一個(gè)有趣的STEM活動(dòng)

1、一個(gè)有趣的STEM活動(dòng)；消滅聲音作者：周計(jì)/省市一中實(shí)驗(yàn)學(xué)校科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)之間存在著一種相互支撐、相互補(bǔ)充、共同發(fā)展的關(guān)系。如果 要了解它們，尤其是它們之間的關(guān)系，就不能獨(dú)立其中任何一個(gè)部分，只有在交互中，在相 互的碰撞中，才能實(shí)現(xiàn)深層次的學(xué)習(xí)、理解性的學(xué)習(xí)，也才能真正培養(yǎng)兒童各個(gè)方面的技能 和認(rèn)識(shí)。但在實(shí)踐層面，中小學(xué)教師對(duì)于如何將數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)融入科學(xué)課堂，還沒(méi)有完 整的思路和有效的教學(xué)手段。我在一中實(shí)驗(yàn)學(xué)校教研組和學(xué)校物理組的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)本節(jié)消 滅聲音，探索STEM教育理念在中學(xué)階段的具體實(shí)踐方法。設(shè)計(jì)思路為何“消滅聲音聲音是我們生活中非常?！耙?jiàn)的事物，我們每天要接收非常多的聲

2、音訊息。但有的聲 音是美妙的，有效的；而有一些確實(shí)讓人煩擾的。而由此，消音裝置應(yīng)運(yùn)而生。這些消音裝 置在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中很不起眼，但是卻十分重要的裝置。汽車(chē)、摩托車(chē)、電腦、門(mén)窗 等等都有他們的身影。這節(jié)課，我們將一起“觀察，聲音，并研究如何消除噪音。本課程中制作隔音的方法是將硼砂溶液加入含聚乙烯醇的透明膠水中（注：聚乙烯 醇（PVA）和硼砂可以安全觸摸，但不可食用，使用時(shí)需注意），稍作攪拌，可以快速獲得 一種彈性物質(zhì)，該彈性物質(zhì)經(jīng)過(guò)塑形，便可以得到彈球。從STEM教育的角度，彈球的制作 過(guò)程不僅包含“物質(zhì)的改變導(dǎo)致其特性也改變的科學(xué)原理，高度測(cè)量和數(shù)據(jù)處理等數(shù)學(xué)方 法，還包含了如何改善彈球

3、性能、優(yōu)化制作工藝等工程技術(shù)問(wèn)題。因此，這是1節(jié)整合了 4 大領(lǐng)域的典型的STEM課程。此外，本課程符合STEM課程的特征一一學(xué)習(xí)情境的生活性和真實(shí)性3。學(xué)生從現(xiàn)實(shí)生 活中尋找素材，用常見(jiàn)的塑料泡沫，收納盒，報(bào)紙，塑料袋，棉花等等通過(guò)動(dòng)手做探究彈， 解決生活情境中如何控制噪聲的實(shí)際問(wèn)題。這種方式使本課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，有利于學(xué) 生對(duì)STEM學(xué)科的綜合性學(xué)習(xí)。如何“做彈球”確定做彈球的主題后，為了提供具有挑戰(zhàn)性且與學(xué)習(xí)者相關(guān)的STEM學(xué)習(xí)容，我設(shè)計(jì)了 多元化的學(xué)習(xí)情境和交互式的活動(dòng)流程。課堂中，我要求學(xué)生以小組為單位，各自扮演彈球 工廠的角色，參與完整的做彈球過(guò)程。教學(xué)流程圖見(jiàn)圖1。制訂教學(xué)目

4、標(biāo)時(shí)，為了體現(xiàn)STEM課程涉及的4個(gè)維度，我并未使用中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn) 中的三維目標(biāo)：知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度價(jià)值觀，而是圍繞本課主題，站在學(xué)生 的角度，分別制訂了各個(gè)領(lǐng)域具體且有針對(duì)性的教學(xué)目標(biāo)。S （科學(xué)）：學(xué)生知道硼砂溶液和含聚乙烯醇的膠水混合可以得到一種具有黏性的彈性 物質(zhì)；知道原料配比不同，混合后所得產(chǎn)物的特性（黏性、可塑性、彈性等）不同。T （技術(shù)）：學(xué)生知道制作彈球的工序和塑形工藝，能夠制作彈球并測(cè)量其反彈高度。E （工程）：學(xué)生能夠設(shè)計(jì)方案一一通過(guò)選擇不同的原料配比等一一解決如何使球彈得 更高的問(wèn)題。M （數(shù)學(xué)）：學(xué)生能夠確定和控制變量，進(jìn)行原料用量和比例的換算，能夠利用

5、圖表呈 現(xiàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析和解釋。實(shí)踐情況基于以上設(shè)計(jì)思路，我挑選了 16名5年級(jí)學(xué)生參加了本次公開(kāi)課。視頻引入：聚焦問(wèn)題，提出任務(wù)本節(jié)課開(kāi)始時(shí)，我拿出1個(gè)彈球在手中把玩，吸引了學(xué)生的興趣。通過(guò)播放1段視頻， 我將焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向了彈球制造工廠最近遇到的問(wèn)題。該視頻中，工廠的工程師拿出了 1封小朋友 的來(lái)信，信中提到了1個(gè)新的彈球配方，他們希望得知其可行性（見(jiàn)圖2）?！吧a(chǎn)彈球的玩具工廠現(xiàn)在面臨的是1個(gè)什么問(wèn)題？ ”我通過(guò)這樣的提問(wèn)來(lái)確認(rèn)學(xué)生觀 看視頻后是否已經(jīng)了解了需要解決的問(wèn)題。在引導(dǎo)學(xué)生對(duì)新配方的可行性進(jìn)行預(yù)測(cè)之后，我 進(jìn)而啟發(fā)學(xué)生自己提出本節(jié)課的第1個(gè)任務(wù)一一試做1個(gè)彈球來(lái)驗(yàn)證新配方的可行性。

6、筆者發(fā)現(xiàn)，以彈球搭建生活與工業(yè)情境的橋梁，以視頻為呈現(xiàn)手段，學(xué)生能自然地進(jìn)入 本課主題。試做：初探彈球配方可行性學(xué)生從視頻中得知了制作彈球的2種原料，但對(duì)如何操作是毫無(wú)頭緒的。我通過(guò)詢問(wèn)“對(duì) 于制作彈球，你有沒(méi)有什么問(wèn)題？引導(dǎo)學(xué)生提出并探討相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，在互動(dòng)討論中明確 彈球的制作流程。課前，我預(yù)計(jì)的理想情況是，學(xué)生按順序提出以下3個(gè)方面的問(wèn)題：原料的用量； 制作的步驟；塑形的方法。但在課堂中，學(xué)生的提問(wèn)是無(wú)序的。一名學(xué)生首先提出了“如 何做成球的樣子？我隨之引導(dǎo)該學(xué)生：“你提了一個(gè)很好的技術(shù)問(wèn)題，不過(guò)加工球的形狀 之前，我們是不是還有其他的步驟？還能給我們一些建議嗎？通過(guò)這樣的方式，學(xué)生最后

7、 都能按照確定變量一原料用量一制球步驟一塑形方法的邏輯順序進(jìn)行思考，并明確了彈球的 制作流程：量?。ㄒ?jiàn)圖3）一混合一攪拌（見(jiàn)圖4）一撈取一壓實(shí)一揉搓（見(jiàn)圖5）一搖圓 （工具如圖6所示）。在原料的用量方面，對(duì)于5年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)，研究多重變量的問(wèn)題是較為困難的。由于膠 水的體積直接影響到彈球的大小，為了便于探究和減少球的尺寸對(duì)結(jié)果的影響，膠水的用量 最好是固定的。因此，我組織學(xué)生進(jìn)行了討論，讓他們確定了膠水的用量，固定為10毫升。 這樣，在每次實(shí)驗(yàn)中，各個(gè)小組只需要商量決定硼砂溶液的加入量。在巡視中，我發(fā)現(xiàn)有些小組制作的彈球不夠圓，導(dǎo)致球的反彈方向不垂直于桌面。因此， 我挑選了制作效果較好的1組學(xué)生

8、向全班分享他們的制作要領(lǐng)，并在測(cè)試裝置中演示如何測(cè) 量彈球第1次反彈的高度（見(jiàn)圖7）。在演示中，該小組遇到了球反彈時(shí)撞到測(cè)試裝置壁和 球開(kāi)裂的情況，我借此引導(dǎo)學(xué)生探討了提高測(cè)量結(jié)果科學(xué)性的方法。通過(guò)討論，學(xué)生最終了 解到，要獲得準(zhǔn)確、科學(xué)的彈球反彈高度數(shù)據(jù)，不僅要遵循測(cè)量過(guò)程的公平性原則，還需要 小組成員相互配合，多次測(cè)量求平均值，并剔除某些無(wú)效數(shù)據(jù)。以上交流和互動(dòng)保證了每個(gè) 組最終所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。改進(jìn)：產(chǎn)品的完善“如果你們?nèi)ベI(mǎi)彈球，想買(mǎi)什么樣的？ ”多數(shù)學(xué)生回答想買(mǎi)能彈得更高的球。通過(guò)詢問(wèn) 這樣的問(wèn)題，能夠自然地將學(xué)生引入優(yōu)化彈球配方、完善產(chǎn)品的環(huán)節(jié)。學(xué)生不再滿足于做1 個(gè)彈球，而對(duì)如何完

9、善彈球的性能產(chǎn)生了極大的興趣。本環(huán)節(jié)中，我與學(xué)生進(jìn)行了如下約定： 每個(gè)小組在記錄上1組測(cè)試結(jié)果，并確定下1組硼砂溶液用量之后，才能領(lǐng)取1份10毫升 的膠水進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。這種約定一方面能夠確保學(xué)生每次制定的用量都基于對(duì)前幾次數(shù)據(jù)的 分析；另一方面，使學(xué)生能夠及時(shí)歸納出數(shù)據(jù)的大致規(guī)律。我欣喜地發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)此任務(wù)樂(lè) 此不疲，看到自己不斷調(diào)整的方案使彈球的性能逐漸發(fā)生改變，他們都獲得了巨大的成就感。深化和延續(xù)：分析總結(jié)解決問(wèn)題的方法給學(xué)生時(shí)間去交流他們的想法和觀察，是本節(jié)課的基本元素?！坝^察一下各個(gè)組硼砂溶 液的加入量，大家有什么發(fā)現(xiàn)？ ”制作過(guò)程結(jié)束后，我首先從全班的角度引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)。 學(xué)生通過(guò)

10、討論發(fā)現(xiàn)：各個(gè)組硼砂溶液的加入量均不大，在40毫升以；原料用量相同的 情況下，不同小組制作的彈球反彈高度存在差異。對(duì)于后者，學(xué)生非常感興趣?！耙?yàn)槲覀?攪拌得不一樣快！” “因?yàn)槲覀兇昵虼甑帽人麄兙?！?“我們的球更圓！學(xué)生們紛紛發(fā)表 他們的看法，仿佛在開(kāi)展一場(chǎng)辯論。接著，從每個(gè)組的角度，我繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)他們的記錄單回顧各自的思維過(guò)程。我注 意到第3組前面2次的硼砂溶液用量差別很大，隨之讓他們分享了改進(jìn)過(guò)程中的想法。該組 的1名學(xué)生說(shuō)道：“我們做完20毫升的實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)彈跳高度不夠高，覺(jué)得肯定是硼砂溶 液加多了，想試試硼砂溶液減少之后會(huì)怎么樣，結(jié)果還是彈得不高，只能又增加硼砂溶液， 發(fā)現(xiàn)彈球

11、高度提高了，所以又稍微增加了 一點(diǎn)硼砂溶液的用量”。其他組（如第4組）有類 似考慮的學(xué)生表示了贊同。以上分析數(shù)據(jù)的過(guò)程一方面能夠增強(qiáng)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的敏感度，另一方面能夠培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn) 題求解能力、決策力和批判性思維能力等高階思維4。此外，在學(xué)生分享的收獲與思考中， 我很欣喜地看到有一部分學(xué)生提到了彈球靜置時(shí)間對(duì)反彈高度的影響。這意味著，學(xué)生對(duì)彈 球性能的持久性和穩(wěn)定性有了初步的關(guān)注?；趯W(xué)生的以上反饋，我鼓勵(lì)他們抓住這些線索， 在課后進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以獲得對(duì)影響彈球性能因素的更完整的認(rèn)識(shí)。反思本課中，我通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)踐STEM教育理念，但在實(shí)踐過(guò)程中，還發(fā)現(xiàn)了許多不足 之處。受容難度和課堂時(shí)間的

12、限制，本活動(dòng)的開(kāi)放性不夠?；顒?dòng)過(guò)程以教師引導(dǎo)為主，對(duì)學(xué)生 自主探究能力的培養(yǎng)沒(méi)有體現(xiàn)，如沒(méi)有讓學(xué)生自主探究 做彈球的流程。今后可以給學(xué)生 1周或更多的時(shí)間在家中完成類似的實(shí)驗(yàn)。本活動(dòng)的研究容主要圍繞彈球原料的配比，拓展性不夠。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生萌生的很多 想法沒(méi)有機(jī)會(huì)實(shí)踐，如沒(méi)有讓學(xué)生探究彈球性能與時(shí)間的關(guān)系，添加色素制作各種顏色的彈 球等。小學(xué)科學(xué)課程對(duì)學(xué)生工程技術(shù)素養(yǎng)的關(guān)注不夠。在實(shí)踐中，主要體現(xiàn)在我校學(xué)生在解決 問(wèn)題能力和動(dòng)手能力方面的欠缺上，如部分學(xué)生對(duì)制作彈 球過(guò)程中使用的工具和儀器感 到陌生，甚至無(wú)從下手。今后要注重開(kāi)發(fā)更豐富的STEM課程，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)?？偨Y(jié)按照教學(xué)設(shè)計(jì)，本課

13、中我不僅完成了預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)，還充分體現(xiàn)7STEM教育理念。S （科學(xué)）做彈球活動(dòng)中涉及的科學(xué)原理為：硼砂與主體成分為聚乙烯醇（PVA）的透明膠水發(fā)生 化學(xué)反應(yīng)，使聚乙烯醇分子發(fā)生交聯(lián)（反應(yīng)式），形成具有彈性的黏土狀聚合物。硼砂和膠 水的配比不同，得到的交聯(lián)聚合物的交聯(lián)度（緊密度）也不同，隨之呈現(xiàn)不同的性狀，如不 同的可塑性、彈性等。從學(xué)生的角度，要在小學(xué)階段理解微觀分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)較為困難，但學(xué)生能夠建立 彈球性能與原料配比之間的關(guān)系。從科學(xué)的角度，科學(xué)的目標(biāo)就是找到與一系列現(xiàn)象相關(guān)的單一、連貫并且綜合的理論， 不管其是否可以直接應(yīng)用于實(shí)踐，形成解釋本身就是一種成功。學(xué)生按照教學(xué)設(shè)計(jì)中的4

14、 個(gè)環(huán)節(jié)，最后對(duì)“相同原料配比的彈球反彈高度不同”這一現(xiàn)象形成了自己的解釋。T （技術(shù)）在活動(dòng)中，每個(gè)小組都扮演了獨(dú)立的彈球制作工廠的角色。從工廠生產(chǎn)的角度，每個(gè)步 驟都是技術(shù)的體現(xiàn)。學(xué)生在制作彈球前面臨這些問(wèn)題：已知的2種物料用量各為多少？要用 到哪些工具？先做哪一步？對(duì)以上問(wèn)題的思考能夠培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。E（工程）利用精心設(shè)計(jì)的工業(yè)情境一一“來(lái)自玩具工廠Dr. Lee的1封任務(wù)信，聯(lián)系生活，以 學(xué)生熟悉的彈球?yàn)榧~帶，讓他們解決的第1個(gè)問(wèn)題是“玩具工廠收到的彈球新配方是否可行 的實(shí)際問(wèn)題，隨后的第2個(gè)問(wèn)題是“能不能做出彈得更高的彈球產(chǎn)品”。這種進(jìn)階式的問(wèn)題 體現(xiàn)了工程學(xué)中從明確問(wèn)題到制訂方案，最后測(cè)試和優(yōu)化改進(jìn)的系統(tǒng)性步驟。M （數(shù)學(xué)）STEM教育理念中，數(shù)學(xué)素養(yǎng)指學(xué)生在發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解釋和解決多種情境下的數(shù)學(xué)問(wèn)題 時(shí)進(jìn)行分析、推斷和有效交流思想的能力。做彈球活動(dòng)中數(shù)學(xué)作為一種輔助工具，體現(xiàn)在學(xué) 生記錄測(cè)試數(shù)據(jù)、求平均值，以及分析數(shù)據(jù)、制訂新配比等過(guò)程中。不僅培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)學(xué) 素養(yǎng)，還加深了學(xué)生對(duì)科學(xué)概念和科學(xué)探究的理解，促進(jìn)了工程問(wèn)題的解決。來(lái)