STEM教育理念下的“設計簡單電路”教學案例

孔躍

一、背景和理念

當今世界的競爭說到底是人才的競爭。人才是中華民族實現偉大復興，贏得日趨激烈的國際競爭的重要戰略資源。人才的培養離不開教育，教育的發展必須跟上時代的步伐，STEM教育就是在這個背景下發展起來的，其中S代表科學（Science），T代表技術（Technolo-gy），E代表工程（ Engineering），M代表數學（Mathematics）。如果把STEM教育當作是科學、技術、工程和數學這四門學科的機械疊加，就恰恰違背了STEM教育的核心理念。STEM教育的核心理念是跨學科、融合性、開放性、體驗性、協作性、創新性、設計性和主體性。其課題的選取往往基于一個現實問題，通過情境創設、問題分析、實驗探究、數據分析、交流與展示、評價與思考等過程，將科學、技術、工程、數學等學科有機融合，從而培養學生的綜合素養、團隊意識、創新精神和實踐能力，使他們成為擁有良好科學素養的公民。

如何將STEM教育理念運用在初中物理教學實踐中？筆者以蘇科版物理九年級上冊綜合實踐活動“設計簡單電路”為例，談一談在初中物理課堂教學中實踐STEM教育理念的做法和思考。

二、設計和流程

【課題選擇】“設計簡單電路”是“電路初探”這一章節中的最后一個教學內容，是學生在學習了串并聯電路知識后的一次實際應用。這節課內容豐富，貼近實際，學生要靈活運用所學的串并聯電路的知識來解決實際問題，不僅要有解決問題的能力，而且要有較強的動手實踐能力，是一節可以體現STEM教育理念，運用STEM教學策略的綜合實踐課程。

【教學目標】1.了解簡單電路在生活中的運用實例，進一步加深對串并聯電路的理解。2.通過簡單電路模型的設計和制作，培養設計、動手能力和創新精神。3.體驗科學探究過程，學會與他人合作，感受學習的樂趣。

【教學任務】1.設計病房呼叫電路。2.設計樓道燈電路。3.設計報警電路。4.設計未系安全帶提醒電路。

【教學資源】教學案、多媒體視頻、LED燈（若干）、干電池（若干）、蜂鳴器（若干）、導線（若干）、細導線、開關（單刀單擲和單刀雙擲若干）、彩色水筆、卡紙、橡皮泥、回形針、雙面膠、圖釘、牙簽等。

【教學流程】1.情境再現，激發學習興趣。STEM教學是基于現實情境的，需要學習者置身于真實、非虛構的學習任務中。所以教師在課前要準備一些貼近實際的多媒體視頻，讓學生了解這個領域的現實狀況;還可以介紹該領域內的科學家及其研究成果，樹立榜樣，進一步激發學生的學習動力。我提前在網上下載了一些視頻資料：《理科生浪漫起來簡直沒文科生什么事》《紅外激光防盜報警器》，公益廣告片《Heaven canwait，belt up！》。

2.問題導向，引入教學任務。問題一：設計病房呼叫電路，在護士值班室里有兒盞指示燈和一個電鈴，在病房中的每個病床邊都有一個按鈕。這個電路是如何工作的？閱讀九年級教材上冊80-81頁相關內容。問題二：在樓道中安裝電燈，要求在樓梯的上下兩端都能控制它，上樓時，能用下面的開關S1開燈，上了樓梯以后，能用上面的開關S2關燈;下樓時，又能用S2開燈，用S1關燈。問題三：設計安全帶未系提醒電路，駕駛員在開車時必須系好安全帶，原理：①司機坐在座位上，相當于閉合開關S;②系好安全帶，相當于閉合開關S1;③當司機坐上座位，若未系好安全帶，指示燈亮;若系好安全帶，指示燈熄滅。問題四：某農場有一羊圈和值班室，為了防止狼闖入羊圈或羊從羊圈中跑出來，請為值班室里的牧羊人設計一個報警電路。原理：情況正常時，值班室燈亮，電鈴不響;當有牲畜闖入或跑出時，碰到柵欄會拉斷柵欄上的細導線，燈滅同時電鈴響。

3.團隊合作，設計電路并動手實踐。教師先將學生分成4-5人的合作小組，發放“設計簡單電路”教學案，要求學生首先閱讀導學案上的相關內容，了解任務要求、實驗器材、實驗準備、注意事項等，在學生了解相關電路器件的功能和實驗要求的基礎上，由小組成員共同商量，確定一項實驗任務。在動手實驗前，教師要規定活動時問，要求在規定時間內完成任務。接下來，各小組成員分工合作，討論設計電路，并把電路圖先畫在紙上，然后根據設計圖紙，將電路圖連接成電路模型，要求電路模型具有科學性、新穎性、實用性、安全性、真實性。這個階段是學生最喜歡的，學生的設計能力、動手能力、交往能力、創造能力等得到展示和鍛煉。此時此刻，學生成了課堂的主角，而教師成了學生的伙伴和導師。教師不要過多干預，可參與到學生的小組討論中，適時點撥和提示。如果發現有的小組遇到了困難，教師也不要直接幫助解決，而是教給學生解決問題的思路和方法。教師巡視各組的進展情況，鼓勵學生利用教師提供的實驗器材，發揮聰明才智，設計并制作出電路模型。

4.展示交流，分享研究成果。在規定時間內，各組學生完成了相關電路設計和模型制作。此時的課堂應該成為學生展示交流、分享成果的舞臺。各小組選出2名成員走上講臺展示本組設計的電路和制作的模型，并交流從設計電路和觀察現象中得出的結論。教師適時點撥提問，引導學生積極思考，讓學生在思考和回答問題中加深對物理知識的理解。其他小組的學生可以在實驗展示結束時給予評價，提出質疑和改進意見。

5.知識總結，思考深化應用。課堂教學很快就結束了，但一節課的時間并不能解決所有問題。學生在展示、交流、評價和質疑的過程中，對已有設計方案提出改進意見，對實驗現象有了新的發現，對實驗結果提出了新的質疑。這些都有待于課后去探究和解決。課堂結束后，需要適時進行總結，完成課后作業，促進學生將零散的知識系統化。這時就需要教師精心設計一些思考題讓學生進一步加深理解，讓學生通過課外閱讀，上網查閱資料，再次動手改進實驗，去探究更實用的電路。這樣不僅能加深學生對知識的理解，而且培養了學生自主學習的能力。

三、體會和反思

從課堂狀態來看，這節課大多數學生能主動參與，積極思考，踴躍發言，學生的學習興趣和求知欲望被充分調動。運用STEM教育理念的課堂可以激發學生的學習興趣，有了興趣，他們就會產生學習欲望，實現從“要我學”到“我要學”的轉變。

學生的主體性得到充分體現。課堂上，教師講授不多，在材料閱讀、問題分析、實驗探究、交流展示、評價與思考等一系列環節中，主要都是由學生自主完成。教師只是起到指導、點撥和協助作用。解決問題的過程、得到結論需要學生團隊合作和自主探究。運用STEM教育理念的課堂培養了學生獨立自主、運用知識、解決問題的能力。

運用STEM教育理念的課堂教會了學生解決實際問題的一般性方法，即發現問題、分析問題、查閱資料、設計實驗、數據分析、得出結論。在這個的過程中，學生的計算能力、設計能力、組織能力、溝通能力、創新能力、合作精神等得到了鍛煉，為今后從事更加復雜的社會實踐和科學研究奠定了基礎。

這節課讓學生體驗到了成功的快樂，增強了學生的自信心。在STEM教學理念下，學生體會到團隊合作的重要性，意識到一個復雜問題的解決僅靠一人之力是很難完成的，必須有大家的參與和分工協作。問題的結論往往也是開放性的，沒有統一的答案。STEM教育理念下的師生是平等的，有些問題可能教師也不會，但也不必擔心，教師和學生可以一起學習討論，共同提高。

STEM教育理念下的課堂讓教師感受到了學生的快樂、自信、主動與能力。但是我們能否把每一節課都上成STEM課呢？很顯然這是不現實的，也沒有必要。第一，國內缺乏STEM課程的教學資源，有效的、針對性強的課程開發和設計也相對滯后。第二，受到教學進度和教學任務的制約，完成一個基于現實問題的STEM課題往往要花費幾節課、幾周甚至更長時間，同時還需要學生花大量的時間和精力去廣泛閱讀和動手實踐，而要做到這一點無疑是困難的。第三，受到當下考評方式的影響，在STEM課程中，學生學習的知識往往是碎片化的，知識的系統性和完整性沒有形成。學生也許有廣泛的知識面，有良好的科學素養和創新能力，但他們的考試成績并不一定優秀。這些都是一線教師在實踐STEM理念時所面臨的困難和阻礙。但作為一名新時代的教師，我們要有責任擔當，要在教育教學改革中勇于探索，靈活地把STEM理念運用到平時的課堂教學中，把它作為傳統教學的有益補充。最后引用教育家蔡元培先生的一段話與大家共勉：“我們教書，是要引起學生的讀書興趣，做教員的不可一句一句或一字一字地都講給學生聽，最好使學生自己去研究，教員不講也可以，等到學生實在不能用自己的力量去了解功課時，才去幫助他。”

（作者單位：江蘇省鎮江市第三中學）