核心素養視角下的高中STEM特色課例研究

摘 要：物理學科核心素養的培養需要不同的載體和平臺，日常的教學是一部分，以解決問題為目的的STEM教育也是一部分.為了研究STEM教育理念下學生物理核心素養的培養，分析了STEM教學中每個環節對物理學科核心素養的培養價值，設計了教學流程，并在校本課程中提供學生動手實踐的平臺和環境，引導學生開發出智能寵物喂食器，形成了“智能寵物喂食器設計與開發”的教學課例.

關鍵詞：物理學科核心素養;STEM教育;特色;課例

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）01-0047-03

作者簡介：李玲（1986-），女，廣東興寧人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理學科教學.

1 研究背景

現階段，我國中學物理教學課堂已經逐漸開展基于核心素養的教學變革.物理學科核心素養包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面.在許多一線教師的日常教學中，學生思維層面關于這四個方面的培養得到了重視，而在學生動手能力方面，除了教材中要求的物理實驗之外，學生動手實際操作的探究機會較少.為了培養學生的科學思維與鍛煉學生的科學探究能力，高中階段必須要開展研究性課題的教學.

近幾年，教育部更是從各方面加大了力度，促進高中生研究性課題教學的落實，表現如下：一是2018年起，對高中生實行了“普通高中學生綜合素質評價信息管理系統”的檔案管理模式，要求學生在高中階段一定要進行研究性學習及校本課程的學習，并要求上傳過程性資料;二是高校的自主招生名額增加，要求中學培養出一些動手能力強、有創新獲獎的同學;三是近幾年的高考題、統考題，物理學科出現的與實際生活聯系的建模類題型增多.然而，如何基于上述現狀開發出較好的研究性學習方案亟待研究.

STEM教育指的是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）的結合，其中科學在于認識世界、解釋自然界的客觀規律;技術和工程則是在尊重自然規律的基礎上改造世界，實現對自然界的控制和利用，解決社會發展過程中遇到的難題.研究表明，STEM教育是連接科學與生活的橋梁，將研究性課題的教學與STEM教育連接起來，既可幫助學生完善檔案資料，又能夠為一些優秀的同學提供自主招生的機會，還能提高學生的科學思維與科學探究能力，以培養學生的物理學科核心素養.因此，開展有實踐意義的STEM教育已漸漸成為理科教師的優先選擇.

但是，對于這種無本無綱的特色課程很多教師都感到無從下手.為此，本文將以STEM教育理念為指導，以“智能寵物喂食器設計與開發”為例，展示如何將STEM教育融入高中物理研究性課題的教學中，為其他研究性課題教學的開展提供一定的教學課例.

2 基于物理核心素養培養的特色STEM課例

2.1 寵物喂食器的選題和設計課例的緣由

首先，我們要找到一個適合高中生做的STEM課題.這個課題既要有一定深度的知識要求，又要能進行動手操作，還要結合物理學科特點，最好能夠創新設計出作品.隨著人們生活條件的提高，喜歡寵物的人越來越多，學生亦有不少，傳統的寵物喂食器已不能滿足飼養者的需求.這個問題表面上從市面上買一款現成的智能寵物喂食器就可以解決，但作為教師，尤其是物理教師，卻可以挖掘問題.從傳統的寵物喂食器出發，引導學生對最傳統的寵物喂食器進行探究和改進.目標就是用學生現有的知識，采用生活中或物理實驗室能夠獲得的材料，設計出一款能夠實現智能喂養的寵物喂食器.

在教學設計中，我們可以參照已有STEM教學案例，例如，科學出版社出版的《2017中小學創客·STEM教育資源調查報告》中的第5章[1]，“創客、STEM課程”，給了我們一個STEM課程設計的模板，其中對于工程類設計過程的流程圖，體現了核心素養的培養過程，完全可以應用到我們的教學案例研究中來.又如，上海教育出版社出版的《STEM+活動設計與體驗》一書[2]，該書提供了STEM+課程的30個課例，每一個課例都給出了學習目標、活動材料和設計意圖.學生既解決了實際遇到的問題，又鍛煉了動手能力.雖然此書的設計內容只針對4-6年級的學生，知識上沒有達到高中生的需求，但此書對于教學環節的設置值得學習借鑒.

2.2 智能寵物喂食器的教學流程圖

基于董莉[1]的STEM課程設計的模板，本文設計的教學活動的主要流程如圖1所示.

2.3 “智能寵物喂食器設計”對于核心素養的培養相應的環節

在圖1的教學流程中，每一個步驟對物理核心素養培養的側重點不一樣，其對核心素養的培養價值見表1[3].

2.4 “智能喂食器設計”的教學難點

在這個課例的開發中，難點是步驟2機械控制的實現和步驟3智能的實現.解決的方法有兩種：一是，創造環境和時間，讓學生上網查閱資料，通過小組討論的形式實現;二是，教師要為學生做一個改進的案例或者作品，以起到拋磚引玉的作用.第一個方法不贅述，第二個方法本課例在教學過程中使用了以下的作品示范.

環節2中，要引導學生對傳統的喂食器的漏食口沙漏原理（如圖2）進行改造.受酒店早餐麥片分離器的啟發，可以采用風扇葉片對漏食口進行漏食量的控制，如圖3所示.轉動轉軸，風扇葉片轉動，帶動食物漏出.用小馬達帶動轉軸轉動，實現電路控制.注意：風扇葉片要根據漏食口的大小切割粘貼，保證轉軸不轉時，沒有食物漏出.

環節3中，利用Arduino編程，通過紅外避障傳感器和電磁繼電器實現人工智能的控制.Arduino是一款能夠讓中小學生理解接受的程序語言，作為物理教師，編程的語言可以請教信息學科老師，但理解控制電路是我們的責任.對漏食器里面小馬達是否工作，用電磁繼電器進行控制（如圖4）.當寵物靠近時，紅外避障傳感器輸出信號，開關閉合，電磁繼電器通電，小馬達工作.針腳理解和連接的電路如圖5、圖6所示.

3 結束語

本次“智能寵物喂食器設計與開發”的研究性課題教學取得了不錯的成效，礙于篇幅的關系，筆者在這里僅展示一個學生的作品，如圖7所示.

對于學生來說，當一個自己制作的作品擺在面前的時候，獲得的成就感是難以用語言表達的，學生的成績可能沒有特別明顯的提升，但是對于學生科學思維與科學探究能力的培養，無疑是大有裨益的.

最后，本教學課例有很多可以改進的地方.例如：

（1）用教師的作品拋磚引玉的方法雖然能夠有效地引導學生的思維，但是也局限了學生的思維.

（2）在步驟1激情引入的環節里面，學生提出了一些用舵機喂金魚的方法，由于學時有限，不能進一步地指導學生展開.

（3）這個課例的完成使用了學校開展特色課程的時間，一次2課時，共用了7次課，14個課時，較為拖沓，可以優化.

（4）在學生的作品制作完成以后，可以結合工程制圖的方法，要求學生畫三視圖，來提高學生的空間建模能力.

參考文獻：

[1]董莉.基于STEM教育理念的高中物理教學策略研究[D].成都：四川師范大學，2017.

[2]陳敏，鄭思晨.STEM+活動設計與體驗第二進階[M].上海：上海教育出版社，2018.

[3]梁沛林.STEM活動教學對培養物理核心素養的價值探討[J].物理通報，2018（12）：23-26.

（收稿日期：2020-09-15）