基于STEM教育理念的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)探索
——以“單透鏡望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)與制作研究”為例

喬 蘭

“STEM”指的是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Tech?nology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathemat?ics）四門學(xué)科。STEM教育強(qiáng)調(diào)將對(duì)科學(xué)知識(shí)的解釋、科學(xué)探究實(shí)踐以及教授內(nèi)容與工程設(shè)計(jì)相結(jié)合，其目標(biāo)是整合各領(lǐng)域的知識(shí)、技能，將課堂學(xué)習(xí)的知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際生活，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。其教學(xué)過(guò)程需融合各學(xué)科知識(shí)，形式上多結(jié)合項(xiàng)目式教學(xué)，主要開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科整合，關(guān)注新技術(shù)及其實(shí)踐應(yīng)用。

項(xiàng)目式教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生計(jì)劃、實(shí)施并投入的過(guò)程，相比普通的學(xué)習(xí)任務(wù)有著更強(qiáng)的實(shí)踐性。將“項(xiàng)目”這一概念與STEM教育相結(jié)合，可以讓學(xué)生在真實(shí)的問(wèn)題情境中，聯(lián)系已有的知識(shí)，調(diào)查研究、大膽設(shè)計(jì)、反復(fù)測(cè)試，將生活經(jīng)驗(yàn)與課堂學(xué)習(xí)相結(jié)合；同時(shí)，教師在課堂教學(xué)中將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)相互融合，使學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中提高創(chuàng)新能力，增強(qiáng)其社會(huì)責(zé)任感，提高其學(xué)科綜合素養(yǎng)。

一、基于STEM教育理念的項(xiàng)目式教學(xué)

STEM教育理念下的項(xiàng)目式教學(xué)，強(qiáng)調(diào)將課堂教學(xué)與師生的生活實(shí)踐相結(jié)合，解決實(shí)際問(wèn)題。所以，在課堂上如何呈現(xiàn)富有真實(shí)性、趣味性和挑戰(zhàn)性的研究項(xiàng)目，整合各學(xué)科相關(guān)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，是教師需要思考的重要問(wèn)題。本文中，筆者以“單透鏡望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)與制作研究”的課堂教學(xué)為例，說(shuō)明在STEM教育理念的支持下，如何在物理課堂中實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)。

1.明確任務(wù)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)。

在課堂正式開(kāi)始之前，教師向?qū)W生介紹本課的學(xué)習(xí)任務(wù)：小組合作動(dòng)手制作一架以針孔為目鏡的單透鏡望遠(yuǎn)鏡，分析望遠(yuǎn)鏡的制作參數(shù)對(duì)其成像效果的影響。

明確研究任務(wù)后，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下查找并學(xué)習(xí)幾何光學(xué)和物理光學(xué)的相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)成像的分辨率、像的大小、像的亮度等因素都會(huì)影響人們觀察像的清晰度時(shí)的主觀感受。受實(shí)驗(yàn)條件的限制，筆者最終選擇以上三個(gè)因素作為評(píng)價(jià)望遠(yuǎn)鏡成像效果的標(biāo)準(zhǔn)。之后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生從幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)的角度深入研究小孔成像的過(guò)程，從理論上推導(dǎo)出分辨率與孔徑、物距和像距的關(guān)系，為后續(xù)學(xué)生自主實(shí)踐打下理論基礎(chǔ)。

2.引入項(xiàng)目，分組實(shí)驗(yàn)。

基于以上理論基礎(chǔ)的鋪墊和對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的課前評(píng)估，筆者設(shè)計(jì)了兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在循序漸進(jìn)的實(shí)踐過(guò)程中完成探究任務(wù)，提升自身科學(xué)素養(yǎng)。

教學(xué)環(huán)節(jié)1：自制開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡的引入

帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)器材，引導(dǎo)其自行組裝一臺(tái)開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)調(diào)試使之實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)的功能，同時(shí)借助光學(xué)儀器分析開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡成像的物理原理。

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)活動(dòng)調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，將書(shū)本上的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際生活中，激發(fā)學(xué)生的研究興趣，在實(shí)踐后將研究?jī)?nèi)容回溯理論，引導(dǎo)學(xué)生分析成像原理、鞏固所學(xué)知識(shí)，在活動(dòng)中感受知識(shí)的力量，產(chǎn)生學(xué)習(xí)的愿望和動(dòng)力。

教學(xué)環(huán)節(jié)2：挑戰(zhàn)制作“單透鏡望遠(yuǎn)鏡”

在了解了開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡的成像原理后，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考并討論是否可以用針孔代替凸透鏡作為目鏡，制作一架單透鏡望遠(yuǎn)鏡。

【設(shè)計(jì)意圖】在制作簡(jiǎn)易開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)上，設(shè)置新的有難度的問(wèn)題，打開(kāi)學(xué)生的思路，為學(xué)生制造挑戰(zhàn)自我的機(jī)會(huì)，在研究中學(xué)會(huì)先從理論角度利用自己的物理學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備，分析實(shí)驗(yàn)的可能性，之后利用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證理論的準(zhǔn)確性和可行性。

學(xué)生在以上課堂活動(dòng)中分成三個(gè)小組，分別設(shè)計(jì)出不同材質(zhì)、性能的望遠(yuǎn)鏡，各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 望遠(yuǎn)鏡材料明細(xì)表

3.小組互評(píng)，展現(xiàn)風(fēng)采。

在課堂最后的評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，教師將學(xué)生分成匯報(bào)方、討論方及評(píng)價(jià)方，展開(kāi)了一場(chǎng)熱烈而友好的討論交流會(huì)。

首先匯報(bào)方從課題分析、模型建立、理論分析、產(chǎn)品制作、評(píng)估與分析、結(jié)論、產(chǎn)品展示等環(huán)節(jié)對(duì)小組的研究過(guò)程進(jìn)行匯報(bào)。接著，討論方針對(duì)匯報(bào)方的匯報(bào)，結(jié)合本組的研究指出匯報(bào)方在各個(gè)環(huán)節(jié)研究的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)問(wèn)題提出需要進(jìn)一步深入研究的方向。在這個(gè)過(guò)程中，討論方小組的研究過(guò)程及成果也得到了展示。在雙方討論結(jié)束后，評(píng)論方就剛才雙方的討論內(nèi)容，概括雙方研究的重點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)雙方的陳述過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，總結(jié)雙方的優(yōu)缺點(diǎn)，之后展示本組的研究過(guò)程及成果。

在以學(xué)生為主體的教學(xué)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)中，學(xué)生不僅展示了各自小組的研究成果，同時(shí)也在交流中發(fā)現(xiàn)了自己和對(duì)方研究中的優(yōu)點(diǎn)和不足，提高了自身創(chuàng)新、動(dòng)手實(shí)踐、總結(jié)反思等各方面的綜合素質(zhì)和能力。

二、“STEM”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的收獲和反思

“單透鏡望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)與制作研究”以2017年IYPT比賽中第3題（https：//archive.iypt.org/poblems/）為靈感，結(jié)合學(xué)生的學(xué)情及我校作為“STEM教育基地”的特點(diǎn)，充分體現(xiàn)了STEM課程教育跨學(xué)科、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、解決生活中實(shí)際問(wèn)題等特點(diǎn)。通過(guò)本項(xiàng)目的課堂教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為基于STEM教育理念的項(xiàng)目式教學(xué)應(yīng)注意以下三個(gè)方面。

1.依據(jù)學(xué)科知識(shí)建構(gòu)基礎(chǔ)模型，讓STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)有章可循。

STEM教育鼓勵(lì)學(xué)生在真實(shí)情境中開(kāi)展科學(xué)探究，采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、創(chuàng)意發(fā)明、手工制作等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。但是，STEM教育的目的不是培養(yǎng)“能工巧匠”，而是培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”，所以教師設(shè)計(jì)的研究項(xiàng)目中必須有基礎(chǔ)學(xué)科的知識(shí)原理滲透，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)學(xué)科知識(shí)對(duì)研究問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)的建模，明確學(xué)習(xí)過(guò)程中需要研究的具體方向。

2.在實(shí)踐探究中掌握科學(xué)知識(shí)和方法，形成科學(xué)精神。

STEM教育打破了“靜態(tài)的課堂”教學(xué)模式，鼓勵(lì)學(xué)生做中學(xué)、玩中學(xué)，形成以主動(dòng)、探索、創(chuàng)造為特征的新型學(xué)習(xí)方式。但需要強(qiáng)調(diào)的是，STEM教育要把重點(diǎn)放在由學(xué)科知識(shí)理論引導(dǎo)下的有效的實(shí)踐探索中，并在過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生更深入地理解科學(xué)知識(shí)、掌握科學(xué)方法，進(jìn)而形成科學(xué)精神。

3.關(guān)注研究過(guò)程，收獲深刻的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

在STEM教育的項(xiàng)目研究活動(dòng)中，教師應(yīng)該關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，允許學(xué)生犯錯(cuò)、試錯(cuò)，給學(xué)生提供組間表達(dá)、對(duì)話、建議的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生在交流中認(rèn)識(shí)到自我的不足和優(yōu)勢(shì)，尋找問(wèn)題深層次的科學(xué)原因，改進(jìn)研究方法，提高科學(xué)素養(yǎng)。

基于STEM教育理念的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)利用跨學(xué)科的方式建立起科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)等學(xué)科知識(shí)之間的聯(lián)系，并強(qiáng)調(diào)將理論知識(shí)和實(shí)際社會(huì)應(yīng)用相結(jié)合，讓學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)、協(xié)作和實(shí)踐，樹(shù)立終身學(xué)習(xí)的意識(shí)，提高科學(xué)創(chuàng)新和實(shí)踐能力，進(jìn)而獲得全面發(fā)展。