費志明

摘 要：初中科學課堂里，學生思維品質的提升，不僅需要科學地設計教學流程，而且更需要以生為本，轉化教學模式和行為。STEM 視野下的初中科學課堂是非常好的嘗試，它將科學課程工程化、技術化、項目化，是訓練和激活學生思維的有效途徑?？茖W課程中引入項目學習策略，將STEM等多學科知識整合起來；為學生提供了一種學習情境，讓學生主動探索真實的世界，設計真實生活問題的解決方案，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力。

關鍵詞：STEM；課堂；開發(fā)；思維品質

STEM教育現(xiàn)在非常流行，然而國內有關STEM教育的研究還處于起步階段，大多數(shù)研究集中于理論研究，而真正一線的案例、實例研究卻很少。就算有，也基本都是一些有關信息技術、勞技、科學的拓展性課堂；所謂的STEM云教室，大多數(shù)是小創(chuàng)造和小制作的場所。而STEM教育真正在初中科學教學主陣地——課堂上非常少見。為此，開發(fā)一些在STEM視野下的初中科學課堂的實踐案例，真正提高學生思維品質，顯得尤為重要。

一、科學課堂工程化[1]

STEM視野下的科學課堂設計要遵循科學課程目標對培養(yǎng)學生綜合性科學素養(yǎng)的要求，體現(xiàn)對STEM學科的整合?？茖W課堂工程化的目的是科學知識通過工程設計來改善生活，要充分發(fā)揮工程在課程整合中的作用，利用工程設計整合課程內容產(chǎn)生具體的項目，形成以問題為導向的課程。STEM視野下的科學課堂設計中利用工程設計方法把科學課程中需要學生掌握的科學知識和方法集合成了具體的項目，通過解決核心問題的活動使學生經(jīng)歷科學探究以及工程設計過程，給學生呈現(xiàn)的課程任務是需要執(zhí)行產(chǎn)生最終產(chǎn)品的一個或多個任務，產(chǎn)品可以是一個問題方案、一個模型、一個設備。

例1 光的反射

挪威峽谷小鎮(zhèn)（尤坎）長年沒有陽光照射。2013年11月，靠三面巨鏡，首次沐浴冬季陽光。沐浴在陽光下……小鎮(zhèn)人們歡心喜悅！

那么，我們如何來放置圖1所示的這三面巨鏡，這三面巨鏡對光的反射有什么規(guī)律呢？

我們提供一個真實的情境，讓學生自己去尋找內在的規(guī)律，這里需要用到技術和數(shù)學等內容，并且從中得到科學原理（光的反射定律，如圖2），這里需要用到科學知識；然后讓學生歸納出光的反射定律有哪些特點；最后應用實際：如何安裝這三面巨鏡，這里就需要用到工程方面的知識；最后進行反思改進：如何避免光污染？如何在白天每時每刻照射到陽光？……實際問題進行改進。

課堂的主要線索是：現(xiàn)象（情境）——規(guī)律（技術、數(shù)學）——原理（科學）——特點（科學）——應用（工程）——反思（技術、工程）。

通過這樣的課堂呈現(xiàn)可以讓學生在不知不覺中將《光的反射》的知識真正內化：光在一些物體表面可以發(fā)生反射；光的反射定律、法線、入射光線、反射光線、入射角和反射角的含義；什么是鏡面反射，什么是漫反射。

這樣基于真實情境、具體問題的引入方式，一方面能夠引起學生對課程內容的興趣，同時提高學生的科學素養(yǎng)，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力。STEM教育理念非常重視學生對自己研究成果的展現(xiàn)，但是這種展示不是單純地對研究成果的展示，而是將自己研究的思路和研究過程展示出來，同時也是學生邏輯思維能力、語言組織能力、自信心等綜合素養(yǎng)的體現(xiàn)。因此，STEM教育回歸了科學教育的本質——探索和發(fā)現(xiàn)世界的過程。凝結在STEM課堂中的精髓就是，在復雜的學習情境中培養(yǎng)學生的設計能力與問題解決能力。STEM教育是基于問題、設計和項目的學習與操作過程。在這樣的過程中，核心概念被活學活用，從而在學生腦中進行強化，深入潛意識，為創(chuàng)新提供了直覺基礎。

二、科學課堂技術化

《初中科學課程標準》（2011年版）明確指出，科學課堂技術化是現(xiàn)在科學課堂的主流趨勢。技術是人們根據(jù)一定的工藝知識、技術期望、工具儀器設備、能源和材料去進行的社會實踐活動。

技術素養(yǎng)是科學素養(yǎng)的重要組成部分，它是指人們對技術的性質及歷史的了解，具備技術的基本動手能力，以及能夠嚴謹?shù)厮伎加嘘P技術發(fā)展問題的習慣。

了解技術設計的過程和環(huán)節(jié)，并具有初步的技術設計能力，是學生具有技術素養(yǎng)的一個重要方面。技術設計能力是技術創(chuàng)新和實踐能力的重要組成部分，為了給21世紀提供技術創(chuàng)新型的人才支撐，必須注重從義務教育階段開始培養(yǎng)學生的技術設計能力[2]。

例2 滑動變阻器

我是小小設計師：

出示臺燈，調節(jié)亮度開關，讓學生感受燈光的變化，為什么調節(jié)開關時，燈泡的亮度發(fā)生變化呢？同學們能否設計一個可以調節(jié)燈的明暗的電路呢？

影響電阻大小因素：導體的長度、橫截面積（粗細）和材料。那么最簡便的改變電阻的的方法是什么？改變長度。

動手實驗：將2節(jié)干電池、電流表、小燈泡、開關、導線、電阻絲連接成串聯(lián)電路，如圖3，嘗試改變小燈泡亮度的方法。

師：這個直線式變阻器有何缺點？

生：合金線太長，使用不方便。

師：你想一想如何改正存在的缺點？

生：可以把較長的合金線纏繞起來（如圖4）。

師：對繞合金線所選物體的材料有什么要求？圖5的兩種材料中你認為哪個好，為什么？

生：陶瓷筒，因為陶瓷筒是絕緣體。

師：圖6和圖7兩種不同的繞法，你會選哪一種？為什么？

師：緊密繞法會使合金線之間相碰而短路？如何解決？

生：使用漆包線（合金線外面涂上漆，絕緣）。

師：如何解決滑片與漆包線之間的接觸？

生：與滑片接觸的漆包線把表面的漆去除，如圖8。

經(jīng)過我們的改正，制成了使用比較方便的變阻器。用很長的漆包合金絲纏繞在陶瓷圓筒上后，用改變滑片接入點的方法來調節(jié)電阻。標準的元件圖如圖9。

本案例通過讓學生成為小小設計師，設計調光臺燈的開關。拋給學生一個個需要解決的問題，讓學生利用科學知識、工程知識、技術知識解決問題，問題一個個的深入。這正如杜威所認為的，思維起于直接經(jīng)驗得到的疑難和問題，而思維的功能“在于將經(jīng)驗得到的模糊、疑難、矛盾和某種紛亂的情境，轉化為清晰、連貫、確定和和諧的情境”，在于“把困難克服，疑慮解除，問題解答”[3]。

三、科學課堂項目化

項目學習（PBL）是通過項目來讓學生進行融入情境之中的學習體驗，項目完成時通過作品的制作展示來體現(xiàn)其學習成果。

科學課堂項目化不是一定要完整地將項目學習（PBL）全過程展示出來，而是利用其對學生教學過程中的特點與意義，取其一部分適合初中科學教學內容、符合初中生特點展示的一種教學行為[4]。

例3 核能的和平利用——設計核電站

師：核電站是和平利用核能，那如何使不可控制的核反應，設計成可控的？

生：利用一個控制棒，讓核反應變得可控，慢慢釋放能量。

師：那你估計這個控制棒應該具有什么特點？提示：從鏈式裂變反應可知，中子就像“點燃”核燃料的火柴著手思考。

生：吸收大部分中子。

師：這個可控的核反應叫核反應堆，那么如何設計一個核電站呢？從能量轉化角度來設計。

生：核能→電能。

師：在目前的技術水平，核能能不直接電能？顯然不行，那電是如何產(chǎn)生的？

生：電磁感應，機械能產(chǎn)生電能。

師：那如何讓核能→機械能？核反應時最大的能量是什么？

生：核反應時最大的能量是熱能。

師：現(xiàn)在哪個同學能不能幫老師總結一下，如何使核能→電能？

生：核能→熱能→機械能→電能。

師：很好，那么在這些轉化過程中，分別需要哪些機器、設備呢？

生： ？

師：核能→熱能，什么設備？熱能→機械能，什么設備？機械能→電能，什么設備？

生：核能→熱能：核反應堆，熱能→機械能：汽輪機，機械能→電能：發(fā)電機。

師：現(xiàn)在設備已經(jīng)都有了，那么如何設計一個既高效又安全的核電站呢？因為核反應時會有大量的核輻射，這些核輻射對人體有極大的危害。

生：設計一個保護罩。

師：這個保護結構，應該具備哪些要求？

生：能阻擋核輻射？能阻擋一定量的核泄露。

師：在同學們的設計一下，一個核電站基本能夠正常工作了。現(xiàn)在我展示一下“核電站”的示意圖，看看和同學們設計的是否一致？如果有不一樣的地方，我們將如何進一步修正、完善？

師：展示“核電站”的示意圖（如圖10）。在核電站中，水起了哪些作用？

生：？

師：在熱能→機械能：汽輪機中，水起了哪些作用？在冷凝器中，水起了哪些作用？

生：在熱能→機械能：汽輪機中，水作為能量轉化的介質。在冷凝器中，水作為冷卻劑。

師：從這個示意圖，可以看出同學們的設計水平，有了非常高的水準了。那么為什么核電站要建造在海邊？

生：從示意圖中可以看出，核電站需要大量的水體，進行水循環(huán)。

本案例讓學生從示意圖中歸納出核電站的工作原理：核能→熱能→機械能→電能。讓他們從能量的角度一步步地思考能量的轉化過程。然后，再利用能量的轉化，設計需要的機器、設備，再將這些機器、設備整合成一個核電站。最后出示真正的“核電站示意圖”，讓學生將自己設計的核電站和真正的核電站進行對比，反思還需要哪些改正和修復，進行進一步完善。讓學生覺得這樣高科技的核電站，自己也能夠利用所學知識進行設計，在設計中不斷克服一個個困難，解決一個個問題。其實，高科技離我們是如此的近，高科技并不神秘。這樣STEM視野下的科學課堂，更能夠提高學生的思維品質，培養(yǎng)學生的實踐能力，提高學生解決實際問題的能力，最終培養(yǎng)學生的科學核心素養(yǎng)。

總之，我們應該更新教師的教學觀念，通過新理論學習，讓教師確立以生為本理念，轉變教學行為。將新穎的教學模式、教學手段引入我們的課堂。也就是在我們的科學課堂中引入基于建構主義學習理論，通過PBL學習策略，將STEM等多學科知識整合起來；為學生提供了一種學習情境，讓學生主動探索真實的世界，設計真實生活問題的解決方案，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和實踐能力；采用多元化的評價，從而充分發(fā)揮創(chuàng)新的才能；使學生充分接觸與工程相關的科學和技術；使學生能夠將課堂和真實的世界聯(lián)系起來。在這樣的STEM視野下，開展初中科學課堂學習，為真正提高學生的思維品質打開了另一扇窗。

參考文獻：

[1]李揚. STEM教育視野下的科學課程構建[D] .金華：浙江師范大學，2014：64-65.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育初中科學課程標準（2011版）[M]. 北京：北京師范大學出版社，2012：49.

[3]焦陽.初中科學教學中思維品質的培養(yǎng)[D].大連：遼寧師范大學，2007：4-5.

[4]章晶晶. PBL的中學科學課堂教學設計研究[D].長春：東北師范大學，2010：6-17.