一個有趣的STEM活動

1、一個有趣的STEM活動；消滅聲音作者：周計/省市一中實驗學?？茖W、技術、工程、數學之間存在著一種相互支撐、相互補充、共同發(fā)展的關系。如果 要了解它們，尤其是它們之間的關系，就不能獨立其中任何一個部分，只有在交互中，在相 互的碰撞中，才能實現深層次的學習、理解性的學習，也才能真正培養(yǎng)兒童各個方面的技能 和認識。但在實踐層面，中小學教師對于如何將數學、工程和技術融入科學課堂，還沒有完 整的思路和有效的教學手段。我在一中實驗學校教研組和學校物理組的指導下，設計本節(jié)消 滅聲音，探索STEM教育理念在中學階段的具體實踐方法。設計思路為何“消滅聲音聲音是我們生活中非常?！耙姷氖挛?，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；而有一些確實讓人煩擾的。而由此，消音裝置應運而生。這些消音裝 置在工業(yè)生產與日常生活中很不起眼，但是卻十分重要的裝置。汽車、摩托車、電腦、門窗 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，使用時需注意），稍作攪拌，可以快速獲得 一種彈性物質，該彈性物質經過塑形，便可以得到彈球。從STEM教育的角度，彈球的制作 過程不僅包含“物質的改變導致其特性也改變的科學原理，高度測量和數據處理等數學方 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問題。因此，這是1節(jié)整合了 4 大領域的典型的STEM課程。此外，本課程符合STEM課程的特征一一學習情境的生活性和真實性3。學生從現實生 活中尋找素材，用常見的塑料泡沫，收納盒，報紙，塑料袋，棉花等等通過動手做探究彈， 解決生活情境中如何控制噪聲的實際問題。這種方式使本課程具有很強的實踐性，有利于學 生對STEM學科的綜合性學習。如何“做彈球”確定做彈球的主題后，為了提供具有挑戰(zhàn)性且與學習者相關的STEM學習容，我設計了 多元化的學習情境和交互式的活動流程。課堂中，我要求學生以小組為單位，各自扮演彈球 工廠的角色，參與完整的做彈球過程。教學流程圖見圖1。制訂教學目

4、標時，為了體現STEM課程涉及的4個維度，我并未使用中學物理課程標準 中的三維目標：知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度價值觀，而是圍繞本課主題，站在學生 的角度，分別制訂了各個領域具體且有針對性的教學目標。S （科學）：學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；知道原料配比不同，混合后所得產物的特性（黏性、可塑性、彈性等）不同。T （技術）：學生知道制作彈球的工序和塑形工藝，能夠制作彈球并測量其反彈高度。E （工程）：學生能夠設計方案一一通過選擇不同的原料配比等一一解決如何使球彈得 更高的問題。M （數學）：學生能夠確定和控制變量，進行原料用量和比例的換算，能夠利用

5、圖表呈 現數據，并進行分析和解釋。實踐情況基于以上設計思路，我挑選了 16名5年級學生參加了本次公開課。視頻引入：聚焦問題，提出任務本節(jié)課開始時，我拿出1個彈球在手中把玩，吸引了學生的興趣。通過播放1段視頻， 我將焦點轉向了彈球制造工廠最近遇到的問題。該視頻中，工廠的工程師拿出了 1封小朋友 的來信，信中提到了1個新的彈球配方，他們希望得知其可行性（見圖2）?！吧a彈球的玩具工廠現在面臨的是1個什么問題？ ”我通過這樣的提問來確認學生觀 看視頻后是否已經了解了需要解決的問題。在引導學生對新配方的可行性進行預測之后，我 進而啟發(fā)學生自己提出本節(jié)課的第1個任務一一試做1個彈球來驗證新配方的可行性。

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

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行思考，并明確了彈球的 制作流程：量取（見圖3）一混合一攪拌（見圖4）一撈取一壓實一揉搓（見圖5）一搖圓 （工具如圖6所示）。在原料的用量方面，對于5年級學生來說，研究多重變量的問題是較為困難的。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結果的影響，膠水的用量 最好是固定的。因此，我組織學生進行了討論，讓他們確定了膠水的用量，固定為10毫升。 這樣，在每次實驗中，各個小組只需要商量決定硼砂溶液的加入量。在巡視中，我發(fā)現有些小組制作的彈球不夠圓，導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組學生

8、向全班分享他們的制作要領，并在測試裝置中演示如何測 量彈球第1次反彈的高度（見圖7）。在演示中，該小組遇到了球反彈時撞到測試裝置壁和 球開裂的情況，我借此引導學生探討了提高測量結果科學性的方法。通過討論，學生最終了 解到，要獲得準確、科學的彈球反彈高度數據，不僅要遵循測量過程的公平性原則，還需要 小組成員相互配合，多次測量求平均值，并剔除某些無效數據。以上交流和互動保證了每個 組最終所得數據的準確性。改進：產品的完善“如果你們去買彈球，想買什么樣的？ ”多數學生回答想買能彈得更高的球。通過詢問 這樣的問題，能夠自然地將學生引入優(yōu)化彈球配方、完善產品的環(huán)節(jié)。學生不再滿足于做1 個彈球，而對如何完

9、善彈球的性能產生了極大的興趣。本環(huán)節(jié)中，我與學生進行了如下約定： 每個小組在記錄上1組測試結果，并確定下1組硼砂溶液用量之后，才能領取1份10毫升 的膠水進行后續(xù)實驗。這種約定一方面能夠確保學生每次制定的用量都基于對前幾次數據的 分析；另一方面，使學生能夠及時歸納出數據的大致規(guī)律。我欣喜地發(fā)現，學生對此任務樂 此不疲，看到自己不斷調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)：分析總結解決問題的方法給學生時間去交流他們的想法和觀察，是本節(jié)課的基本元素?！坝^察一下各個組硼砂溶 液的加入量，大家有什么發(fā)現？ ”制作過程結束后，我首先從全班的角度引導學生分析數據。 學生通過

10、討論發(fā)現：各個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。對于后者，學生非常感興趣?！耙驗槲覀?攪拌得不一樣快！” “因為我們搓球搓得比他們久！” “我們的球更圓！學生們紛紛發(fā)表 他們的看法，仿佛在開展一場辯論。接著，從每個組的角度，我繼續(xù)引導學生根據他們的記錄單回顧各自的思維過程。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過程中的想法。該組 的1名學生說道：“我們做完20毫升的實驗后，發(fā)現彈跳高度不夠高，覺得肯定是硼砂溶 液加多了，想試試硼砂溶液減少之后會怎么樣，結果還是彈得不高，只能又增加硼砂溶液， 發(fā)現彈球

11、高度提高了，所以又稍微增加了 一點硼砂溶液的用量”。其他組（如第4組）有類 似考慮的學生表示了贊同。以上分析數據的過程一方面能夠增強學生對數據的敏感度，另一方面能夠培養(yǎng)學生的問 題求解能力、決策力和批判性思維能力等高階思維4。此外，在學生分享的收獲與思考中， 我很欣喜地看到有一部分學生提到了彈球靜置時間對反彈高度的影響。這意味著，學生對彈 球性能的持久性和穩(wěn)定性有了初步的關注?；趯W生的以上反饋，我鼓勵他們抓住這些線索， 在課后進行進一步的研究，以獲得對影響彈球性能因素的更完整的認識。反思本課中，我通過教學設計來實踐STEM教育理念，但在實踐過程中，還發(fā)現了許多不足 之處。受容難度和課堂時間的

12、限制，本活動的開放性不夠?；顒舆^程以教師引導為主，對學生 自主探究能力的培養(yǎng)沒有體現，如沒有讓學生自主探究 做彈球的流程。今后可以給學生 1周或更多的時間在家中完成類似的實驗。本活動的研究容主要圍繞彈球原料的配比，拓展性不夠。實驗過程中，學生萌生的很多 想法沒有機會實踐，如沒有讓學生探究彈球性能與時間的關系，添加色素制作各種顏色的彈 球等。小學科學課程對學生工程技術素養(yǎng)的關注不夠。在實踐中，主要體現在我校學生在解決 問題能力和動手能力方面的欠缺上，如部分學生對制作彈 球過程中使用的工具和儀器感 到陌生，甚至無從下手。今后要注重開發(fā)更豐富的STEM課程，培養(yǎng)學生的綜合素養(yǎng)?？偨Y按照教學設計，本課

13、中我不僅完成了預設的教學目標，還充分體現7STEM教育理念。S （科學）做彈球活動中涉及的科學原理為：硼砂與主體成分為聚乙烯醇（PVA）的透明膠水發(fā)生 化學反應，使聚乙烯醇分子發(fā)生交聯（反應式），形成具有彈性的黏土狀聚合物。硼砂和膠 水的配比不同，得到的交聯聚合物的交聯度（緊密度）也不同，隨之呈現不同的性狀，如不 同的可塑性、彈性等。從學生的角度，要在小學階段理解微觀分子結構和化學反應較為困難，但學生能夠建立 彈球性能與原料配比之間的關系。從科學的角度，科學的目標就是找到與一系列現象相關的單一、連貫并且綜合的理論， 不管其是否可以直接應用于實踐，形成解釋本身就是一種成功。學生按照教學設計中的4

14、 個環(huán)節(jié)，最后對“相同原料配比的彈球反彈高度不同”這一現象形成了自己的解釋。T （技術）在活動中，每個小組都扮演了獨立的彈球制作工廠的角色。從工廠生產的角度，每個步 驟都是技術的體現。學生在制作彈球前面臨這些問題：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？對以上問題的思考能夠培養(yǎng)學生的技術素養(yǎng)。E（工程）利用精心設計的工業(yè)情境一一“來自玩具工廠Dr. Lee的1封任務信，聯系生活，以 學生熟悉的彈球為紐帶，讓他們解決的第1個問題是“玩具工廠收到的彈球新配方是否可行 的實際問題，隨后的第2個問題是“能不能做出彈得更高的彈球產品”。這種進階式的問題 體現了工程學中從明確問題到制訂方案，最后測試和優(yōu)化改進的系統(tǒng)性步驟。M （數學）STEM教育理念中，數學素養(yǎng)指學生在發(fā)現、表達、解釋和解決多種情境下的數學問題 時進行分析、推斷和有效交流思想的能力。做彈球活動中數學作為一種輔助工具，體現在學 生記錄測試數據、求平均值，以及分析數據、制訂新配比等過程中。不僅培養(yǎng)了學生的數學 素養(yǎng)，還加深了學生對科學概念和科學探究的理解，促進了工程問題的解決。來