開發(fā)不同層次的“吹泡泡”STEM課程

邵靜靜

STEM教育究竟是什么？為什么它能培養(yǎng)出創(chuàng)新型人才？這要從STEM教育的本質(zhì)說(shuō)起，STEM教育結(jié)合了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)，然而它不是學(xué)科之間的簡(jiǎn)單結(jié)合，而是將知識(shí)融合到一起，去解決實(shí)際問題，在問題解決的過(guò)程中，讓學(xué)生把零散的知識(shí)變成了一個(gè)互相聯(lián)系的主體，從而獲得一種跨學(xué)科的體驗(yàn)，因此它更注重的是學(xué)生的創(chuàng)新能力、解決問題的能力和相互合作的能力。這也是為什么美國(guó)要從幼兒教育開始就開展STEM教育，重在培養(yǎng)學(xué)生成為實(shí)際問題的解決者和學(xué)習(xí)者，發(fā)展他們面對(duì)真實(shí)世界的技能，從而順利適應(yīng)未來(lái)的社會(huì)。STEM教育貫穿小學(xué)到大學(xué)，在不同的學(xué)習(xí)階段，其要求的水平層次必定也不相同。即使是在小學(xué)，隨著學(xué)生年齡段的不同，其認(rèn)識(shí)水平和認(rèn)識(shí)規(guī)律的不同，會(huì)導(dǎo)致STEM具體教學(xué)的層次要求也不同。

本文就以“吹泡泡”為例，從小學(xué)的低、中、高三個(gè)不同的年段，談如何做好小學(xué)科學(xué)教學(xué)。

低年段吹泡泡

低年段學(xué)生原有的知識(shí)水平較低，一些科學(xué)原理不是這個(gè)年齡段的學(xué)生所能理解的，故此，低年段的吹泡泡STEM活動(dòng)，著重培養(yǎng)他們的基本動(dòng)手能力，看圖理解能力，讓他們體會(huì)成功的喜悅，從而愛上動(dòng)手實(shí)踐。

故而，對(duì)于低年段的學(xué)生，只要他們能做出吹泡泡的工具和泡泡液即可。具體來(lái)說(shuō)，他們能按照?qǐng)D1的辦法，用吸管做一個(gè)簡(jiǎn)單的吹泡泡的工具;同時(shí)，他們依據(jù)已有的日常經(jīng)驗(yàn)（洗滌劑、洗發(fā)水、肥皂液能產(chǎn)生泡泡），選擇一些材料搭配，制作出泡泡液。

中、高年段吹泡泡

中、高年段的學(xué)生已具備一定的知識(shí)水平，也開始能理解一些科學(xué)原理，因此，吹泡泡活動(dòng)著力培養(yǎng)他們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

中、高年段的需求定位是吹出更大的泡泡。學(xué)生基于此需求，在實(shí)踐中必須解決兩個(gè)重要的問題：調(diào)制泡泡液和改進(jìn)吹泡泡的工具，并且兩者密切相關(guān)。

1.調(diào)制泡泡液——中年段

在日常生活中，學(xué)生看到肥皂、洗衣粉、洗滌劑、清潔劑等產(chǎn)生大量泡泡，加上調(diào)查訪問其他人的經(jīng)驗(yàn)，就可能提出許多不同的泡泡液配方。如水850 mL、洗潔精500 mL、甘油275 mL、膠水100 mL，水1200 mL、洗潔精200 mL、甘油200 mL、膠水100 mL、洗發(fā)水50 mL等。

但是，維持泡泡的其實(shí)是運(yùn)用液體的表面張力這一原理，這是學(xué)生不了解的。清潔劑、水、甘油在其中起到了什么作用，也是值得探究的科學(xué)問題。

為此，教師可以引導(dǎo)學(xué)生做下面的研究性實(shí)驗(yàn)。

（1）認(rèn)識(shí)表面張力。例如，滿滿一杯水，逐漸向里面加一些回形針，水面在杯口鼓起了，并不會(huì)一下子就溢出來(lái);生活中，可以看到荷葉上的水珠滾動(dòng)。

（2）比較幾種液體如水、油的表面張力。比較完水和油的表面張力后，發(fā)現(xiàn)水的泡泡比油的泡泡更容易破碎，而不管哪種泡泡，只要用干燥或者帶尖刺的物體碰一下就會(huì)破碎。

分析（1）（2）兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生基本就能理解泡泡實(shí)際上就是表面張力的作用。他們由此可以推論，加強(qiáng)泡泡液體的表面張力可以讓泡泡持久，也可以讓泡泡吹得更大。

（3）比較發(fā)現(xiàn)“清潔劑+水”模式，非常容易產(chǎn)生泡泡。

（4）沾有油漬的碗筷，僅僅用水很難把油漬洗掉，但在加入一定的清潔劑后，就比較容易洗掉。

教師可以向?qū)W生解釋清潔劑的原理：清潔劑其實(shí)是一種界面活性劑，這種物質(zhì)的微粒（分子）結(jié)構(gòu)的特性，使得它的一端是親水端，一端是親油端，從而使得水和油更容易結(jié)合。清潔劑的親水端和水形成薄膜，此薄膜會(huì)因表面張力的原因而形成球形的泡泡。

分析（3）（4）兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生認(rèn)識(shí)到清潔劑加水可以形成薄膜，從而產(chǎn)生泡泡，而油脂等一些其他物質(zhì)被帶到這個(gè)薄膜上后，能增強(qiáng)此薄膜的表面張力。

學(xué)習(xí)了上述科學(xué)知識(shí)后，學(xué)生知道：要做出泡泡液，至少需要水、清潔劑、甘油或其他物質(zhì)。以此為指導(dǎo)，學(xué)生在不斷嘗試后，做出了最簡(jiǎn)單、最優(yōu)化的泡泡液配方，即“清潔劑[∶]水[∶]膠水=2[∶]4[∶]1”。

2.改進(jìn)吹泡泡工具——中年段

提出任務(wù)：利用鐵絲、棉繩制作超級(jí)泡泡器。

一開始，學(xué)生憑借生活經(jīng)驗(yàn)用鐵絲做一個(gè)圈，蘸上泡泡液后吹氣，發(fā)現(xiàn)吹不大。分析后發(fā)現(xiàn)：鐵絲圈上留住的泡泡液太少。改進(jìn)辦法：在鐵絲圈上纏繞上一些棉繩，棉繩浸了泡泡液后，就能源源不斷地為吹大的泡泡提供補(bǔ)充物質(zhì)。

活動(dòng)總結(jié)：影響泡泡器的關(guān)鍵因素之一就是泡泡器的液體附著能力。

學(xué)生自主研發(fā)超級(jí)泡泡器：除了用棉繩提升泡泡器的液體附著力，還有其他辦法嗎？

頭腦風(fēng)暴：球拍式泡泡器、花瓣式泡泡器、泡泡器棉棒……

3.改進(jìn)吹泡泡的方法——中、高年段

學(xué)生通過(guò)實(shí)踐很容易找到以下訣竅：吹出的氣流不要忽強(qiáng)忽弱，氣流太強(qiáng)則吹出的泡泡小，氣流太弱又難以吹出泡泡;鐵絲圈中的泡泡膜上不要有碎泡泡;鐵絲圈上的棉繩要多蘸一些泡泡液，才能吹出更大的泡泡。

學(xué)生不容易注意到的是，隔著一定遠(yuǎn)的距離吹出的泡泡更大。

讓學(xué)生實(shí)踐此方法，帶來(lái)新的疑問：這是為什么呢？教師可以先帶領(lǐng)學(xué)生做幾個(gè)伯努利實(shí)驗(yàn)：

趣味實(shí)驗(yàn)1：兩張紙放在嘴邊，對(duì)著兩張紙的中間吹氣，兩張紙不會(huì)分開，反而靠攏（如圖2）。

趣味實(shí)驗(yàn)2：吹風(fēng)機(jī)吹不走這張紙臺(tái)（如圖3）。

教師與學(xué)生一起討論分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。教師講解隔開一定距離吹泡泡時(shí)的伯努利原理：吹出的氣流，流速快、壓力小，旁邊的空氣流速慢、壓力大，于是旁邊的空氣就會(huì)補(bǔ)充進(jìn)來(lái)。

最后，教師還可以就生活中的伯努利現(xiàn)象做一些拓展。如飛機(jī)的機(jī)翼是如何產(chǎn)生上升力的（如圖4），等火車的時(shí)候?yàn)槭裁匆欢ㄒ驹邳S色的警戒線以外。