蔡呈騰
摘 要:初中科學(xué)課程中部分內(nèi)容適合基于STEM教育理念應(yīng)用“四線五階”來(lái)建構(gòu)科學(xué)模型學(xué)習(xí).“電磁繼電器”的學(xué)習(xí)就是以建構(gòu)“熱水壺防干燒裝置”為項(xiàng)目學(xué)習(xí)的任務(wù)展開(kāi)的.此學(xué)習(xí)先要對(duì)STEM教育理念下的建構(gòu)模型課程內(nèi)容進(jìn)行整合,補(bǔ)足工程設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用的內(nèi)容;其次要確定情境、問(wèn)題、活動(dòng)和目標(biāo)“四線”,并設(shè)置“呈現(xiàn)產(chǎn)品,感知模型”“功能倒推,假設(shè)模型”“解釋評(píng)價(jià),建構(gòu)模型”“實(shí)踐拓展,完善模型”“開(kāi)發(fā)制作,評(píng)價(jià)模型”五階,明確“裝置功能”這個(gè)核心進(jìn)階變量,從而建構(gòu)“防干燒裝置”.
關(guān)鍵詞:STEM;四線五階;科學(xué)建模;電磁繼電器
文章編號(hào):1008-4134(2020)12-0021中圖分類號(hào):G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
STEM教育具有綜合性和跨學(xué)科的特點(diǎn),這些特點(diǎn)使得在教學(xué)中,常常運(yùn)用現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)存在的情景來(lái)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題,此時(shí)就創(chuàng)造了所謂的“大挑戰(zhàn)”[1-2].這里的“大挑戰(zhàn)”,不僅針對(duì)教師的教學(xué),更有學(xué)生的學(xué)習(xí).STEM教育理念下的課堂學(xué)習(xí),已經(jīng)打破原有固定區(qū)域束縛,走向真實(shí)世界.這種狀況會(huì)給STEM教育戴上“雄心勃勃”的帽子,但并不是不可行,因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等跨學(xué)科的方式為真實(shí)生活中的問(wèn)題(可以是個(gè)人的、社會(huì)的、國(guó)家的甚至全球性的)提供解決方案.STEM教育課程中的學(xué)生不再是課堂被動(dòng)接受知識(shí)者,而是主動(dòng)利用STEM課程中的知識(shí),培養(yǎng)思維和解決問(wèn)題的綜合能力.當(dāng)然,這種“大挑戰(zhàn)”的可能性,是建立在已有成功解決復(fù)雜問(wèn)題實(shí)踐案例的基礎(chǔ)上,再開(kāi)發(fā)創(chuàng)新出更多更新的解決問(wèn)題的策略.
浙教版初中科學(xué)教材中有許多內(nèi)容可拓展為STEM課程內(nèi)容.其中,浙教版《科學(xué)》(八年級(jí)下冊(cè))第1章第3節(jié)“電磁鐵的應(yīng)用”就是其中的代表,特別是這節(jié)內(nèi)容中的電磁繼電器,可融合科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)等開(kāi)發(fā)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)課程,解決真實(shí)問(wèn)題.
與教材中內(nèi)容僅僅用科學(xué)知識(shí)解釋電磁繼電器工作原理不同,基于STEM教育理論的學(xué)習(xí),就是利用現(xiàn)實(shí)生活中使用電磁鐵達(dá)到一定的功能(如電水壺中水過(guò)少時(shí)的“防干燒裝置”)開(kāi)展跨學(xué)科學(xué)習(xí).使學(xué)習(xí)者進(jìn)入到真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、產(chǎn)生問(wèn)題、整合綜合學(xué)科知識(shí),從而解決問(wèn)題.整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程沒(méi)有固定的思維路徑和明確的解決問(wèn)題策略,需要學(xué)生在分工協(xié)作下,通過(guò)交流與合作進(jìn)行深度學(xué)習(xí),培養(yǎng)批判性能力和創(chuàng)新能力.
1 STEM教育理念下的科學(xué)建模課程內(nèi)容整合
本文倡導(dǎo)STEM教育理念下科學(xué)建模的課程開(kāi)發(fā),并非是構(gòu)建一門(mén)全新的STEM課程,而是在初中科學(xué)學(xué)科(國(guó)家基礎(chǔ)課程)中選擇特定的教學(xué)內(nèi)容(如電磁鐵的應(yīng)用),結(jié)合STEM教育理念開(kāi)發(fā)課例,是初中科學(xué)國(guó)家課程實(shí)施的創(chuàng)新與補(bǔ)充.基于這樣的課程實(shí)施特性,課程不是以外顯的物化成果為目的,而是以內(nèi)化的知識(shí)內(nèi)容作為手段獲得多元知識(shí),更好地為實(shí)踐初中科學(xué)教育服務(wù).
浙教版《科學(xué)》(八年級(jí)下冊(cè))第1章第3節(jié)“電磁鐵的應(yīng)用”之一就是電磁繼電器.教材先介紹電磁繼電器的功能,并通過(guò)圖1來(lái)介紹電磁繼電器的工作原理.隨后,設(shè)置一個(gè)“活動(dòng)”,先讓學(xué)生觀察電磁繼電器;再把電磁繼電器接入電路,觀察其工作時(shí)觸點(diǎn)相連情況;隨后連接有小燈泡的工作電路,觀察繼電器控制小燈泡的亮與滅;然后以連接電路圖的辦法解釋水位自動(dòng)報(bào)警器的工作原理.最后,以“思考與討論”的方式解釋電鈴的工作原理.
顯然,教材安排的所有內(nèi)容都是在理解和解釋電磁繼電器工作原理的層面上,缺乏培養(yǎng)學(xué)生交流、合作、創(chuàng)新和批判思維與問(wèn)題解決能力(簡(jiǎn)稱“4C”能力)的平臺(tái).STEM教育理念下的科學(xué)建構(gòu)在解決科學(xué)問(wèn)題的同時(shí),突出工程和技術(shù)教育,并應(yīng)用數(shù)學(xué),正好是培養(yǎng)學(xué)生“4C”能力最好的平臺(tái).同時(shí)結(jié)合工程、技術(shù)和數(shù)學(xué)的科學(xué)探究的深化學(xué)習(xí),通過(guò)科學(xué)建構(gòu)的方式來(lái)解釋和預(yù)測(cè)自然(人工)現(xiàn)象.具體課程內(nèi)容整合目標(biāo)見(jiàn)表1.
具體說(shuō)來(lái),“防干燒裝置”的STEM學(xué)科整合,科學(xué)方面主要在于整個(gè)裝置從“無(wú)”到“有”建構(gòu)過(guò)程的電磁繼電器科學(xué)原理的解釋與應(yīng)用;工程方面主要是針對(duì)“防干燒”的功能進(jìn)行工程設(shè)計(jì);技術(shù)方面主要是將工程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為技術(shù)產(chǎn)品;而數(shù)學(xué)方面是保證“防干燒”功能能夠?qū)崿F(xiàn)的數(shù)學(xué)應(yīng)用.此外,課程的整合還包括解決問(wèn)題的方法與教師資源的整合.產(chǎn)品最終的制作完成,是在現(xiàn)實(shí)需求的基礎(chǔ)上,按照“需求”逐步構(gòu)建.大致流程如圖2所示.
2 STEM教育理念下的科學(xué)建模學(xué)習(xí)進(jìn)階
STEM教育理念下,科學(xué)建模最大的特征是解決一個(gè)由困難、需求或期望所引發(fā)的問(wèn)題或任務(wù),屬于項(xiàng)目式學(xué)習(xí).組織學(xué)生開(kāi)展STEM教育理念下的科學(xué)建構(gòu)的目的是了解科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)是如何被用于解決工程實(shí)踐問(wèn)題的,而一個(gè)成功的解決方案應(yīng)當(dāng)達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)和面臨一定的限制條件[3].項(xiàng)目式學(xué)習(xí)需要通過(guò)工程實(shí)踐達(dá)成提高學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的學(xué)習(xí)目標(biāo),其中包括科學(xué)建模、基于證據(jù)的論證、符合邏輯的推理等思維能力的培養(yǎng);通過(guò)科學(xué)建模能解決現(xiàn)實(shí)實(shí)踐模型體系上存在的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)問(wèn)題解決的可能性方案作出回應(yīng);項(xiàng)目式學(xué)習(xí)最大的特征是在科學(xué)范疇內(nèi)使用模型,并通過(guò)解釋與預(yù)測(cè)超越已知模型范疇的新問(wèn)題和新任務(wù),從而使解決新問(wèn)題和新任務(wù)成為可能.此外,項(xiàng)目式學(xué)習(xí)能對(duì)多個(gè)學(xué)習(xí)領(lǐng)域中體現(xiàn)的問(wèn)題和結(jié)果尋求最佳的平穩(wěn)方案,選擇最優(yōu)化的解決問(wèn)題的路徑.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)總體是基于深度學(xué)習(xí),需要滿足諸如產(chǎn)品是否達(dá)到預(yù)期功能、技術(shù)的可行性、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的成本、產(chǎn)品的安全性能、產(chǎn)品的藝術(shù)特性等多方面的標(biāo)準(zhǔn)和條件,這就需要課堂中結(jié)合學(xué)習(xí)進(jìn)階理論,設(shè)計(jì)從“無(wú)”到“有”、從“共性”到“個(gè)性”的學(xué)習(xí)進(jìn)階過(guò)程.
STEM教育理念下的科學(xué)建模,其最關(guān)鍵的實(shí)踐操作要點(diǎn)是尋找并確定認(rèn)知發(fā)展過(guò)程中不同思維層級(jí)水平的“立足點(diǎn)”,即“階”.基于認(rèn)知心理學(xué)對(duì)科學(xué)建模的要素分析,核心的進(jìn)階變量是科學(xué)模型的“功能”.構(gòu)建科學(xué)模型的“五階”教學(xué)流程,是從產(chǎn)品符合“特定需求”的功能出發(fā),形成初步的假設(shè)模型;再通過(guò)假設(shè)、推理和論證等復(fù)雜的認(rèn)知行為,對(duì)科學(xué)模型進(jìn)行修正,形成科學(xué)模型再進(jìn)行修正;最終利用科學(xué)模型解釋、開(kāi)發(fā)滿足新問(wèn)題和新要求的新模型.整個(gè)過(guò)程是融合STEM教育理念的主動(dòng)內(nèi)在心智行為過(guò)程.分5個(gè)層級(jí),即5個(gè)階,如圖3所示.
3 STEM教育理念下的科學(xué)建模四條主線
科學(xué)建模是基于STEM教育理念下多門(mén)學(xué)科、多種能力相互聯(lián)動(dòng),這不僅僅是指知識(shí)本身由淺入深的線性發(fā)展過(guò)程,還是能力水平不斷進(jìn)階提升的過(guò)程,更是學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的整個(gè)素養(yǎng)發(fā)展提升的過(guò)程.在此過(guò)程中需要真實(shí)STEM教學(xué)情境設(shè)置,需要核心問(wèn)題推動(dòng),需要體驗(yàn)活動(dòng)演進(jìn),還需要關(guān)于學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)置.情境、問(wèn)題、活動(dòng)和目標(biāo)就是STEM教育理念下科學(xué)建模的“四線”.
3.1 STEM教學(xué)情境設(shè)置
STEM教學(xué)情境來(lái)自真實(shí)生活“需求”,為STEM課堂教學(xué)服務(wù),是STEM教學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)者可望可及的,又有一定難度要求;情境要求與STEM教學(xué)內(nèi)容完全匹配;同時(shí)情境簡(jiǎn)潔,表述清楚.結(jié)合比利時(shí)教育專家羅日葉的情境類型學(xué)和王俊民等[4]對(duì)試題情境的研究成果,課題組開(kāi)發(fā)了表2的STEM教育理念下科學(xué)建模課堂情境框架,實(shí)例是“電磁繼電器”進(jìn)階學(xué)習(xí)中的“四階”.
3.2 核心問(wèn)題推動(dòng)
STEM教育理念下科學(xué)建模課堂教學(xué)需要在情境中挖掘核心問(wèn)題,從而推進(jìn)科學(xué)模型建構(gòu)的思維路徑.核心問(wèn)題除了要注意頻次、設(shè)問(wèn)方式等問(wèn)題形式之外,還要關(guān)注問(wèn)題的實(shí)質(zhì)內(nèi)容,如問(wèn)題與問(wèn)題之間的關(guān)聯(lián)性,問(wèn)題與情境的相關(guān)度,問(wèn)題對(duì)科學(xué)建模的影響度等.特別需要考慮的是,核心問(wèn)題設(shè)置了學(xué)生活動(dòng)的邊界,設(shè)置了邊界條件、遵循的規(guī)律.在教學(xué)解決問(wèn)題的活動(dòng)過(guò)程中,盡量不再給予學(xué)生其他信息,以免干擾學(xué)生活動(dòng).
基于課堂教學(xué)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的原則,STEM教育理念下“防干燒裝置”科學(xué)建模的核心問(wèn)題的推動(dòng)設(shè)計(jì)見(jiàn)表3.
3.3 體驗(yàn)活動(dòng)演進(jìn)
體驗(yàn)活動(dòng)的主體是學(xué)生,為達(dá)到項(xiàng)目式學(xué)習(xí)問(wèn)題的解決任務(wù),需要引導(dǎo)學(xué)生明確活動(dòng)任務(wù),特別是遵守活動(dòng)規(guī)則:
(1)每個(gè)成員明確自己在小組中的角色定位,完成自己的任務(wù);
(2)遇到問(wèn)題不隨意向老師求救幫助,而是在小組內(nèi)共同討論解決;
(3)討論時(shí)注意遵守規(guī)律,只討論與問(wèn)題相關(guān)的內(nèi)容;
(4)每個(gè)解決方案都可質(zhì)疑.無(wú)法說(shuō)服對(duì)方時(shí),可民主協(xié)商或舉手表決確定;
(5)小組負(fù)責(zé)人時(shí)刻提醒注意時(shí)間.
“防干燒裝置”科學(xué)建?!八碾A”的活動(dòng)內(nèi)容見(jiàn)表4.
3.4 學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)置
綜合我國(guó)中學(xué)生核心素養(yǎng)所要求的必備品格和關(guān)鍵能力,參考高中物理、化學(xué)、生物學(xué)科核心素養(yǎng)框架,結(jié)合《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)(NGSS)的科學(xué)和工程實(shí)踐》,制定STEM教育理念下科學(xué)建模學(xué)習(xí)目標(biāo)框架為科學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度四個(gè)維度(見(jiàn)表5).
4 STEM教育理念下“四線五階”模型建構(gòu)教學(xué)實(shí)例
“防干燒裝置”科學(xué)模型的構(gòu)建,縱向以五步進(jìn)階為方向?qū)訉舆f進(jìn),橫向以情境、問(wèn)題、活動(dòng)和目標(biāo)四條主線為路徑全面展開(kāi).通過(guò)“四線五階”課堂模式構(gòu)建的“防干燒裝置”科學(xué)模型,猶如一座五層大樓,情境、問(wèn)題、活動(dòng)和目標(biāo)是大樓的四根立柱支撐著大樓;每一層樓相當(dāng)于構(gòu)建“防干燒裝置”科學(xué)模型總?cè)蝿?wù)的一個(gè)“階”;核心進(jìn)階變量是工程實(shí)踐“防干燒裝置功能”的完成度.如圖4所示.
STEM教育理念下“四線五階”科學(xué)建模教學(xué)采用逆向工程教學(xué),它是從教師(或?qū)W生)使用或測(cè)試防干燒裝置(已有作品或半成品)的展示或演示開(kāi)始,展示其功能,再?gòu)墓δ艿雇频疆a(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法,重新設(shè)計(jì)或復(fù)原一件防干燒裝置.顯然,逆向工程并不是模擬,對(duì)從沒(méi)有接觸產(chǎn)品的學(xué)生來(lái)說(shuō)就是創(chuàng)造.
4.1 呈現(xiàn)產(chǎn)品,感知模型
反向設(shè)計(jì)首先呈現(xiàn)的是功能完善的產(chǎn)品,展示介紹如圖5所示的產(chǎn)品功能.從產(chǎn)品發(fā)明創(chuàng)新的角度來(lái)看,反向設(shè)計(jì)的工程思維對(duì)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品沒(méi)有發(fā)明創(chuàng)新的現(xiàn)實(shí)意義,但對(duì)于STEM教育理念下項(xiàng)目式學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō),它是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力最重要的渠道.對(duì)于參與STEM課程的學(xué)生來(lái)說(shuō),呈現(xiàn)的產(chǎn)品,僅僅是學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程的最終目標(biāo),而不是學(xué)習(xí)的知識(shí)儲(chǔ)備;他們還需要在產(chǎn)品的最終功能中分解、剝離出關(guān)于產(chǎn)品的科學(xué)知識(shí)、工程設(shè)計(jì)、技術(shù)手段和數(shù)學(xué)應(yīng)用,以使能達(dá)成最終要求.
一階的進(jìn)階變量(裝置功能)是通過(guò)教師展示“防干燒”電熱壺時(shí)介紹的,將工程實(shí)踐的“需求”從整個(gè)的產(chǎn)品細(xì)化為“水位變化(以10mm為臨界)而引起通斷”的開(kāi)關(guān)(見(jiàn)表6).
4.2 功能倒推,假設(shè)模型
項(xiàng)目式學(xué)習(xí)不僅僅只有利用科學(xué)原理進(jìn)行解釋,如“電磁繼電器”的教學(xué),并非如教材所示直接呈現(xiàn)圖1的原理圖,再進(jìn)行解釋,而是通過(guò)功能倒推的方式假設(shè)電磁繼電器模型.在這個(gè)過(guò)程中,首先是繼上“一階”任務(wù),在工作電路中加入一個(gè)能自動(dòng)控制加熱電阻的“開(kāi)關(guān)”.再通過(guò)“四階”具體解決“10mm水位”作為自動(dòng)開(kāi)關(guān)通斷臨界點(diǎn)的定量計(jì)算.換言之,此過(guò)程將“一階”的總體大任務(wù)進(jìn)行了解析:首先解決最基本的“自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)”問(wèn)題,即結(jié)合上節(jié)課學(xué)習(xí)的電磁鐵的結(jié)構(gòu)與功能.所以,首先完成的任務(wù)是利用電磁鐵設(shè)計(jì)自動(dòng)開(kāi)關(guān).組織學(xué)生以小組為單位,利用電磁鐵和相應(yīng)的復(fù)位裝置等作為控制加熱電阻R工作的自動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)電路圖.學(xué)生設(shè)計(jì)的電路圖大致有圖6中的甲、乙、丙三類.
二階的進(jìn)階變量(裝置功能)是利用電磁鐵以及復(fù)位裝置設(shè)計(jì)出符合要求的自動(dòng)開(kāi)關(guān)(見(jiàn)表7).
4.3 解釋評(píng)價(jià),建構(gòu)模型
“三階”的任務(wù)是理解并能解釋評(píng)價(jià)完整的電磁繼電器模型,此過(guò)程是學(xué)生小組內(nèi)自我評(píng)價(jià),小組間展示評(píng)價(jià)的過(guò)程.
三階的進(jìn)階變量(裝置功能)是通過(guò)對(duì)控制電路和工作電路的分析,解釋整個(gè)模型的工作過(guò)程.“四幅”電磁繼電器設(shè)計(jì)圖有所差別,但它們有共性,即通過(guò)控制電路中電流的變化引起電磁鐵磁性強(qiáng)弱的變化,從而造成電磁鐵吸合或復(fù)位銜鐵.找出引起“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”工作的“變量”,也就找到了解決問(wèn)題的路徑.大致的工作原理如下:控制電路電流大小變化—電磁鐵磁性強(qiáng)弱變化—銜鐵被吸合(或彈開(kāi))—工作電路通路(或斷路)—加熱電阻工作(或停止工作)(見(jiàn)表8).
4.4 實(shí)踐拓展,完善模型
“四階”的任務(wù)回到設(shè)計(jì)“10mm水位時(shí)自動(dòng)切斷加熱電阻”,以達(dá)到防干燒的目的.相對(duì)“三階”的定性解釋,此時(shí)需通過(guò)具體數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)定量計(jì)算設(shè)計(jì)模型.接續(xù)“三階”的工作原理,按圖6甲的設(shè)計(jì)要求,為了“10mm水位時(shí)自動(dòng)切斷加熱電阻”,變量的起始是電熱水壺中的水位為10mm及以下時(shí),力敏傳感器受到水的壓力太小,力敏傳感器上電阻較大,則控制電路中的電流變小;通過(guò)電磁鐵的電流變小,則磁性變?nèi)?,銜鐵彈回復(fù)位,工作電路斷開(kāi),加熱電阻R不工作,這樣就起到了“防干燒”的作用.
四階的進(jìn)階變量(裝置功能)是把引起“控制開(kāi)關(guān)”(電磁繼電器)開(kāi)合的起始變量推進(jìn)到具體的“10mm水位”,這是整個(gè)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)最起始要求(見(jiàn)表9).
總問(wèn)題:當(dāng)水位不大于10mm時(shí),加熱電阻不工作.針對(duì)你的原有設(shè)計(jì)圖進(jìn)行修改以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)
1.分析圖7 FSR406力敏電阻的力學(xué)特性,說(shuō)明力敏電阻Rt阻值大小與壓力大小的關(guān)系
2.分析有哪些量影響銜鐵吸合?
分小組討論交流、匯報(bào)、評(píng)價(jià)從數(shù)學(xué)應(yīng)用定量的角度分析控制電路電源電壓、力敏電阻、電磁鐵特性、復(fù)位裝置性能(如杠桿、彈簧等)等對(duì)銜鐵吸合的影響.此環(huán)節(jié)主要是應(yīng)用科學(xué)原理、工程設(shè)計(jì)以及數(shù)學(xué)應(yīng)用
4.5 開(kāi)發(fā)制作,評(píng)價(jià)模型
STEM教育理念下開(kāi)發(fā)實(shí)施課程,難免會(huì)涉及“超綱”現(xiàn)象.解決這個(gè)問(wèn)題的共識(shí)是對(duì)“超綱”內(nèi)容進(jìn)行“擱置”.如本案例中力敏電阻特性、杠桿原理、彈簧彈力的胡克定律等,對(duì)八年級(jí)學(xué)生都是“超綱”的,但在具體應(yīng)用技術(shù)將工程設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品過(guò)程中,“擱置”這些知識(shí),提供現(xiàn)成的配件及其詳細(xì)的功能說(shuō)明即可.
如“四階”所分析的多變量影響銜鐵的吸合,給制作帶到很大困難.為提高產(chǎn)品制作成功率,只對(duì)一個(gè)變量(彈簧彈力的力臂)進(jìn)行調(diào)節(jié).如根據(jù)圖6甲連接好電路,在模擬水壺中倒入10mm水位,閉合開(kāi)關(guān),調(diào)節(jié)彈簧連接杠桿上的位置(可嘗試左右移動(dòng)),選擇恰好使銜鐵彈開(kāi)的彈簧位置并固定,其他如控制電路的電源電壓、力敏電阻的特性、杠桿的性能、彈簧的特性等都保持不變.
五階的進(jìn)階變量(裝置功能)是把“四階”的工程設(shè)計(jì)通過(guò)技術(shù)開(kāi)發(fā)成產(chǎn)品(見(jiàn)表10).
如“問(wèn)題線”中的“思考”,當(dāng)一個(gè)變量的范疇不能滿足實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能時(shí),可調(diào)節(jié)其他變量,如改變彈簧的特性(選擇彈性更強(qiáng)的彈簧)、力敏電阻的力學(xué)特性、控制電路的電源電壓大小等.
基于STEM教育理念的“四線五階”科學(xué)建模,除了適合電磁繼電器的學(xué)習(xí)外,還適合初中科學(xué)教材中的體溫計(jì)、密度計(jì)、浮力秤、滑動(dòng)變阻器以及生態(tài)球等具體科學(xué)模型的學(xué)習(xí).在實(shí)施過(guò)程中,產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用成為STEM教育理念下“四線五階”的“中心骨架”,也成為核心進(jìn)階變量提取的關(guān)鍵.對(duì)于科學(xué)課程上的STEM教育理念下的“四線五階”科學(xué)建模課,并不缺乏對(duì)產(chǎn)品科學(xué)原理的解釋,所以要把主要的學(xué)習(xí)要求落實(shí)到工程設(shè)計(jì)與技術(shù)應(yīng)用上,真正在學(xué)科融合的前提下培養(yǎng)“4C”能力.
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(收稿日期:2020-03-11)