者對此部分的處理是讓學生通過原理圖嘗試闡述熱敏溫度計的工作原理和上手體驗紅外測溫儀的使用。如果課時安排充裕，此部分可以作為課程項目的后續(xù)科學探究和數(shù)理分析的環(huán)節(jié)，讓學生通過實驗獲取溫度與電流、電壓等相關數(shù)據(jù)，通過數(shù)學方法繪制溫度和電阻的關系圖，再通過分析結構圖，整體上對熱敏溫度有一個較深刻和完整的認識，這樣更能突出學科整合和工程技術的運用。再由此延伸到紅外測溫儀的探究，讓學生基于前面對熱敏溫度計的學習，自主地設計和實施整個探究過程，讓前期學習到的經(jīng)驗得到實踐和鍛煉，真正將學習的過程還給學生。