基于A-STEM 理念的跨學(xué)科課程實踐與反思
——以“超聲波測量平均速度”為例

四川省成都市龍舟路小學(xué) 邢 飛

一、項目背景

當(dāng)代，任何重大的經(jīng)濟、社會和科技問題都是復(fù)雜的綜合性問題，需要綜合運用多學(xué)科、跨學(xué)科的知識和方法才能順利攻克，因此重視培養(yǎng)和造就跨學(xué)科人才已成為世界各國教育的一種新的趨勢。理論發(fā)展與教育實踐不總是平衡的，當(dāng)前跨學(xué)科綜合教育課程已經(jīng)取得長足發(fā)展，但發(fā)展的過程仍伴隨著一些問題。STEM 教育理念強調(diào)跨學(xué)科整合，有人將其等同于綜合實踐活動，認為多個學(xué)科教師在一起開展了學(xué)習(xí)活動就是跨學(xué)科，其實不然。跨學(xué)科課程一旦離開了學(xué)科基礎(chǔ)，很容易流于形式，當(dāng)學(xué)生對單個學(xué)科中的思想了解甚少或根本不了解時，跨學(xué)科間建立聯(lián)系也是困難的。學(xué)科學(xué)習(xí)才是基礎(chǔ)，一味地強調(diào)跨學(xué)科整合，甚至把跨學(xué)科的價值凌駕于單學(xué)科之上，可能是有害的。

基于上述問題，教育界也提出了相應(yīng)的教育策略與發(fā)展規(guī)劃，如深圳市龍崗區(qū)教育局于2018 年7 月頒布的《深圳市龍崗區(qū)A-STEM 課程建設(shè)指導(dǎo)意見》中提出A-STEM 新型教育理念，與常見的STEM 教育不同，A-STEM 教育是由“三駕馬車”驅(qū)動，即學(xué)科核心概念、跨學(xué)科概念和項目實踐，三駕馬車不是三駕獨立的馬車，而是指三匹馬合力拉一輛馬車，它們朝著共同的方向協(xié)同使力。對于A-STEM 教育而言，這三匹馬各有分工又相互合作——學(xué)科核心概念是基礎(chǔ)，跨學(xué)科概念是連接不同學(xué)科的核心，項目實踐是方法。

新型A-STEM 教育理念強調(diào)跨學(xué)科課程內(nèi)容的獨立與統(tǒng)一，對跨學(xué)科實驗教學(xué)的設(shè)計與實施具有很大的指導(dǎo)意義。筆者與學(xué)科教師經(jīng)過充分研討，發(fā)現(xiàn)在測量平均速度這一物理實驗中，原實驗方法存在諸多缺陷，例如，人工計時誤差太大、實驗設(shè)計過于簡單、對學(xué)生實驗思維鍛煉不到位、實驗方法毫無拓展空間等。基于A-STEM 教育理念，筆者提煉出原實驗中的學(xué)科核心知識，結(jié)合信息化電子元件和編程思想改進了實驗。

希望通過這次跨學(xué)科實驗促進學(xué)生主動構(gòu)建各學(xué)科知識體系間的聯(lián)系，提升跨學(xué)科解決問題的能力，以及能夠深入思考信息能力、新工具和課堂知識的結(jié)合方式，真正成為學(xué)習(xí)的主人。

二、項目目標

在設(shè)計教學(xué)目標前，筆者進行了充分的學(xué)情分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生已經(jīng)具備圖形化編程的邏輯思維能力、搭建開源硬件的動手能力，掌握了關(guān)于平均速度的基礎(chǔ)知識，且對新功能元件有強烈的好奇心、探索欲。筆者充分考慮學(xué)生的認知情況，結(jié)合A-STEM 理念進行了教學(xué)目標設(shè)計。

（一）知識與技能

一是理解超聲波傳感器測速的工作原理（科學(xué)）；二是搭建實驗?zāi)M場景以及測速元件系統(tǒng)（工程、藝術(shù)）；三是運用嵌入式編程手段控制超聲波傳感器測量數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)項目數(shù)據(jù)可視化（技術(shù)）；四是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算出平均速度，加深對平均速度的理解（數(shù)理）。

（二）過程與方法

一是掌握超聲波傳感器的使用（科學(xué)、技術(shù)）；二是體會設(shè)計實驗、實驗操作、記錄數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果的完整過程（技術(shù)、數(shù)理）。

（三）情感態(tài)度與價值觀

一是通過借助開源硬件及軟件進行實驗，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升信息素養(yǎng)；二是培養(yǎng)認真仔細、不斷改進的科學(xué)態(tài)度，以及正確、實事求是測量和記錄數(shù)據(jù)的良好作風(fēng)。

三、重難點分析

遵循A-STEM 教育理念，本實驗以物理公式v=s/t 為學(xué)科核心基礎(chǔ)，以超聲波傳感器為工具，結(jié)合編程思想，設(shè)計項目實踐方案，從而達到更好的實驗效果和能力提升。從這一理念出發(fā)，筆者對整個實驗流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了梳理，并分析了重難點的突破策略。

（一）項目重點

本次實驗項目的重點是理解超聲波傳感器測速、測距的工作原理，模仿并抽象出實驗場景、設(shè)計實驗方法、記錄和整理數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果，從而進一步掌握物體運動的平均速度的含義和求解方法。

（二）項目難點

本次實驗項目的難點是根據(jù)搭建的場景和實驗方案，運用嵌入式編程手段控制超聲波傳感器測量數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)項目數(shù)據(jù)的可視化。

（三）重難點突破策略

1.生活經(jīng)驗與物理公式相結(jié)合

在實驗開始前，教師為學(xué)生提供高速公路上測速儀的工作視頻，喚起學(xué)生的生活經(jīng)驗，再將生活中電子測速儀的工作方式抽象為物理形式的簡單動畫，便于學(xué)生理解和模仿如何根據(jù)公式v=s/t 實際測量一個物體運動的平均速度。

2.制作超聲波傳感器的使用手冊

這本使用手冊針對超聲波傳感器的連線方式以及編程模塊進行了詳細的講解，并為實驗設(shè)計了相關(guān)表格。學(xué)生參照手冊中的講解輔助實驗過程，逐步填寫表格，可降低實驗難度，但不會降低實驗拓展深度。

3.異質(zhì)分組，合作探究

課前教師對學(xué)生進行了充分的學(xué)習(xí)進度和能力調(diào)查，分組時，教師在尊重學(xué)生意愿的前提下，保證小組各組員間能力有別，能夠有針對性的任務(wù)分工，同時也提供了學(xué)生間相互學(xué)習(xí)的機會。

4.采用信息化手段優(yōu)化實驗過程

在實驗過程中，教師鼓勵學(xué)生運用電腦解決遇到的問題、進行資料拓展搜集以及代碼注釋等。在評價方面，教師重視過程性反饋和評價，對學(xué)生實驗過程給予反饋，并做好記錄。

跨學(xué)科實驗項目實施流程

四、項目的設(shè)計與實施

本次跨學(xué)科實驗項目主要是為了引導(dǎo)學(xué)生跨學(xué)科解決問題、研究性學(xué)習(xí)，體驗完整的實驗過程，解決生活中的真實問題。項目實施流程包含“四階段、十環(huán)節(jié)”（如上圖所示）。

以下為實驗的具體流程。

（一）設(shè)計實驗方案，確定實驗器材，搭建實驗場景

學(xué)生初步制定的實驗方案為：在斜面上搭建兩個超聲波傳感器，根據(jù)小車與超聲波傳感器的距離，采集被測試小車接觸時間和離開時間，經(jīng)計算將運動時間顯示在屏幕上。

需要的實驗器材有：斜面、刻度尺、小車、超聲波傳感器、UNO 主控板、顯示屏、電池盒。

（二）編程實現(xiàn)具體功能及數(shù)據(jù)可視化

根據(jù)實驗方案，學(xué)生利用編程手段獲取需要的原始數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理，將處理后的有效數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，便于讀取記錄。

（三）分層次進行實驗并真實記錄數(shù)據(jù)

本實驗項目分為兩個層次，為保證數(shù)據(jù)準確性，每個層次進行3 次重復(fù)實驗。小車從頂部出發(fā)，學(xué)生分別測量通過斜面全程（0.30m）和斜面下半部分（0.15m）的時間，進一步根據(jù)公式計算出兩者的平均速度。

根據(jù)實驗結(jié)果，實驗誤差基本控制在0.01s 左右。學(xué)生總結(jié)出的初步結(jié)論為：全程小車的平均速度是0.57m/s，下半段路程小車的平均速度是0.82m/s。

（四）分析數(shù)據(jù)，延伸總結(jié)

基于A-STEM 教育理論的跨學(xué)科實驗不僅僅局限于表面現(xiàn)象，而是要進一步從現(xiàn)象找規(guī)律，才能全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。學(xué)生再次分析數(shù)據(jù)，得到延伸結(jié)論：小車在斜面上做的是變速直線運動，小車從斜面頂端滑下，運動速度越來越大。

（五）改進實驗方案，進一步減小誤差

本實驗項目開放度很高，借助超聲波傳感器有多種方案都可測量出平均速度，前面的方案中使用了兩個傳感器，不僅耗材還增大了誤差。提出問題后學(xué)生自主搜集資料，經(jīng)過充分思考討論后提出兩種新方案。

方案一：多增加一個車體長度數(shù)據(jù)，將超聲波傳感器放置于斜面?zhèn)炔浚瑴y量小車開始經(jīng)過至完全經(jīng)過超聲波傳感器的時間，速度可以表示為v=L車長/（t’-t’’）

方案二：將超聲波傳感器放置于斜面底部正對小車，測量小車由遠距離點s1到近距離點s2的運動時間，速度可以表示為v=（s1-s2）/（t’-t’’）

通過改進實驗方案，只使用一個超聲波傳感器測試時間，這樣在減少傳感器使用的同時也減少了誤差，讓學(xué)生從細節(jié)處養(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W(xué)探究態(tài)度。

五、總結(jié)與反思

從分析實例、設(shè)計方案、搭建場景、編寫功能、分析數(shù)據(jù)、延伸總結(jié)到最后的提升改進，學(xué)生經(jīng)歷了完整的跨學(xué)科實驗過程，各組學(xué)生的實驗過程也記錄得十分詳細、嚴謹。實驗項目結(jié)束后，筆者通過問卷星調(diào)查了解到絕大多數(shù)學(xué)生非常認可此次跨學(xué)科實驗教學(xué)，表示各方面能力切實得到了提升。將物理知識與信息化工具、手段結(jié)合起來解決生活中的問題，對學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)工具產(chǎn)生了新的思考。通過對學(xué)生實驗過程的分析，筆者認為本實驗項目對于培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng)、創(chuàng)新能力、實踐能力、跨學(xué)科解決問題能力有重要意義。

筆者認為以下五項策略是跨學(xué)科實驗得以順利完成的保證，同樣適用于其他學(xué)科融合的案例。

第一，從學(xué)科核心知識出發(fā)，最終落腳于學(xué)科核心知識的延伸。本實驗項目以“平均速度公式v=s/t”為理論基礎(chǔ)，從學(xué)生熟悉的學(xué)科核心知識出發(fā)，融合跨學(xué)科概念即以圖形化編程為載體，借助模塊化電子元件進行實踐，驅(qū)動實現(xiàn)學(xué)科核心知識的升華。學(xué)科核心知識既作為理論支撐與實驗前提，又保證了相對獨立，既不囿于課本課程的說教體驗，又實現(xiàn)了在教材實驗內(nèi)容上的突破創(chuàng)新，充分保證了學(xué)生自主學(xué)習(xí)與思維創(chuàng)新的結(jié)合。

第二，從熟悉的方式與工具出發(fā)引導(dǎo)思維創(chuàng)新與突破。在本實驗中，學(xué)生對圖形化編程已經(jīng)非常熟悉，超聲波在生活中也有廣泛應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上的學(xué)科融合才是有意義的，實現(xiàn)了1+1 ＞2 的效果，避免了片面求新求異的課程格局，使跨學(xué)科知識能真正落實應(yīng)用。通過創(chuàng)設(shè)新實驗方案將熟悉的轉(zhuǎn)化為新奇的，在已經(jīng)掌握的知識之間建立起相互聯(lián)系的體系框架，從而自然地培養(yǎng)起學(xué)生綜合運用跨學(xué)科知識解決問題的能力與思維。

第三，異質(zhì)分組實踐。學(xué)科融合強調(diào)的是不同學(xué)科能力綜合運用，而學(xué)生個體在學(xué)科基礎(chǔ)、綜合應(yīng)用能力、性格特點乃至性別、家庭背景等方面都是不同且互補的。異質(zhì)分組探究完成項目，不僅能讓學(xué)生掌握課堂知識，還有利于學(xué)生之間相互切磋學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮分組合作的意義。

第四，實驗環(huán)節(jié)具備較高的開放程度，避免天花板效應(yīng)。通過跨學(xué)科綜合應(yīng)用的組織與升級，能夠生成多樣化的衍生實驗方案，有利于學(xué)生拓展思維，進一步探索學(xué)習(xí)。同時，對實驗的改進探究，有利于學(xué)生進一步探索跨學(xué)科知識融合，不會限制高層次學(xué)生的發(fā)展。

第五，重視解決問題的思維培養(yǎng)。本實驗不單單要求學(xué)生靈活掌握學(xué)科核心知識，更重要的是形成跨學(xué)科綜合應(yīng)用知識的意識，培養(yǎng)利用綜合知識解決問題的思維傾向，摒棄學(xué)科知識只為應(yīng)試的傳統(tǒng)思維慣性，而使學(xué)生更多地將學(xué)習(xí)能力轉(zhuǎn)移到具體實踐內(nèi)容當(dāng)中，在生活中能夠主動學(xué)會與利用跨學(xué)科的技術(shù)來解決問題。

跨學(xué)科課程的實踐，不僅培養(yǎng)了學(xué)生綜合運用、跨學(xué)科解決問題的能力，提升了信息素養(yǎng)、實踐能力和創(chuàng)新能力，真正實現(xiàn)了素質(zhì)教育，還讓學(xué)生對新型學(xué)習(xí)方式產(chǎn)生思考。信息技術(shù)的普遍使用促進了跨學(xué)科教學(xué)的發(fā)展，運用信息技術(shù)開展跨學(xué)科人才培養(yǎng)勢在必行。未來中國將成為科技世界的中心，面對巨大的挑戰(zhàn)，只有具備綜合能力的新型人才才有足夠的競爭力，因此父母和教師應(yīng)該多關(guān)注教育和未來的趨勢，教育理念應(yīng)該符合未來的世界需求，而不是現(xiàn)在，更不是過去。