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基于课程标准的STEM教育科学新课堂(林桂宁--一等奖)

时间:2019-08-09 10:50:15 点击: 【字体:

论文摘要】

基于课程标准的STEM教育理念的新课堂,充满生机与活力。科学课堂已不是简单的对科学知识的验证,更是多种能力的综合提升。论文将以《金属热胀冷缩吗》一课为例,浅谈如何以课程标准为指导,重构新目标;以实验课为为契机,发现问题;再以小组为单位,协作解决问题;最后在STEM教育理念指导下,融合多种学科知识,完善问题。

在一次次创新改进中,学生能更轻松建构科学知识,懂得小组协作的力量,懂得多方寻求解决问题的方法;不但能一次次体验到科学创新带来的成就感,激发科学探究兴趣;更是锻炼了综合运用学科知识解决问题的能力,培养了学生的科技创新能力。

【关键词】

STEM教育理念  新目标  发现问题  学科融合   解决问题

【引言】

中兴和华为事件反复告诉我们,关键核心技术是买不来、要不来、讨不来的。——中国工程院院士倪光南

中国要强盛、要复兴,就一定要大力发展科学技术,努力成为世界主要科学中心和创新高地。 ——习近平

青年是祖国的前途、民族的希望、创新的未来。青年一代有理想、有本领、有担当,科技就有前途,创新就有希望。——习近平

【正文】

STEM是科学、技术、工程、数学四门学科英文首字母的缩写。STEM教育理念倡导“生活中发生的大多数问题需要应用多种学科的知识来共同解决。”这点和《小学课程标准》提出“科学来源于生活,并服务与生活”的理念本质上是共通的。

那么,如何在科学实验课上实现STEM教育理念和科学教育理念的高度融合,并以此发展学生创新思维,培养学生的科技创新能力呢?接下来,我将以《金属热胀冷缩吗》一课为例,谈谈我的做法。

一、 以新课程标准为指导,重构新目标

 实验课是科学课的重要组成部分,学生的科学素养很多都是在实验课中形成的。《新课程标准》指出“要为学生提供有结构的实验材料”。但并不是教材中的所有实验都是有结构性的,都能让学生易于操作,现象明显,有的教材设计的实验甚至是不能成功的。


在对教材的深度挖掘和长期的教学经验积累基础上。我发现实验一“观察铜球的热胀冷缩实验”,将加热前和加热后的铜球分别通过金属环,观察是否都能过,由此来判断铜是否具有热胀冷缩的性质。这个实验,实验室配备有专门的实验器材,易于操作,现象明显;能很好的让学生体验观察到球状金属的热胀冷缩现象。在具体的操作中要注意一些安全操作的细节问题即可。

实验二“ 观察钢条的热胀冷缩”,具体操作为:加热一段30厘米左右的钢条,钢条一端用铁钉固定,钢条另一端的木板上插入一根大头针,通过观察大头针的倾斜来推测钢条的热胀冷缩现象。这实验是本课重点实验。但在实际上课过程中,却发现这个实验却存在很多问题。实验根本没办法成功,学生不能从实验现象中得出结论。因此,根据实际情况,我调整了教学目标和教学设计,具体如下表:

基于新课程标准,结合STEM教育理念,在对教材的全面钻研下,结合教学实际,我重新对教材进行有机整合,设定了融合STEM教育理念新的教学目标。目标对比如下:

原教学目标

STEM教育理念下学科融合目标

1    通过钢、铁和铝几种常见金属热胀冷缩实验的演示和操作,学生能直观地观察到金属的热胀冷缩现象。

1.对教材原始实验进行改进,设计能直观明显地观察到金属热胀冷缩的实验装置。

2.通过归纳和推理认识大多数金属具有热胀冷缩的性质。

2.如何运用数学知识或数学工具准确地对金属热胀冷缩进行度量。

3.通过本节课的学习,体会实验和观察是科学探究的一种方法。

3.如何组织更生动有效的语言,对小组设计并改进的实验装置进行说明。

4、通过学习,知道科学来源于生活,并服务于生活。

4.在探究过程中,更深入地建构有关金属热胀冷缩性质的知识。

 

从以上表格来看,新目标不仅达成了教材原定目标,更培养了运用多学科知识解决实际问题的能力;不但学得科学知识,更锻炼思维能力好,提高综合素养。

二、以失败的实验为契机,发现问题

科学,强调在探索中发现问题,解决问题。因此,即使老师已经知道按教材的实验是不可能成功的。但仍然让学生探索,并以此为契机,引发思考,实现教学新目标的达成。

在进行“钢条的热胀冷缩”实验时,我先分给每一组大头针、小铁锤、钢条、铁钉、木板等实验器材,学生总是费了九牛二虎之力还是没办法将大头针钉进木板,力度太轻,钉不进去,稍稍用点力,钉弯了,影响实验观察。用铁钉固定钢条的步骤也不容易操作。光准备环节往往要花去很长时间,而如果这些工作都由科学老师来做,工作量又非常大。

实验过程中,学生用酒精灯对一根长30厘米的钢条,进行长达10分钟的加热,仍然没有发现大头针倾斜。甚至酒精灯加热端的钢条已经明显发红了,可是钢条靠近大头针的一端,甚至是钢铁的中部,竟然可以直接用手触摸。因为钢条的这端,还是常温状态,最多是微微发热。

可见教材的实验,是不成功的。大头针没发生倾斜,学生没办法观察到明显的实验现象,就无法根据实验现象归纳推理出结论。

但失败的实验更有探究价值,我并没有就此打住,而是以此为契机,引导学生发现问题,思考分析导致实验不成功的因素。

学生经过讨论,从已有知识出发,他们认为有以下几个方面导致实验失败:A酒精灯加热源小,金属条受热时间太慢。B金属条并没有往大头针方向膨胀,可能往加热点的方向膨胀了。C金属条太长了,所以没办法传热。

很显然,第三点是不正确的推断,因为金属的线性膨胀,是和长度有关的,越长,膨胀的长度也越长。而且,金属是热的良导体,不存在没办法传热的问题。但我并没有直接告诉学生答案,而是给他们两个星期的时间,要他们以小组为单位,设计解决问题的方案,并进行实践,再来个实验设计大比拼。

三、以小组为单位,协作创新改进实验

经过近两个星期的反复实践,不断改进,每个小组都对实验有了一定的突破。主要有以下几个创新点:A采用两个酒精灯对金属条进行加热;B将金属条换成15厘米长的细条;C用固体酒精代替酒精灯进行加热;D用铝合金条代替钢条。

其中,第三个小组的创新赢得大家的一致赞赏,他们的灵感来源是因为该组中有一个组员家里开餐馆的,他常常见到使用加热架对羊肉煲进行加热。便想到这个点子了,就直接把加热架和固体酒精带来。

第四个创新点,使实验现象明显一些了,同学们能较大角度观察到大头针的倾斜,同学们很是惊讶。在该组组员的介绍下,大家方知该组中一个组员的家长是高中教师,他建议孩子们用铝合金条代替钢条。原理是:“铝合金的线性膨胀系数比合金钢的大”,这是高中才接触的知识点。这个知识点来得意外,也勾起了同学们探索科学无穷奥秘的兴趣。

但我们可以发现“固定金属条,保证金属条热膨胀方向”这个问题学生没办法突破。原因是学生在教材的引导下,陷入了思维定势。科学探究并不是一味的放手,当学生遇到思维瓶颈时,需要我们来打破。这时,我引导学生:不一定要用铁钉进行固定,也不一定要固定住中间。在我的启发下,学生的思维局限性一下子打开了,根据讨论结果的优化,最后一致认为,可以固定住金属条的加热端,这样金属条如果膨胀,就会往一个方向膨胀了。

如何固定对学生来说又是一个难题,作为一份子,我及时贡献力量,建议他们设计一个加热台,用挡板固定一端。同时抛出新问题:如何对指针进行放大,使实验现象更加明显。引导他们群策群力想出解决办法。

在思维火花的碰撞中,一个较为完善的创新改进计划终于形成了。后来,我又引导学生对实验器材进行创新,运用“杠杆原理”,对指针进一步完善。并给创新的实验器材取名“金属热胀冷缩实验仪”。

四、以STEM教育理念为指导,学科融合解决问题

根据STEM教育“采用学科的融合,解决问题”的理念。金属热胀冷缩实验仪的设计图,是由美术学霸画的;器材的成品是由各组组长负责联系木工师傅进行制作。

不仅如此,我还让他们运用学到的数学知识,完善指示面板的刻度问题;让语言组织能力较强的同学,撰写一份实验仪器说明书;让其他同学思考,如何优化固体酒精加热架。又经过一个星期,同学们再次对实验仪进行完善:

1.采用茶杯来装固体酒精,并用文具盒作为加热槽,可以随时增加加热点,操作方便。

2.利用量角器来度量指针偏移的度数。


右图(图5)就是再次创新改进的

金属热涨冷缩实验仪。

①挡板

在实验仪基座一端固定一个挡板,

解决了金属条固定难的问题。还能

满足不同金属材料的需求,保证金

属热胀冷缩的方向。

②加热槽

在加热口底部设计一个带盖的金属槽,其实就是废物利用,在文具盒里面可以放置固体酒精杯,不仅使实验操作更安全,同时能对实验金属条进行最大面积进行加热,大大缩短实验时间。

③指示盘

由指针加刻度盘加杠杆的组合成的金属热胀冷缩指示面板。使实验现象更明显,不仅能观察到热膨胀现象,还能观察到金属冷缩现象。经过改进后的实验器材,现象非常明显,一点燃固体酒精,铝合金条马上受热膨胀,指针马上就向右偏移,仅用一分钟左右的时间,指针就偏移出指示面板。不仅如此,撤掉火源,在杠杆的作用下,指针就往回缩,让学生不仅观察观察到金属条的热涨现象,还能观察到冷缩现象。整个热胀冷缩过程明显清楚,效果非常好。实验容易操作,适应多种材料;而且实验仪取材和制作容易,材料都是生活中常见物品,只需简单加工就可以,无论城市农村均适用,具有普遍性和推广性。

总之,基于STEM教育理念的课堂,是充满生机与活力的。科学课堂已不是简单的对科学知识的验证,更是多种能力的综合提升。从《金属热胀冷缩吗》这课实例中,我们可以看到随着“金属热胀冷缩实验仪”一次次创新改进,学生不但学得既定的科学知识,完成了原教材既定的目标,还轻松的突破教材,对金属热涨冷缩问题进行更深层次的探索。不仅懂得小组协作的力量,更懂得多方寻求解决问题的方法。在不断完善仪器的过程中,不但一次次体验到科学创新带来的成就感,更是锻炼了综合运用学科知识解决问题的能力,培养了学生的科技创新能力。








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