摘 要：物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)需要不同的載體和平臺(tái)，日常的教學(xué)是一部分，以解決問(wèn)題為目的的STEM教育也是一部分.為了研究STEM教育理念下學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，分析了STEM教學(xué)中每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)價(jià)值，設(shè)計(jì)了教學(xué)流程，并在校本課程中提供學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的平臺(tái)和環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)發(fā)出智能寵物喂食器，形成了“智能寵物喂食器設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)”的教學(xué)課例.

關(guān)鍵詞：物理學(xué)科核心素養(yǎng);STEM教育;特色;課例

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）01-0047-03

作者簡(jiǎn)介：李玲（1986-），女，廣東興寧人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

1 研究背景

現(xiàn)階段，我國(guó)中學(xué)物理教學(xué)課堂已經(jīng)逐漸開(kāi)展基于核心素養(yǎng)的教學(xué)變革.物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面.在許多一線教師的日常教學(xué)中，學(xué)生思維層面關(guān)于這四個(gè)方面的培養(yǎng)得到了重視，而在學(xué)生動(dòng)手能力方面，除了教材中要求的物理實(shí)驗(yàn)之外，學(xué)生動(dòng)手實(shí)際操作的探究機(jī)會(huì)較少.為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與鍛煉學(xué)生的科學(xué)探究能力，高中階段必須要開(kāi)展研究性課題的教學(xué).

近幾年，教育部更是從各方面加大了力度，促進(jìn)高中生研究性課題教學(xué)的落實(shí)，表現(xiàn)如下：一是2018年起，對(duì)高中生實(shí)行了“普通高中學(xué)生綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)信息管理系統(tǒng)”的檔案管理模式，要求學(xué)生在高中階段一定要進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)及校本課程的學(xué)習(xí)，并要求上傳過(guò)程性資料;二是高校的自主招生名額增加，要求中學(xué)培養(yǎng)出一些動(dòng)手能力強(qiáng)、有創(chuàng)新獲獎(jiǎng)的同學(xué);三是近幾年的高考題、統(tǒng)考題，物理學(xué)科出現(xiàn)的與實(shí)際生活聯(lián)系的建模類(lèi)題型增多.然而，如何基于上述現(xiàn)狀開(kāi)發(fā)出較好的研究性學(xué)習(xí)方案亟待研究.

STEM教育指的是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）的結(jié)合，其中科學(xué)在于認(rèn)識(shí)世界、解釋自然界的客觀規(guī)律;技術(shù)和工程則是在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上改造世界，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然界的控制和利用，解決社會(huì)發(fā)展過(guò)程中遇到的難題.研究表明，STEM教育是連接科學(xué)與生活的橋梁，將研究性課題的教學(xué)與STEM教育連接起來(lái)，既可幫助學(xué)生完善檔案資料，又能夠?yàn)橐恍﹥?yōu)秀的同學(xué)提供自主招生的機(jī)會(huì)，還能提高學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，以培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).因此，開(kāi)展有實(shí)踐意義的STEM教育已漸漸成為理科教師的優(yōu)先選擇.

但是，對(duì)于這種無(wú)本無(wú)綱的特色課程很多教師都感到無(wú)從下手.為此，本文將以STEM教育理念為指導(dǎo)，以“智能寵物喂食器設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)”為例，展示如何將STEM教育融入高中物理研究性課題的教學(xué)中，為其他研究性課題教學(xué)的開(kāi)展提供一定的教學(xué)課例.

2 基于物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的特色STEM課例

2.1 寵物喂食器的選題和設(shè)計(jì)課例的緣由

首先，我們要找到一個(gè)適合高中生做的STEM課題.這個(gè)課題既要有一定深度的知識(shí)要求，又要能進(jìn)行動(dòng)手操作，還要結(jié)合物理學(xué)科特點(diǎn)，最好能夠創(chuàng)新設(shè)計(jì)出作品.隨著人們生活條件的提高，喜歡寵物的人越來(lái)越多，學(xué)生亦有不少，傳統(tǒng)的寵物喂食器已不能滿足飼養(yǎng)者的需求.這個(gè)問(wèn)題表面上從市面上買(mǎi)一款現(xiàn)成的智能寵物喂食器就可以解決，但作為教師，尤其是物理教師，卻可以挖掘問(wèn)題.從傳統(tǒng)的寵物喂食器出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)最傳統(tǒng)的寵物喂食器進(jìn)行探究和改進(jìn).目標(biāo)就是用學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)，采用生活中或物理實(shí)驗(yàn)室能夠獲得的材料，設(shè)計(jì)出一款能夠?qū)崿F(xiàn)智能喂養(yǎng)的寵物喂食器.

在教學(xué)設(shè)計(jì)中，我們可以參照已有STEM教學(xué)案例，例如，科學(xué)出版社出版的《2017中小學(xué)創(chuàng)客·STEM教育資源調(diào)查報(bào)告》中的第5章[1]，“創(chuàng)客、STEM課程”，給了我們一個(gè)STEM課程設(shè)計(jì)的模板，其中對(duì)于工程類(lèi)設(shè)計(jì)過(guò)程的流程圖，體現(xiàn)了核心素養(yǎng)的培養(yǎng)過(guò)程，完全可以應(yīng)用到我們的教學(xué)案例研究中來(lái).又如，上海教育出版社出版的《STEM+活動(dòng)設(shè)計(jì)與體驗(yàn)》一書(shū)[2]，該書(shū)提供了STEM+課程的30個(gè)課例，每一個(gè)課例都給出了學(xué)習(xí)目標(biāo)、活動(dòng)材料和設(shè)計(jì)意圖.學(xué)生既解決了實(shí)際遇到的問(wèn)題，又鍛煉了動(dòng)手能力.雖然此書(shū)的設(shè)計(jì)內(nèi)容只針對(duì)4-6年級(jí)的學(xué)生，知識(shí)上沒(méi)有達(dá)到高中生的需求，但此書(shū)對(duì)于教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置值得學(xué)習(xí)借鑒.

2.2 智能寵物喂食器的教學(xué)流程圖

基于董莉[1]的STEM課程設(shè)計(jì)的模板，本文設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)的主要流程如圖1所示.

2.3 “智能寵物喂食器設(shè)計(jì)”對(duì)于核心素養(yǎng)的培養(yǎng)相應(yīng)的環(huán)節(jié)

在圖1的教學(xué)流程中，每一個(gè)步驟對(duì)物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的側(cè)重點(diǎn)不一樣，其對(duì)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)價(jià)值見(jiàn)表1[3].

2.4 “智能喂食器設(shè)計(jì)”的教學(xué)難點(diǎn)

在這個(gè)課例的開(kāi)發(fā)中，難點(diǎn)是步驟2機(jī)械控制的實(shí)現(xiàn)和步驟3智能的實(shí)現(xiàn).解決的方法有兩種：一是，創(chuàng)造環(huán)境和時(shí)間，讓學(xué)生上網(wǎng)查閱資料，通過(guò)小組討論的形式實(shí)現(xiàn);二是，教師要為學(xué)生做一個(gè)改進(jìn)的案例或者作品，以起到拋磚引玉的作用.第一個(gè)方法不贅述，第二個(gè)方法本課例在教學(xué)過(guò)程中使用了以下的作品示范.

環(huán)節(jié)2中，要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)的喂食器的漏食口沙漏原理（如圖2）進(jìn)行改造.受酒店早餐麥片分離器的啟發(fā)，可以采用風(fēng)扇葉片對(duì)漏食口進(jìn)行漏食量的控制，如圖3所示.轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，風(fēng)扇葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)食物漏出.用小馬達(dá)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電路控制.注意：風(fēng)扇葉片要根據(jù)漏食口的大小切割粘貼，保證轉(zhuǎn)軸不轉(zhuǎn)時(shí)，沒(méi)有食物漏出.

環(huán)節(jié)3中，利用Arduino編程，通過(guò)紅外避障傳感器和電磁繼電器實(shí)現(xiàn)人工智能的控制.Arduino是一款能夠讓中小學(xué)生理解接受的程序語(yǔ)言，作為物理教師，編程的語(yǔ)言可以請(qǐng)教信息學(xué)科老師，但理解控制電路是我們的責(zé)任.對(duì)漏食器里面小馬達(dá)是否工作，用電磁繼電器進(jìn)行控制（如圖4）.當(dāng)寵物靠近時(shí)，紅外避障傳感器輸出信號(hào)，開(kāi)關(guān)閉合，電磁繼電器通電，小馬達(dá)工作.針腳理解和連接的電路如圖5、圖6所示.

3 結(jié)束語(yǔ)

本次“智能寵物喂食器設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)”的研究性課題教學(xué)取得了不錯(cuò)的成效，礙于篇幅的關(guān)系，筆者在這里僅展示一個(gè)學(xué)生的作品，如圖7所示.

對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)自己制作的作品擺在面前的時(shí)候，獲得的成就感是難以用語(yǔ)言表達(dá)的，學(xué)生的成績(jī)可能沒(méi)有特別明顯的提升，但是對(duì)于學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，無(wú)疑是大有裨益的.

最后，本教學(xué)課例有很多可以改進(jìn)的地方.例如：

（1）用教師的作品拋磚引玉的方法雖然能夠有效地引導(dǎo)學(xué)生的思維，但是也局限了學(xué)生的思維.

（2）在步驟1激情引入的環(huán)節(jié)里面，學(xué)生提出了一些用舵機(jī)喂金魚(yú)的方法，由于學(xué)時(shí)有限，不能進(jìn)一步地指導(dǎo)學(xué)生展開(kāi).

（3）這個(gè)課例的完成使用了學(xué)校開(kāi)展特色課程的時(shí)間，一次2課時(shí)，共用了7次課，14個(gè)課時(shí)，較為拖沓，可以優(yōu)化.

（4）在學(xué)生的作品制作完成以后，可以結(jié)合工程制圖的方法，要求學(xué)生畫(huà)三視圖，來(lái)提高學(xué)生的空間建模能力.

參考文獻(xiàn)：

[1]董莉.基于STEM教育理念的高中物理教學(xué)策略研究[D].成都：四川師范大學(xué)，2017.

[2]陳敏，鄭思晨.STEM+活動(dòng)設(shè)計(jì)與體驗(yàn)第二進(jìn)階[M].上海：上海教育出版社，2018.

[3]梁沛林.STEM活動(dòng)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的價(jià)值探討[J].物理通報(bào)，2018（12）：23-26.

（收稿日期：2020-09-15）