巧改科學(xué)課教學(xué)具 開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維

許麗玲

在新一輪課程改革東風(fēng)的吹拂下，科學(xué)教師更加積極地投入科學(xué)課程改革的研究中。新課標力圖改變過于注重知識傳授的傾向，強調(diào)形成積極主動的學(xué)習(xí)態(tài)度;力圖使學(xué)生獲得知識與技能的過程成為學(xué)會學(xué)習(xí)和形成正確價值觀的過程。為了與新課程改革的理念相適應(yīng)，我們應(yīng)適時適度地改進教材中的教學(xué)具，讓學(xué)生更主動、更獨立、更具體驗性和問題性地融入科學(xué)課堂的學(xué)習(xí)，開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。

一、借助人工智能創(chuàng)新教學(xué)具

人工智能涉及數(shù)學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、仿生學(xué)、計算機技術(shù)、控制論、機械工程設(shè)計等諸多領(lǐng)域，它可以更好地將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)聯(lián)系起來，提升學(xué)生的科技創(chuàng)新素養(yǎng)。在《做個太陽能熱水器》課例中，由于一天中太陽東升西落，季節(jié)不同，陽光的照射高度和晝夜長短也不同，太陽的位置是在始終變化的。設(shè)計的太陽能熱水器如何讓陽光保持直射，吸收更多的光和熱呢？隨著科技的發(fā)展，人工智能已經(jīng)和我們的生活緊密相連，讓我們的生活變得更加便捷和智能化，也讓我們能更好地利用自然資源和自然規(guī)律。此時借助人工智能技術(shù)制作的創(chuàng)新教具太陽能熱水器智能旋轉(zhuǎn)底座（此智能底座由電動機驅(qū)動齒輪減速系統(tǒng)，再傳動到底座上的轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，另有控制底座旋轉(zhuǎn)快慢的主機。可以依據(jù)太陽運動的規(guī)律來編輯控制底座旋轉(zhuǎn)方式的程序?qū)胫鳈C上。連接主機與底座，打開控制開關(guān)，智能底座便執(zhí)行命令開始朝向太陽旋轉(zhuǎn)了。而且，當季節(jié)不同太陽高度角發(fā)生變化時，還可以利用底座上的棘輪裝置調(diào)整太陽能熱水器的傾斜角度。）很好地解決了這個問題。在大數(shù)據(jù)背景下的人工智能應(yīng)用，追蹤太陽位置的方式不僅限于一種，也可以是利用圖像識別技術(shù)開發(fā)的傳感器、顏色傳感器、光敏傳感器等。編輯的程序也視具體任務(wù)和使用的零件而定，引入人工智能的概念在于營造學(xué)生與時俱進的意識，初步明白人工智能設(shè)備可以實現(xiàn)太陽能熱水器智能旋轉(zhuǎn)底座的開發(fā)利用，進而意識到人工智能領(lǐng)域已經(jīng)與我們生活緊密相連，讓學(xué)生體會學(xué)無止境、創(chuàng)新可貴。機器人技術(shù)和科學(xué)課堂有效融合，可以營造充滿創(chuàng)意的智能教育環(huán)境。

二、融合STEM創(chuàng)新教學(xué)具

與STEM教育理念不同，探究式學(xué)習(xí)方式的科學(xué)課堂主要讓學(xué)生在科學(xué)課中自己探索問題;強調(diào)在科學(xué)課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)類似于學(xué)術(shù)研究的情境，讓學(xué)生通過動手做、做中學(xué)主動地發(fā)現(xiàn)問題、實驗、操作等探究活動獲得知識，培養(yǎng)能力，特別是發(fā)展探索精神與創(chuàng)新能力。通過創(chuàng)新具有STEM教育理念的探究教具，將有顯著STEM式學(xué)習(xí)特色的科學(xué)課堂和探究式學(xué)習(xí)特色的科學(xué)課堂進行有效融合，可以更大限度地開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。以《金屬熱脹冷縮嗎》一課為例，在傳統(tǒng)的科學(xué)課堂中，這是一節(jié)典型的探究課，如何融入STEM創(chuàng)新教具呢？教材中第二個探究實驗原型是用一段30厘米左右長的鋼條做一個橋的模型，然后給“橋”（鋼條）加熱，觀察加熱后鋼條伸長并擠歪大頭針來探究鋼條是否具有熱脹冷縮的性質(zhì)。為了更好地開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，我結(jié)合了教材中“鋼鐵造的橋在溫度變化時會熱脹冷縮。因此，鐵橋通常都架在滾軸上”這個拓展延伸，從材料和方法兩方面進行了改進和創(chuàng)新，設(shè)計出了架在滾軸上的橋模型，通過給橋加熱探究金屬熱脹冷縮的性質(zhì)。（該裝置利用兩根熱膨脹系數(shù)較大的U形鋁條模擬橋梁，并在橋梁之間預(yù)留間隙作為伸縮縫。橋梁與橋墩之間用滾珠軸承相連作為可移動支座，使橋梁因熱脹冷縮形變時可以平滑位移。將簡單電路連入橋的兩端，通過小燈泡發(fā)光和蜂鳴器的聲音來反映金屬熱脹冷縮的現(xiàn)象。在教學(xué)過程中首先給每組學(xué)生提供搭建材料，在學(xué)生認真熟悉了實驗材料之后再給出工程任務(wù)——利用教師提供的材料，搭建一座簡易的橋模型，并用搭建的模型探究金屬鋁熱脹冷縮的性質(zhì)。在搭建之前，教師要求小組之間像工程師一樣先討論并設(shè)計搭建方案，再把設(shè)計方案畫在設(shè)計稿上。雖然給每個小組提供了相同的實驗材料，設(shè)計的實驗方案卻不盡相同，這體現(xiàn)了結(jié)果的開放性。）本課例改進的教具，結(jié)合了當下最新的STEM教育理念，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生以建一座能探究金屬熱脹冷縮性質(zhì)的橋為任務(wù)，投入工程實踐的一般過程，促進學(xué)生將探究與技術(shù)工程更融合地學(xué)習(xí)，有助于發(fā)展學(xué)生的高階思維技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)。

三、化微觀為宏觀

科學(xué)課探究講究實證意識，但有時實驗現(xiàn)象卻不明顯，學(xué)生易失去耐心和興趣。此時教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，利用微觀化宏觀的思維方式，積極改進實驗教具，可以很好地開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，甚至可以培養(yǎng)學(xué)生更全面的思維方式。同樣以《金屬熱脹冷縮嗎》一課為例，金屬熱脹冷縮的變化是極其微觀的，除了看到金屬熱脹冷縮的過程，能不能看到金屬熱脹冷縮的多角度變化過程呢？孔子說：“不憤不啟，不悱不發(fā)。”在學(xué)生經(jīng)歷了一番頭腦風(fēng)暴之后，教師與學(xué)生一起討論研究，自主創(chuàng)新的探究教具光影金屬熱脹冷縮演示器（本裝置依據(jù)光的直線傳播原理，通過投影放大待探究金屬的影子，通過觀察屏上的影子，放大了金屬熱脹冷縮的動態(tài)變化過程。）可以建構(gòu)學(xué)生更完整的知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生更全面的思維方式。在制作的過程中，學(xué)生潛移默化地將化微觀為宏觀的創(chuàng)新理念深刻地記在心中，這在以后的科學(xué)課程乃至其他科目的學(xué)習(xí)過程中，將成為重要的創(chuàng)新思維方式，影響深遠。