學(xué)講背景下的STEM活動(dòng)設(shè)計(jì)模式探究

蘭穎

【摘要】全市中小學(xué)在課堂教學(xué)中實(shí)施“學(xué)進(jìn)去，講出來(lái)”的教學(xué)方式（簡(jiǎn)稱“學(xué)講方式”）已有四年，在這幾年里，學(xué)講方式已經(jīng)深入融合到各個(gè)學(xué)科的教學(xué)中。但是在STEM教學(xué)中如何融合學(xué)講方式，使學(xué)生學(xué)習(xí)更主動(dòng)、有趣、活潑，使STEM教學(xué)活動(dòng)更有目的性、針對(duì)性、實(shí)效性，使教師的教和學(xué)生的學(xué)變得更有成效、更具教育和生活的意義，是教師重點(diǎn)研究的課題。本文基于學(xué)講方式的STEM課程教學(xué)模式展開(kāi)探究，通過(guò)聚焦問(wèn)題、提出任務(wù)、分解任務(wù)、建立模型、編程設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、反思不足六個(gè)步驟，進(jìn)一步將學(xué)講方式融入STEM教育的教學(xué)實(shí)踐中。

【關(guān)鍵詞】STEM項(xiàng)目;活動(dòng)設(shè)計(jì);教學(xué)實(shí)踐

【基金項(xiàng)目】本文系徐州市第十二期教研課題“創(chuàng)客教育背景下高中arduino校本課程的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：徐教研KT12088）的研究成果。

一、STEM活動(dòng)問(wèn)題的提出

STEM項(xiàng)目主要是基于真實(shí)情境，針對(duì)現(xiàn)實(shí)生活、學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)解決方案，從而解決問(wèn)題，這種基于真實(shí)問(wèn)題的情境創(chuàng)設(shè)，不僅能提高學(xué)生解決問(wèn)題的興趣，還能讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)真正應(yīng)用于實(shí)踐，解決現(xiàn)實(shí)中遇到的問(wèn)題，一舉兩得。比如，校本課程“物聯(lián)創(chuàng)新設(shè)計(jì)”，基于住校生無(wú)法在下雨天及時(shí)返回宿舍收拾晾曬衣物的真實(shí)情境，思考能不能設(shè)計(jì)制作一款下雨天能夠自動(dòng)關(guān)窗收衣服、天氣晴時(shí)能夠自動(dòng)開(kāi)窗晾衣服的智能窗戶和晾衣架，學(xué)生為此展開(kāi)探究并設(shè)計(jì)方案，具體流程圖如圖1所示。

二、小組討論探究，確定項(xiàng)目方案，確認(rèn)合作分工

（1）制訂項(xiàng)目方案：以小組為單位，集中討論探究項(xiàng)目方案，每個(gè)小組確定方案后，通過(guò)展示交流，確定方案的可行性。

（2）分析、確定要素：通過(guò)小組討論，分析項(xiàng)目各功能所需要的要素。

比如，能夠根據(jù)天氣情況（溫度、濕度、污染情況等）自動(dòng)開(kāi)窗晾曬衣服，自動(dòng)回收衣服并關(guān)窗。這個(gè)功能所需要的要素包括結(jié)構(gòu)體和控制電路，而控制電路又包括硬件連接和軟件編程設(shè)計(jì)。

（3）合作分工：確定組長(zhǎng)及各組員的分工、任務(wù)等。

比如，小組長(zhǎng)負(fù)責(zé)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及實(shí)施的過(guò)程進(jìn)度，對(duì)項(xiàng)目過(guò)程進(jìn)行記錄和總結(jié);組員1負(fù)責(zé)數(shù)學(xué)測(cè)量與計(jì)算（計(jì)算、測(cè)量窗戶及支架的尺寸等）、3D設(shè)計(jì)與打印;組員2負(fù)責(zé)電路設(shè)計(jì)及mixly編程設(shè)計(jì);組員3負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)與制作。

（4）準(zhǔn)備活動(dòng)：針對(duì)項(xiàng)目所需知識(shí)結(jié)構(gòu)，提前做好知識(shí)儲(chǔ)備學(xué)習(xí)工作，并完成一些與項(xiàng)目相關(guān)的實(shí)踐類體驗(yàn)活動(dòng)。

比如，在智能晾衣架項(xiàng)目中，學(xué)生可以完成以下體驗(yàn)活動(dòng)。

第一，利用PM2.5傳感器和液晶屏，讀取不同天氣狀態(tài)下，戶外、戶內(nèi)PM2.5的值。

第二，利用濕度傳感器、光線傳感器讀取晴天、陰天、下雨天的濕度值和光照值，并顯示在液晶屏上。

充足的準(zhǔn)備活動(dòng)，一方面可以提高學(xué)生可視化編程的能力;另一方面可以讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察和調(diào)查研究，為項(xiàng)目實(shí)施提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)保障。

整個(gè)過(guò)程都是在小組討論、集體探究的氛圍中完成的，每個(gè)小組設(shè)計(jì)出自己的方案和要素，并安排自己的準(zhǔn)備活動(dòng)，這充分體現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，也培養(yǎng)了學(xué)生的合作能力。

三、設(shè)計(jì)與制作：設(shè)計(jì)方案或作品草圖，進(jìn)行具體的制作

1.結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作

（1）學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，對(duì)生活中的實(shí)物或已有作品進(jìn)行調(diào)查研究，尋找結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路和著手點(diǎn)。

（2）小組討論結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，測(cè)量尺寸，設(shè)計(jì)縮放比例等。

（3）針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)展開(kāi)討論探究。

（4）選擇合適的素材實(shí)施項(xiàng)目制作。

比如，在制作伸縮晾衣架案例中，晾衣架可以采用嵌套伸縮式（見(jiàn)圖2）或折疊伸縮式（見(jiàn)圖3），小組需要結(jié)合所選素材和實(shí)現(xiàn)功能確定晾衣架的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行制作。

在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段，學(xué)生可先自主觀察或自主學(xué)習(xí)，然后通過(guò)小組討論共同形成制作方案，隨后分工合作完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作。這不僅鍛煉了學(xué)生觀察思考和合作探究的能力，還讓學(xué)生感受到工程學(xué)中，從制訂方案到實(shí)施方案，不斷測(cè)試優(yōu)化的系統(tǒng)性，既調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，又能讓學(xué)生綜合多學(xué)科知識(shí)來(lái)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

2.硬件電路設(shè)計(jì)及軟件編程設(shè)計(jì)

（1）按照方案設(shè)計(jì)的功能，每個(gè)小組根據(jù)自己的需求選擇合適的硬件、編制合適的程序。

（2）硬件電路設(shè)計(jì)：①繪制電路連接圖，確認(rèn)所需設(shè)備;②每個(gè)小組選取自己需要的硬件，并與主控板連接;③學(xué)生分析活動(dòng)體驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)得到的數(shù)據(jù)，確認(rèn)相關(guān)判斷條件，如伸縮晾衣架項(xiàng)目中下雨時(shí)的濕度值、空氣污染時(shí)的PM2.5值、晴天時(shí)的光照值等。

設(shè)計(jì)意圖：在準(zhǔn)備活動(dòng)時(shí)，學(xué)生記錄了這些數(shù)據(jù)用于準(zhǔn)確給出判斷條件，意識(shí)到數(shù)字的精確性和科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，不能有半點(diǎn)虛假和模糊。

（3）軟件編程設(shè)計(jì)：選擇合適的軟件展開(kāi)編程設(shè)計(jì)，如arduino IDE， mixly， xding等。

四、測(cè)試與優(yōu)化

1.組合結(jié)構(gòu)件及電路硬件

每個(gè)小組將下載好程序的控制器、傳感器、執(zhí)行器固定在結(jié)構(gòu)體上，并探討解決遇到的難點(diǎn)問(wèn)題。

2.測(cè)試項(xiàng)目功能實(shí)現(xiàn)的效果，并優(yōu)化程序代碼

在整個(gè)設(shè)計(jì)與制作、測(cè)試與優(yōu)化階段，每個(gè)小組都在合作交流中設(shè)計(jì)制作自己的作品，遇到問(wèn)題小組討論解決或求助于其他小組，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的自主性，培養(yǎng)了學(xué)生的合作探究能力。同時(shí)這個(gè)階段又以工程項(xiàng)目任務(wù)自然卷入了其他科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)。

五、展示與評(píng)價(jià)

（1）每個(gè)小組制訂自己的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，再將標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一匯總成評(píng)價(jià)方案，如表1所示。

（2）每個(gè)小組展示匯報(bào)自己的作品，匯報(bào)方式可以多樣化，但要包括以下幾個(gè)方面：①項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案;②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作介紹及問(wèn)題解決方法;③功能展示及解說(shuō);④S（科學(xué)）、T（技術(shù)）、E（工程）、M（數(shù)學(xué)）的融合方面;⑤改進(jìn)優(yōu)化策略及反思;⑥小組分工合作情況。

（3）每組根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自評(píng)和他評(píng)。

（5）根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果選出最佳作品組。

六、拓展與應(yīng)用

學(xué)生要將作品應(yīng)用于實(shí)踐并根據(jù)實(shí)際情況拓展其功能和結(jié)構(gòu)，以達(dá)到更加完善的效果。

該活動(dòng)教學(xué)模式在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用，不僅完成了預(yù)設(shè)的活動(dòng)目標(biāo)，還充分體現(xiàn)了STEM教育理念;不僅呈現(xiàn)了如何使學(xué)生參與項(xiàng)目、探索完成任務(wù)、分享解釋自己的解決方案、評(píng)估并進(jìn)一步完善解決方案的微觀過(guò)程，還呈現(xiàn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、小組合作學(xué)習(xí)、質(zhì)疑探究、測(cè)試優(yōu)化、展示交流的學(xué)講過(guò)程，使學(xué)生在充分發(fā)揮學(xué)習(xí)主動(dòng)性的同時(shí)，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，營(yíng)造了小組合作的氛圍。同時(shí)，在STEM的領(lǐng)域中，學(xué)生將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)知識(shí)緊密融合，解決問(wèn)題，培養(yǎng)了自己解決問(wèn)題的能力，提高了思維能力。

【參考文獻(xiàn)】

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