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    基于課程標準的STEM教育科學新課堂(林桂寧--一等獎)

    時間:2019-08-09 10:50:15 點擊: 【字體:

    論文摘要】

    基于課程標準的STEM教育理念的新課堂,充滿生機與活力??茖W課堂已不是簡單的對科學知識的驗證,更是多種能力的綜合提升。論文將以《金屬熱脹冷縮嗎》一課為例,淺談如何以課程標準為指導,重構新目標;以實驗課為為契機,發現問題;再以小組為單位,協作解決問題;最后在STEM教育理念指導下,融合多種學科知識,完善問題。

    在一次次創新改進中,學生能更輕松建構科學知識,懂得小組協作的力量,懂得多方尋求解決問題的方法;不但能一次次體驗到科學創新帶來的成就感,激發科學探究興趣;更是鍛煉了綜合運用學科知識解決問題的能力,培養了學生的科技創新能力。

    【關鍵詞】

    STEM教育理念  新目標  發現問題  學科融合   解決問題

    【引言】

    中興和華為事件反復告訴我們,關鍵核心技術是買不來、要不來、討不來的。——中國工程院院士倪光南

    中國要強盛、要復興,就一定要大力發展科學技術,努力成為世界主要科學中心和創新高地。 ——習近平

    青年是祖國的前途、民族的希望、創新的未來。青年一代有理想、有本領、有擔當,科技就有前途,創新就有希望。——習近平

    【正文】

    STEM是科學、技術、工程、數學四門學科英文首字母的縮寫。STEM教育理念倡導“生活中發生的大多數問題需要應用多種學科的知識來共同解決?!边@點和《小學課程標準》提出“科學來源于生活,并服務與生活”的理念本質上是共通的。

    那么,如何在科學實驗課上實現STEM教育理念和科學教育理念的高度融合,并以此發展學生創新思維,培養學生的科技創新能力呢?接下來,我將以《金屬熱脹冷縮嗎》一課為例,談談我的做法。

    一、 以新課程標準為指導,重構新目標

     實驗課是科學課的重要組成部分,學生的科學素養很多都是在實驗課中形成的?!缎抡n程標準》指出“要為學生提供有結構的實驗材料”。但并不是教材中的所有實驗都是有結構性的,都能讓學生易于操作,現象明顯,有的教材設計的實驗甚至是不能成功的。


    在對教材的深度挖掘和長期的教學經驗積累基礎上。我發現實驗一“觀察銅球的熱脹冷縮實驗”,將加熱前和加熱后的銅球分別通過金屬環,觀察是否都能過,由此來判斷銅是否具有熱脹冷縮的性質。這個實驗,實驗室配備有專門的實驗器材,易于操作,現象明顯;能很好的讓學生體驗觀察到球狀金屬的熱脹冷縮現象。在具體的操作中要注意一些安全操作的細節問題即可。

    實驗二“ 觀察鋼條的熱脹冷縮”,具體操作為:加熱一段30厘米左右的鋼條,鋼條一端用鐵釘固定,鋼條另一端的木板上插入一根大頭針,通過觀察大頭針的傾斜來推測鋼條的熱脹冷縮現象。這實驗是本課重點實驗。但在實際上課過程中,卻發現這個實驗卻存在很多問題。實驗根本沒辦法成功,學生不能從實驗現象中得出結論。因此,根據實際情況,我調整了教學目標和教學設計,具體如下表:

    基于新課程標準,結合STEM教育理念,在對教材的全面鉆研下,結合教學實際,我重新對教材進行有機整合,設定了融合STEM教育理念新的教學目標。目標對比如下:

    原教學目標

    STEM教育理念下學科融合目標

    1、    通過鋼、鐵和鋁幾種常見金屬熱脹冷縮實驗的演示和操作,學生能直觀地觀察到金屬的熱脹冷縮現象。

    1.對教材原始實驗進行改進,設計能直觀明顯地觀察到金屬熱脹冷縮的實驗裝置。

    2.通過歸納和推理認識大多數金屬具有熱脹冷縮的性質。

    2.如何運用數學知識或數學工具準確地對金屬熱脹冷縮進行度量。

    3.通過本節課的學習,體會實驗和觀察是科學探究的一種方法。

    3.如何組織更生動有效的語言,對小組設計并改進的實驗裝置進行說明。

    4、通過學習,知道科學來源于生活,并服務于生活。

    4.在探究過程中,更深入地建構有關金屬熱脹冷縮性質的知識。

     

    從以上表格來看,新目標不僅達成了教材原定目標,更培養了運用多學科知識解決實際問題的能力;不但學得科學知識,更鍛煉思維能力好,提高綜合素養。

    二、以失敗的實驗為契機,發現問題

    科學,強調在探索中發現問題,解決問題。因此,即使老師已經知道按教材的實驗是不可能成功的。但仍然讓學生探索,并以此為契機,引發思考,實現教學新目標的達成。

    在進行“鋼條的熱脹冷縮”實驗時,我先分給每一組大頭針、小鐵錘、鋼條、鐵釘、木板等實驗器材,學生總是費了九牛二虎之力還是沒辦法將大頭針釘進木板,力度太輕,釘不進去,稍稍用點力,釘彎了,影響實驗觀察。用鐵釘固定鋼條的步驟也不容易操作。光準備環節往往要花去很長時間,而如果這些工作都由科學老師來做,工作量又非常大。

    實驗過程中,學生用酒精燈對一根長30厘米的鋼條,進行長達10分鐘的加熱,仍然沒有發現大頭針傾斜。甚至酒精燈加熱端的鋼條已經明顯發紅了,可是鋼條靠近大頭針的一端,甚至是鋼鐵的中部,竟然可以直接用手觸摸。因為鋼條的這端,還是常溫狀態,最多是微微發熱。

    可見教材的實驗,是不成功的。大頭針沒發生傾斜,學生沒辦法觀察到明顯的實驗現象,就無法根據實驗現象歸納推理出結論。

    但失敗的實驗更有探究價值,我并沒有就此打住,而是以此為契機,引導學生發現問題,思考分析導致實驗不成功的因素。

    學生經過討論,從已有知識出發,他們認為有以下幾個方面導致實驗失?。?/span>A酒精燈加熱源小,金屬條受熱時間太慢。B金屬條并沒有往大頭針方向膨脹,可能往加熱點的方向膨脹了。C金屬條太長了,所以沒辦法傳熱。

    很顯然,第三點是不正確的推斷,因為金屬的線性膨脹,是和長度有關的,越長,膨脹的長度也越長。而且,金屬是熱的良導體,不存在沒辦法傳熱的問題。但我并沒有直接告訴學生答案,而是給他們兩個星期的時間,要他們以小組為單位,設計解決問題的方案,并進行實踐,再來個實驗設計大比拼。

    三、以小組為單位,協作創新改進實驗

    經過近兩個星期的反復實踐,不斷改進,每個小組都對實驗有了一定的突破。主要有以下幾個創新點:A采用兩個酒精燈對金屬條進行加熱;B將金屬條換成15厘米長的細條;C用固體酒精代替酒精燈進行加熱;D用鋁合金條代替鋼條。

    其中,第三個小組的創新贏得大家的一致贊賞,他們的靈感來源是因為該組中有一個組員家里開餐館的,他常常見到使用加熱架對羊肉煲進行加熱。便想到這個點子了,就直接把加熱架和固體酒精帶來。

    第四個創新點,使實驗現象明顯一些了,同學們能較大角度觀察到大頭針的傾斜,同學們很是驚訝。在該組組員的介紹下,大家方知該組中一個組員的家長是高中教師,他建議孩子們用鋁合金條代替鋼條。原理是:“鋁合金的線性膨脹系數比合金鋼的大”,這是高中才接觸的知識點。這個知識點來得意外,也勾起了同學們探索科學無窮奧秘的興趣。

    但我們可以發現“固定金屬條,保證金屬條熱膨脹方向”這個問題學生沒辦法突破。原因是學生在教材的引導下,陷入了思維定勢??茖W探究并不是一味的放手,當學生遇到思維瓶頸時,需要我們來打破。這時,我引導學生:不一定要用鐵釘進行固定,也不一定要固定住中間。在我的啟發下,學生的思維局限性一下子打開了,根據討論結果的優化,最后一致認為,可以固定住金屬條的加熱端,這樣金屬條如果膨脹,就會往一個方向膨脹了。

    如何固定對學生來說又是一個難題,作為一份子,我及時貢獻力量,建議他們設計一個加熱臺,用擋板固定一端。同時拋出新問題:如何對指針進行放大,使實驗現象更加明顯。引導他們群策群力想出解決辦法。

    在思維火花的碰撞中,一個較為完善的創新改進計劃終于形成了。后來,我又引導學生對實驗器材進行創新,運用“杠桿原理”,對指針進一步完善。并給創新的實驗器材取名“金屬熱脹冷縮實驗儀”。

    四、以STEM教育理念為指導,學科融合解決問題

    根據STEM教育“采用學科的融合,解決問題”的理念。金屬熱脹冷縮實驗儀的設計圖,是由美術學霸畫的;器材的成品是由各組組長負責聯系木工師傅進行制作。

    不僅如此,我還讓他們運用學到的數學知識,完善指示面板的刻度問題;讓語言組織能力較強的同學,撰寫一份實驗儀器說明書;讓其他同學思考,如何優化固體酒精加熱架。又經過一個星期,同學們再次對實驗儀進行完善:

    1.采用茶杯來裝固體酒精,并用文具盒作為加熱槽,可以隨時增加加熱點,操作方便。

    2.利用量角器來度量指針偏移的度數。


    右圖(圖5)就是再次創新改進的

    金屬熱漲冷縮實驗儀。

    ①擋板

    在實驗儀基座一端固定一個擋板,

    解決了金屬條固定難的問題。還能

    滿足不同金屬材料的需求,保證金

    屬熱脹冷縮的方向。

    ②加熱槽

    在加熱口底部設計一個帶蓋的金屬槽,其實就是廢物利用,在文具盒里面可以放置固體酒精杯,不僅使實驗操作更安全,同時能對實驗金屬條進行最大面積進行加熱,大大縮短實驗時間。

    ③指示盤

    由指針加刻度盤加杠桿的組合成的金屬熱脹冷縮指示面板。使實驗現象更明顯,不僅能觀察到熱膨脹現象,還能觀察到金屬冷縮現象。經過改進后的實驗器材,現象非常明顯,一點燃固體酒精,鋁合金條馬上受熱膨脹,指針馬上就向右偏移,僅用一分鐘左右的時間,指針就偏移出指示面板。不僅如此,撤掉火源,在杠桿的作用下,指針就往回縮,讓學生不僅觀察觀察到金屬條的熱漲現象,還能觀察到冷縮現象。整個熱脹冷縮過程明顯清楚,效果非常好。實驗容易操作,適應多種材料;而且實驗儀取材和制作容易,材料都是生活中常見物品,只需簡單加工就可以,無論城市農村均適用,具有普遍性和推廣性。

    總之,基于STEM教育理念的課堂,是充滿生機與活力的??茖W課堂已不是簡單的對科學知識的驗證,更是多種能力的綜合提升。從《金屬熱脹冷縮嗎》這課實例中,我們可以看到隨著“金屬熱脹冷縮實驗儀”一次次創新改進,學生不但學得既定的科學知識,完成了原教材既定的目標,還輕松的突破教材,對金屬熱漲冷縮問題進行更深層次的探索。不僅懂得小組協作的力量,更懂得多方尋求解決問題的方法。在不斷完善儀器的過程中,不但一次次體驗到科學創新帶來的成就感,更是鍛煉了綜合運用學科知識解決問題的能力,培養了學生的科技創新能力。








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