STEM項目學習下初中科學實驗教學范式的實踐與反思

夏兆省 戴文曉

摘 要：本文以“自制簡易密度計”拓展教學設計為例，通過“情境導入，任務驅動; 項目意義，支架學習;項目實施，設計制作;項目反思，測試評價 ; 項目改進， 優(yōu)化拓展” 的教學流程，以項目式為基本的學習方式，融入STEM理念，激發(fā)學生主動探究實驗的興趣，幫助學生構建科學知識體系，形成和發(fā)展學生科學探究能力，讓學生達到深度學習狀態(tài)，提升學生科學核心素養(yǎng).

關鍵詞：STEM項目學習;初中科學;實驗教學;范式

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）16-0021-03

基金項目： 2020 年杭州市教研課題“基于核心素養(yǎng)的初中科學微實驗課程設計的實踐研究”（項目編號：L 2020218）.

作者簡介：夏兆省（1965-），男，浙江秦順人，本科，中學高級教師，研究方向：初中科學教學研究;

戴文曉（1986-），女，浙江瑞安人，本科，中學一級教師，研究方向：初中科學課堂創(chuàng)新與實踐.

1 問題的提出

《浙江省教育廳關于加強初中教育的指導意見》（2020年11月6日發(fā)布）提出：“推動項目學習學科化，在常態(tài)學科學習中逐漸增加項目學習活動，賦能學科教學.”STEM項目下開展初中科學實驗教學將融入STEM理念，并應用于初中科學實驗教學的整個探究過程.但是根據(jù)筆者的初中科學實驗課堂聽課觀察，發(fā)現(xiàn)目前實驗教學中存在以下問題.

1.1 只重視科學知識的教學，忽略創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

科學的學習離不開實驗的教學，很多科學知識都蘊藏在實驗過程當中.教師往往忽略實驗教學內容，過于強調機械式做實驗、死記硬背知識、機械刷題，忽略創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

1.2 只重視多媒體實驗的教學，忽略動手能力的培養(yǎng)

教師在教學過程中，只將書本上的探究實驗變成多媒體實驗（如錄像，F(xiàn)lash動畫代替實驗），學生只看多媒體實驗，教師直接告之實驗現(xiàn)象，據(jù)此推導得出實驗結論，忽略動手能力的培養(yǎng).

基于以上的原因，筆者提出課題“STEM項目學習下的初中科學實驗教學范式的實踐研究”，以項目式為基本的學習方式，融入STEM理念，激發(fā)學生主動探究實驗的興趣，幫助學生構建科學知識體系，形成和發(fā)展學生的科學探究能力，讓學生達到深度學習狀態(tài)，提升學生科學核心素養(yǎng).

2 STEM項目學習下的初中科學實驗教學范式

STEM項目學習下的初中科學實驗教學范式指融入STEM理念，教師根據(jù)教學目標合理創(chuàng)設真實情境的有意義任務，以任務驅動項目引導學生進行深度理解科學知識，通過小組合作學習，借助多種資源設計、制作作品，教師引導學生對設計、制作作品進行交流評價，然后學生將對作品存在的不足進行適當?shù)男拚屯晟疲@樣有助于培養(yǎng)學生的合作交流能力以及實踐能力（如圖1所示）.

2.1 情境導入，任務驅動

教師根據(jù)教學目標合理創(chuàng)設現(xiàn)實情境，以任務驅動，誘發(fā)學生學習動機，開拓思維空間.體現(xiàn)STEM教育情境性的特征.

2.2 項目意義，支架學習

教師以項目研究為切入點，以任務驅動引導學生深度理解科學知識.

2.3 項目實施，設計制作

教師以項目通過小組合作學習，借助多種資源設計、制作作品.體現(xiàn)STEM教育協(xié)作性、設計性、實踐性的特征.

2.4 項目反思，測試評價

教師引導學生對設計項目、制作作品進行交流評價，再反思實驗中的問題.教師組織學生進行交流討論，有助于提升學生的實踐能力以及合作交流能力.

2.5 項目改進，優(yōu)化拓展

教師引導學生將對原本的實驗設計進行適當?shù)男拚屯晟疲璐思皶r對知識進行鞏固和拓展.

3 STEM項目學習下的初中科學實驗教學范式的實踐

如在“水的浮力”新課教學之后，我們開設“自制簡易密度計”的STEM活動拓展課，教學主要圍繞如下5個基本環(huán)節(jié)展開.

3.1 情境導入，任務驅動

海產(chǎn)品養(yǎng)殖場工作人員用密度計進行水質檢測（如圖2所示），水質好了生產(chǎn)的貝和魚的質量就好，味道也就鮮美.

你是否能自制一支簡易浮子式密度計，來測量鹽水等不同液體的密度？

為了自制一支簡易浮子式密度計，需要完成以下四個任務.

任務一：浮子式密度計的工作原理是什么？

任務二：如何設計制作一支簡易浮子式密度計（包括選擇什么材料如何標注刻度等）？

任務三：自制一支簡易浮子式密度計應達到怎樣的標準？

任務四：自制一支簡易浮子式密度計如何進行改進？

設計意圖：教師根據(jù)教學目標合理創(chuàng)設真實情境布置教學任務，引導學生自行對任務流程進行設計，以任務驅動完成四個任務，誘發(fā)學生學習動機，展示STEM教育真實性的特征.

3.2 項目意義，支架學習

任務一：浮子式密度計的工作原理是什么？

教師引導學生討論如圖3所示某同學將自制的簡易密度計模型分別浸在鹽水和清水中，用于區(qū)分鹽水和清水.

（1）請判斷哪杯是水？哪杯是鹽水？為什么？

（2）圖示實驗對標注密度計的刻度有什么啟示？

設計意圖：教師引導學生結合二力平衡和阿基米德原理來解釋密度計的工作原理，達成掌握科學核心概念的目的，同時為下面的自制密度計做好鋪墊.

3.3 項目實施，設計制作

任務二：如何設計制作一支簡易浮子式密度計（包括選擇什么材料如何標注刻度等）？

教師引導學生設計簡易浮子式密度計.

（1）選擇所需器材：不同粗細的吸管（底端已封口）、熱熔膠、熱熔槍、 水（密度1g/cm3）、鹽水（密度 1.1g/cm3）、蜂密水（密度 1.2g/cm3）、鐵粉、刻度尺、鉛筆、計算器、馬克筆等.

（2）設計自制方案：教師引導學生選擇所需器材，設計簡易浮子式密度計的自制方案，畫出設計作品，并將具體的操作步驟寫下來（包括如何調平衡，如何標注刻度等）.

（3）選出最佳方案：小組內展示交流設計簡易的浮子式密度計方案，互動評價方案的優(yōu)劣，選擇確定小組最后制作的方案.

根據(jù)設計簡易浮子式密度計方案，制作一個攜帶方便標有刻度測量準確簡易的浮子式密度計.

如果自制密度計底面積為S，它浸沒在液體中的深度為h，V排=Sh代入阿基米德原理：F浮=ρ液gV排 ，則F浮=ρ液g Sh，得到F浮/g S=ρ液h，把已知水的密度和浸在水中的深度h乘起來，就是左邊的常量，那么當ρ液=0.9、0.95、1.1時，就可以計算其它密度與對應的h.從而標出密度計的其他刻度.

設計意圖：在學生進一步掌握浮力的知識的同時，通過結合數(shù)學，綜合解決問題，結合工程、技術，自制密度計，提高動手能力和合作學習能力，增強分析、評價的思維能力，學以致用，體驗科學探究的樂趣，從而提升核心素養(yǎng).體現(xiàn)STEM教育實踐性和融合性的特征.

3.4 項目反思，測試評價

任務三：自制一支簡易浮子式密度計應達到怎樣的標準？

教師對每組實驗作品進行驗收，對比作品的優(yōu)劣并做出測試評價.

測試自制簡易浮子式密度計的性能.

（1）利用自制的簡易浮子式密度計測量水和鹽水的密度.

（2）用實驗室密度計重復上述的實驗步驟.

（3）將結果記錄到表中，進行比較.

設計意圖：學生通過實證研究的方法，測試評價作品的成功與失敗.并與其他組分享交流本組作品.STEM教育具有體驗性特征，學生在參與、體驗獲得知識的過程中，不僅獲得結果性知識，還習得蘊含在項目問題解決過程中的過程性知識.

3.5 項目改進，優(yōu)化拓展

任務四：自制一支簡易浮子式密度計如何進行改進？

教師根據(jù)互動評價的結果，引導學生對作品存在的不足進行再設計再制作—再測試再評價—再設計再制作，直至符合要求.

教師展示密度計實物后，學生觀察分析，自制密度計還可以怎么進行改進？

教師引導學生充分交流討論，發(fā)現(xiàn)可改進的地方：刻度線再多標一些，提高精度;上面再拉長一些;上端封口等.

如圖5所示，教師展示淘寶上搜到的各種密度計.

設計意圖：體現(xiàn)科學與生活是緊密聯(lián)系的.激發(fā)學生后續(xù)探究的興趣，以及真正感受到科學就在身邊，并且激發(fā)學生今后繼續(xù)用科學的眼睛去發(fā)現(xiàn)和探索生活中問題的興趣.

4 STEM項目學習下的初中科學實驗教學范式的反思

本節(jié)課以“情境導入，任務驅動; 項目意義，支架學習;項目實施，設計制作;項目反思，測試評價;項目改進， 優(yōu)化拓展”為教學流程，以項目式為基本的學習方式，融入STEM理念，聚焦真實有意義的任務，促進學生深度學習，發(fā)展學生高階思維.

4.1 STEM項目學習聚焦真實任務

STEM項目學習下的初中科學實驗教學范式，將創(chuàng)設的真實情境貫穿在教學始終，學生圍繞制作簡易浮子式密度計的產(chǎn)品為任務，學生積極參與課堂學習活動，分工合作協(xié)調互動，能夠最大限度地開發(fā)學生的潛能，在項目學習中人人都能體驗到成功的喜悅，學生樹立學習科學的自信心，從而長久保持學習興趣.

4.2 STEM項目學習促進深度學習

STEM項目學習下的初中科學實驗教學范式，以海產(chǎn)品養(yǎng)殖為背景，教師引導學生設計實驗方案，結合科學（二力平衡和阿基米德原理）、技術（使用熱熔槍）、工程（制作一個攜帶方便標有刻度測量準確的簡易浮子式密度計）、數(shù)學（反比例函數(shù)，推導出數(shù)學關系式）的融合教學，在自制簡易浮子式密度計的教學過程中，通過任務引發(fā)科學、工程和技術的實踐，實踐中教師要善于引導學生融合工程設計思維，培養(yǎng)學生用數(shù)學知識解決科學問題的能力，促進科學知識的鞏固和深化，最終使學生達成深度學習.

4.3 STEM項目學習發(fā)展高階思維

STEM項目學習下的初中科學實驗教學范式，以打破以往 “知識壁壘”給教學帶來的束縛，從而達到從“低階思維”到“高階思維”的飛躍.創(chuàng)造性地自制簡易浮子式密度計的教學過程中，應用二力平衡和阿基米德原理來解釋密度計工作原理，逐步提高分析、創(chuàng)造和評價的高階思維能力，培養(yǎng)學生勇于創(chuàng)新和探究的科學精神，使得學生真正成為學習的主體，達到了“做中學，學中做”的教育教學效果.

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（收稿日期：2021-05-08）