張暢 程志奇 張璟瑜 吳承瑤

摘? ?要：以學(xué)科融合為基礎(chǔ)的STEAM教育越來越多地應(yīng)用于初中科學(xué)教學(xué)中。文章在STEAM視角下，嘗試探索初中科學(xué)實驗教學(xué)的具體操作及實施方法，以“力的測量”為例，通過設(shè)計彈簧測力計這一核心任務(wù)，開展教學(xué)過程及評價，并在實踐中予以反思。

關(guān)鍵詞：STEAM;實驗教學(xué);力的測量

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）7-0028-4

1? ? STEAM應(yīng)用于初中科學(xué)實驗教學(xué)的理論基礎(chǔ)

STEAM即Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Art（藝術(shù)）、Mathematics（數(shù)學(xué)）的縮寫[1]。STEAM教育旨在通過5門學(xué)科有目的、有邏輯地整合，以培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。

通過初中科學(xué)課程培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)需要給學(xué)生提供發(fā)現(xiàn)事物、解決問題、開展實驗的機(jī)會，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究與科學(xué)能力四個維度的關(guān)鍵能力，凸顯科學(xué)學(xué)科的本質(zhì)與特色。

當(dāng)前科學(xué)實驗教學(xué)過程中，由于教師往往憑借已有的經(jīng)驗開展教學(xué)，大部分學(xué)生習(xí)慣于接受科學(xué)知識，缺乏質(zhì)疑、創(chuàng)新的精神[2]。STEAM視角下的科學(xué)實驗教學(xué)是符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑[3]。從課程目標(biāo)的角度看，STEAM教育更加突出情境整合，將工程任務(wù)作為科學(xué)教學(xué)的動力，加強(qiáng)學(xué)生對跨學(xué)科知識的理解與融合，更能發(fā)掘?qū)W生學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)造性;從學(xué)生認(rèn)知特點看，初中生已具備開展STEAM教育所需的歸納、演繹、分析、綜合能力。因而，STEAM視角下的科學(xué)教學(xué)能以問題解決或工程項目實施為目標(biāo)，學(xué)生綜合多領(lǐng)域知識得出結(jié)論，促使他們積極地收集、處理、分析信息，實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生思維的開放性、動態(tài)性。

2? ? STEAM視角下“力的測量”實驗教學(xué)設(shè)計與實踐

2.1? ? 學(xué)習(xí)任務(wù)分析

本課時的內(nèi)容為浙教版初中科學(xué)七年級下冊第3章《運動和力》第2節(jié)第2課時“力的測量”。測量觀是科學(xué)實驗教學(xué)的核心內(nèi)容，學(xué)生在上學(xué)期已學(xué)習(xí)過關(guān)于長度、體積、時間、質(zhì)量等物理量的測量，并掌握了相應(yīng)測量工具的使用方法，這些是學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知基礎(chǔ)。本節(jié)課則是在學(xué)習(xí)有關(guān)力的作用效果、力的相互性等知識后，進(jìn)一步學(xué)習(xí)力的測量工具，為后面力的三要素、重力、摩擦力等知識奠定方法基礎(chǔ)。教材中“力的測量”這一課時主要以學(xué)生了解力的大小、體驗彈力、會觀察和使用彈簧測力計為主，重在能夠應(yīng)用彈簧測力計測量力的大小。

在STEAM視角下，本節(jié)實驗課以中心任務(wù)——“自制彈簧測力計”為驅(qū)動，讓學(xué)生在解決問題、評價交流中經(jīng)歷探究活動，修改并完善自己制作的測力計，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力及項目學(xué)習(xí)的高階思維。

結(jié)合STEAM教育特點，筆者以“力的測量”為例，設(shè)計了教學(xué)流程圖（圖1）。

2.2? ? 教學(xué)目標(biāo)

（1）科學(xué)觀念與應(yīng)用

了解彈力，知道彈簧測力計測力的原理。[科學(xué)（S）]

（2）科學(xué)思維與創(chuàng)新

體驗科學(xué)探究活動中的分析、比較、歸納、綜合等思維活動。[數(shù)學(xué)（M）]

能自制彈簧測力計并能寫使用說明書。[工程（E）、藝術(shù)（A）]

（3）科學(xué)探究與交流

能相互交流和評價自制彈簧測力計，并提出改進(jìn)方案。[技術(shù)（T）]

（4）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

樹立實事求是、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。[科學(xué)（S）]

2.3? ? 教學(xué)過程

本節(jié)課以制作彈簧測力計為核心任務(wù)，通過彈簧測力計原理探究、彈簧測力計定標(biāo)比較、為彈簧測力計寫說明書三個子任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)科融合下的項目解決能力。

（1）任務(wù)一：活動激趣，聚焦彈簧測力計原理

①身臨其境，切實體驗力之大小

請兩位學(xué)生來臺前拉動彈簧測力計，比較力的大小。教師請臺下學(xué)生觀察并提問：a.依據(jù)什么判斷拉力的大??？b.借助力的哪個作用效果？c.什么是形變？

設(shè)計意圖：學(xué)生參與競賽活動，學(xué)習(xí)積極性較高。通過實例讓學(xué)生體驗力有大小，力的大小可以借助彈簧產(chǎn)生的形變來判斷，而這種形變就是彈簧的伸長，為探究彈簧測力計原理奠定認(rèn)知基礎(chǔ)。

②聯(lián)系舊知，定性判別彈力大小

教師提問：力有大有小，你知道力的單位嗎？ 1 N的力有多大？

設(shè)計意圖：了解力的單位，通過閱讀指導(dǎo)法了解牛頓的生平和貢獻(xiàn)。通過舉例說明，對力的大小有初步的認(rèn)知基礎(chǔ)。

教師追問：我們是如何測量力的大小呢？

學(xué)生：用彈簧測力計。

[活動一：手與彈簧]（圖2）

互動交流：a.手向下拉彈簧，手有什么感覺？b.彈簧拉得更長，手的感覺？c.撤去拉力，彈簧長度的變化？d.由此，你會提出什么問題？

設(shè)計意圖：學(xué)生手拉彈簧，再次體驗彈簧的大小，定性感知在彈性限度內(nèi)，彈簧伸長越長，手施加拉力越大，彈簧彈力越大。學(xué)生通過此環(huán)節(jié)，能夠知道彈力與彈性，并且通過舉例，知道彈力在生活中是一種普遍存在的力。

③激活新知，定量分析彈簧伸長與拉力的關(guān)系

學(xué)生利用鉤碼等工具，自主探究彈簧伸長長度與受到的拉力大小的關(guān)系。通過表格記錄、描點畫圖、計算機(jī)繪圖三種方式進(jìn)行描繪與記錄（表1，圖3、4）。

設(shè)計意圖：STEAM教育指出，要在小組合作中解決問題。上述活動中，學(xué)生完成實驗時，采用表格記錄數(shù)據(jù)，對數(shù)字（M）的分析、歸納可以利用坐標(biāo)軸描點連線，學(xué)有所長的學(xué)生可以充分利用計算機(jī)技術(shù)（T）得出彈簧伸長長度與拉力的大小關(guān)系圖，有效提高了學(xué)生的認(rèn)知水平。從多角度處理問題，更能激發(fā)學(xué)生的交流能力與創(chuàng)造性。

通過上述小組合作活動，學(xué)生得出結(jié)論：在彈性限度內(nèi)，彈簧伸長的長度與所受的拉力成正比。

（2）任務(wù)二：應(yīng)用新知，標(biāo)定彈簧測力計刻度

學(xué)生通過小組探究活動，明確彈簧測力計的原理。由此教師請學(xué)生：

①在面板上標(biāo)上刻度，并且注明最小刻度及量程;

②測量身邊物體拉力的大小，并與現(xiàn)有測力計的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

[學(xué)生作品]（圖5）：

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生像工程師一樣（E），根據(jù)彈簧測力計的原理，標(biāo)定自制彈簧測力計的刻度（T），培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力、小組合作能力。根據(jù)上述環(huán)節(jié)得出的結(jié)論，學(xué)生可以在量程范圍內(nèi)為彈簧測力計均勻標(biāo)上刻度，節(jié)省了反復(fù)利用鉤碼這一標(biāo)準(zhǔn)物操作的時間。

定標(biāo)結(jié)束后，為檢驗自制彈簧測力計的精確情況，將現(xiàn)有測力計和自制測力計測量彈簧所受物體拉力的大小進(jìn)行比較，培養(yǎng)學(xué)生實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性;能從工程師（T）的角度反思、修正前面定標(biāo)出現(xiàn)的問題;能從藝術(shù)（A）的角度，提高作品的質(zhì)量;實踐的過程中，提高自身對測量觀的認(rèn)知水平。

（3）任務(wù)三：樂學(xué)善思，撰寫自制彈簧測力計的說明書（圖6）。

設(shè)計意圖：學(xué)生在制作彈簧測力計的過程中，最終能以工程師（E）的角度思考如何正確使用彈簧測力計，如何給使用者提供高效、有趣的閱讀指導(dǎo)（A）。既能夠遷移所學(xué)知識，又能夠?qū)⒖茖W(xué)知識與實際應(yīng)用結(jié)合，注重科學(xué)中統(tǒng)一概念和原理，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神與思維，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

（4）遷移所學(xué)，延伸測量力之應(yīng)用

問題1：用1 N的拉力可以提起哪些物體？

問題2：你知道為什么可以從拉力器的形變來判斷兩位同學(xué)的拉力大小嗎？

問題3：在不換用彈簧的前提下，你還可以利用什么方法增大自制彈簧測力計的量程？

設(shè)計意圖：3個問題層層遞進(jìn)，學(xué)生在掌握彈簧測力計測力的原理之后，標(biāo)定自制彈簧測力計并能規(guī)范使用測力計時，換用不同的物品進(jìn)一步感知1 N力的大小，利用所學(xué)知識規(guī)范描述課堂初始比較力的大小的問題，并由拉力器多根彈簧的啟發(fā)，改進(jìn)自制彈簧測力計。真正體現(xiàn)科學(xué)服務(wù)生活、生活處處有科學(xué)的思想，促進(jìn)學(xué)生真實有效地學(xué)習(xí)。

2.4? ? 結(jié)果評價表

為了解學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，體現(xiàn)STEAM學(xué)習(xí)的合作理念和診斷性功能，設(shè)計評價量規(guī)（如表2）。

3? ? STEAM視角下初中科學(xué)實驗教學(xué)的反思與展望

3.1? ? 以STEAM為導(dǎo)向指導(dǎo)實驗教學(xué)

實踐表明，STEAM理念下的科學(xué)課堂，更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。小組合作實驗過程中，更容易激發(fā)思維的火花，不同水平、不同特長的學(xué)生都能發(fā)揮重要作用，激發(fā)學(xué)生的探索心和求知欲。然而，并非所有科學(xué)課型都適合此種教學(xué)方法，因而開發(fā)更多的能切身操作的課型顯得尤為關(guān)鍵。

3.2? ? 以解決任務(wù)為指標(biāo)指向?qū)W生學(xué)習(xí)

教師有效創(chuàng)設(shè)情境，學(xué)生明確任務(wù)后，會帶著問題聯(lián)系舊知，激活新知。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生明確彈簧測力計的原理，學(xué)會制作彈簧測力計并對其定標(biāo)，利用自制彈簧測力計測量身邊物體對彈簧的拉力大小，符合學(xué)生的認(rèn)知水平，利于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。在今后的教學(xué)中，應(yīng)以“情境—問題—知識—應(yīng)用”為主線，讓學(xué)生樂學(xué)善思。

3.3? ? 以有效評價為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變教學(xué)方式

為了幫助學(xué)生有效學(xué)習(xí)，提高學(xué)生相互合作、交流的能力，在設(shè)計評價量規(guī)表時，對所完成任務(wù)進(jìn)行分解，以期診斷學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的疑難點。然而，在實際操作過程中，學(xué)生往往主要關(guān)注如何完成項目任務(wù)，無暇顧及評價，只能在課后交流反思中填補(bǔ)。但是，評價的過程即為表達(dá)的過程，可以培養(yǎng)學(xué)生分析、評價、創(chuàng)造等高階思維能力。因而，在課堂開展合理、有效的評價也是今后在轉(zhuǎn)變教學(xué)方式中應(yīng)該加以完善的環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]范文翔，張一春. STEAM教育：發(fā)展、內(nèi)涵與可能路徑[J].現(xiàn)代教育技術(shù)， 2018（3）：99-105.

[2]陳鋒，王健. 基于五星教學(xué)原理的初中科學(xué)的問題解決教學(xué)——以浙教版教科書“壓強(qiáng)”概念為例[J]. 物理教學(xué)探討， 2016， 34（7）：8-11.

[3]王玥月，陸建隆. 凸顯STEM教育的初中物理教學(xué)設(shè)計初探——以“浮力”教學(xué)為例[J]. 物理教師， 2017，38（2）：41-43.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）

收稿日期：2020-01-03

作者簡介：張暢（1990-），女，中學(xué)二級教師，主要從事初中科學(xué)教學(xué)工作;程志奇（1969-），男，中學(xué)高級教師，主要從事初中科學(xué)教學(xué)工作;張璟瑜（1981-），女，中學(xué)高級教師，主要從事初中科學(xué)教學(xué)工作，曾獲杭州市“教壇新秀”稱號;吳承瑤（1980-），女，中學(xué)高級教師，主要從事初中科學(xué)教學(xué)工作。