一个有趣的STEM活动

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1、一个有趣的STEM活动一个有趣的STEM活动；消灭声音作者：周计彭/江苏省徐州市徐州一中实验学科学、技术、工程、数学之间存在着一种相 互支撑、相互补充、共同发展的关系。如果要了 解它们，尤其是它们之间的关系，就不能独立其 中任何一个部分，只有在交互中，在相互的碰撞 中，才能实现深层次的学习、理解性的学习，也 才能真正培养儿童各个方面的技能和认识。但在 实践层面，中小学教师对于如何将数学、工程和 技术融入科学课堂，还没有完整的思路和有效的 教学手段。我在徐州一中实验学校教研组和学校 物理组的指导下，设计本节消灭声音，探索STEM 教育理念在中学阶段的具体实践方法。设计思路为何“消灭声音”声音是我

2、们生活中非常常“见”的事物，我们 每天要接收非常多的声音讯息。但有的声音是美 妙的，有效的；而有一些确实让人烦扰的。而由 此，消音装置应运而生。这些消音装置在工业生 产与日常生活中很不起眼，但是却十分重要的装 置。汽车、摩托车、电脑、门窗等等都有他们的 身影。这节课，我们将一起“观察”声音，并研 究如何消除噪音。1=1|=|本课程中制作隔音的方法是将硼砂溶液 加入含聚乙烯醇的透明胶水中（注：聚乙烯醇 （PVA）和硼砂可以安全触摸，但不可食用，使 用时需注意），稍作搅拌，可以快速获得一种弹 性物质，该弹性物质经过塑形，便可以得到弹球。 从STEM教育的角度，弹球的制作过程不仅包含 “物质的改变导

3、致其特性也改变”的科学原理， 高度测量和数据处理等数学方法，还包含了如何改善弹球性能、优化制作工艺等工程技术问 题。因此，这是1节整合了 4大领域的典型的 STEM课程。liiJ此外，本课程符合STEM课程的特征一一学 习情境的生活性和真实性3。学生从现实生活 中寻找素材，用常见的塑料泡沫，收纳盒，报纸， 塑料袋，棉花等等通过动手做探究弹，解决生活 情境中如何控制噪声的实际问题。这种方式使本 课程具有很强的实践性，有利于学生对STEM学 科的综合性学习。如何“做弹球”确定做弹球的主题后，为了提供具有挑战性 且与学习者相关的STEM学习内容，我设计了多 元化的学习情境和交互式的活动流程。课堂中，

4、 我要求学生以小组为单位，各自扮演弹球工厂的 角色，参与完整的做弹球过程。教学流程图见图 1。制订教学目标时，为了体现STEM课程涉及的4个维度，我并未使用中学物理课程标准中的 三维目标：知识与技能、过程与方法、情感态度 价值观，而是围绕本课主题，站在学生的角度， 分别制订了各个领域具体且有针对性的教学目 标。S （科学）：学生知道硼砂溶液和含聚乙烯醇 的胶水混合可以得到一种具有黏性的弹性物质； 知道原料配比不同，混合后所得产物的特性（黏 性、可塑性、弹性等）不同。T （技术）：学生知道制作弹球的工序和塑形 工艺，能够制作弹球并测量其反弹高度。E（H程）：学生能够设计方案一一通过选择 不同的原

5、料配比等一一解决如何使球弹得更高 的问题。i=ji=jM（数学）：学生能够确定和控制变量，进行 原料用量和比例的换算，能够利用图表呈现数 据，并进行分析和解释。实践情况基于以上设计思路，我挑选了 16名5年级 学生参加了本次公开课。视频引入：聚焦问题，提出任务liiJ本节课开始时，我拿出1个弹球在手中把 玩，吸引了学生的兴趣。通过播放1段视频，我 将焦点转向了弹球制造工厂最近遇到的问题。该 视频中，工厂的工程师拿出了 1封小朋友的来 信，信中提到了 1个新的弹球配方，他们希望得 知其可行性（见图2）。“生产弹球的玩具工厂现在面临的是1个什 么问题？”我通过这样的提问来确认学生观看视 频后是否已

6、经了解了需要解决的问题。在引导学生对新配方的可行性进行预测之后，我进而启发 学生自己提出本节课的第1个任务一一试做1个 弹球来验证新配方的可行性。笔者发现，以弹球搭建生活与工业情境的桥 梁，以视频为呈现手段，学生能自然地进入本课 主题。试做：初探弹球配方可行性学生从视频中得知了制作弹球的2种原料， 但对如何操作是毫无头绪的。我通过询问“对于 制作弹球，你有没有什么问题？ ”引导学生提出 并探讨相关技术问题，在互动讨论中明确弹球的 制作流程。课前，我预计的理想情况是，学生按顺序提出以下3个方面的问题：原料的用量；制作 的步骤；塑形的方法。但在课堂中，学生的提 问是无序的。一名学生首先提出了“如何

7、做成球 的样子？”我随之引导该学生：“你提了一个很 好的技术问题，不过加工球的形状之前，我们是 不是还有其他的步骤？还能给我们一些建议 吗？ ”通过这样的方式，学生最后都能按照确定 变量一原料用量一制球步骤一塑形方法的逻辑I=jw顺序进行思考，并明确了弹球的制作流程：量取 （见图3）-混合一搅拌（见图4）-捞取一压实一揉搓（见图5）摇圆（工具如图6所示）。在原料的用量方面，对于5年级学生来说， 研究多重变量的问题是较为困难的。由于胶水的 体积直接影响到弹球的大小，为了便于探究和减 少球的尺寸对结果的影响，胶水的用量最好是 定的。因此，我组织学生进行了讨论，让他们确 定了胶水的用量，固定为10毫

8、升。这样，在每 次实验中，各个小组只需要商量决定硼砂溶液的 加入量。l=JliiJi=ji=j在巡视中，我发现有些小组制作的弹球不够 圆，导致球的反弹方向不垂直于桌面。因此，我 挑选了制作效果较好的1组学生向全班分享他 们的制作要领，并在测试装置中演示如何测量弹 球第1次反弹的高度（见图7）。在演示中，该 小组遇到了球反弹时撞到测试装置内壁和球开 裂的情况，我借此引导学生探讨了提高测量结果 科学性的方法。通过讨论，学生最终了解到，要 获得准确、科学的弹球反弹高度数据，不仅要遵 循测量过程的公平性原则，还需要小组成员相互 配合，多次测量求平均值，并剔除某些无效数据。 以上交流和互动保证了每个组最

9、终所得数据的 准确性。改进：产品的完善“如果你们去买弹球，想买什么样的？”多 数学生回答想买能弹得更高的球。通过询问这样l=J的问题，能够自然地将学生引入优化弹球配方、 完善产品的环节。学生不再满足于做1个弹球， 而对如何完善弹球的性能产生了极大的兴趣。本 环节中，我与学生进行了如下约定：每个小组在 记录上1组测试结果，并确定下1组硼砂溶液用 量之后，才能领取1份10毫升的胶水进行后续 实验。这种约定一方面能够确保学生每次制定的 用量都基于对前几次数据的分析；另一方面，使 学生能够及时归纳出数据的大致规律。我欣喜地 发现，学生对此任务乐此不疲，看到自己不断调 整的方案使弹球的性能逐渐发生改变，

10、他们都获 得了巨大的成就感。深化和延续：分析总结解决问题的方法硼给学生时间去交流他们的想法和观察，是本 节课的基本元素。“观察一下各个组硼砂溶液的 加入量，大家有什么发现？ ”制作过程结束后， 我首先从全班的角度引导学生分析数据。学生通 过讨论发现：各个组硼砂溶液的加入量均不 大，在40毫升以内；原料用量相同的情况下， 不同小组制作的弹球反弹高度存在差异。对于后 者，学生非常感兴趣。“因为我们搅拌得不一样快! ” “因为我们搓球搓得比他们久! ” “我们的球 更圆！ ”学生们纷纷发表他们的看法，仿佛在开 展一场辩论。 II硼 II硼接着，从每个组的角度，我继续引导学生根 据他们的记录单回顾各自

11、的思维过程。我注意到 第3组前面2次的硼砂溶液用量差别很大，随之 让他们分享了改进过程中的想法。该组的1名学 生说道：“我们做完20毫升的实验后，发现弹跳 高度不够高，觉得肯定是硼砂溶液加多了，想试 试硼砂溶液减少之后会怎么样，结果还是弹得不 高，只能又增加硼砂溶液，发现弹球高度提高了， 所以又稍微增加了一点硼砂溶液的用量”。其他 组（如第4组）有类似考虑的学生表示了赞同。以上分析数据的过程一方面能够增强学生 对数据的敏感度，另一方面能够培养学生的问题 求解能力、决策力和批判性思维能力等高阶思维 4。此外，在学生分享的收获与思考中，我很 欣喜地看到有一部分学生提到了弹球静置时间 对反弹高度的影

12、响。这意味着，学生对弹球性能 的持久性和稳定性有了初步的关注。基于学生的 以上反馈，我鼓励他们抓住这些线索，在课后进行进一步的研究，以获得对影响弹球性能因素的 更完整的认识。本课中，我通过教学设计来实践STEM教育iiij理念,但在实践过程中，还发现了许多不足之处。受内容难度和课堂时间的限制，本活动的开 放性不够。活动过程以教师引导为主，对学生自 主探究能力的培养没有体现，如没有让学生自主 探究 做弹球的流程。今后可以给学生1周或 更多的时间在家中完成类似的实验。本活动的研究内容主要围绕弹球原料的配比，拓展性不够。实验过程中，学生萌生的很多 想法没有机会实践，如没有让学生探究弹球性能 与时间的

13、关系，添加色素制作各种颜色的弹球 等。小学科学课程对学生工程技术素养的关注不够。在实践中，主要体现在我校学生在解决问 题能力和动手能力方面的欠缺上，如部分学生对 制作弹球过程中使用的工具和仪器感到陌生，甚至无从下手。今后要注重开发更丰富的 STEM课程，培养学生的综合素养。按照教学设计，本课中我不仅完成了预设的 教学目标，还充分体现了 STEM教育理念。S （科学）硼做弹球活动中涉及的科学原理为：硼砂与主 体成分为聚乙烯醇（PVA）的透明胶水发生化学 反应，使聚乙烯醇分子发生交联（反应式），形 成具有弹性的黏土状聚合物。硼砂和胶水的配比 不同，得到的交联聚合物的交联度（紧密度）也 不同，随之呈

14、现不同的性状，如不同的可塑性、 弹性等。从学生的角度，要在小学阶段理解微观分子结构和化学反应较为困难，但学生能够建立弹球 性能与原料配比之间的关系。从科学的角度，科学的目标就是找到与一系 列现象相关的单一、连贯并且综合的理论，不管 其是否可以直接应用于实践，形成解释本身就是 一种成功。学生按照教学设计中的4个环节，最 后对“相同原料配比的弹球反弹高度不同”这一 现象形成了自己的解释。T （技术）在活动中，每个小组都扮演了独立的弹球制 作工厂的角色。从工厂生产的角度，每个步骤都 是技术的体现。学生在制作弹球前面临这些问 题：已知的2种物料用量各为多少？要用到哪些 工具？先做哪一步？对以上问题的思

15、考能够培 养学生的技术素养。E（工程）利用精心设计的工业情境一一“来自玩具工厂Dr. Lee的1封任务信”，联系生活，以学生 熟悉的弹球为纽带，让他们解决的第1个问题是“玩具工厂收到的弹球新配方是否可行”的实际 问题，随后的第2个问题是“能不能做出弹得更 高的弹球产品”。这种进阶式的问题体现了工程 学中从明确问题到制订方案，最后测试和优化改 进的系统性步骤。M （数学）STEM教育理念中，数学素养指学生在发现、 表达、解释和解决多种情境下的数学问题时进行 分析、推断和有效交流思想的能力。做弹球活动 中数学作为一种辅助工具，体现在学生记录测试 数据、求平均值，以及分析数据、制订新配比等 过程中。不仅培养了学生的数学素养，还加深了 学生对科学概念和科学探究的理解，促进了工程 问题的解决。来自瑞典斯德哥尔摩大学的Hans Persson 教授在观摩了本次公开课之后，认为本节课遵循 了小学STEM教学的基本原则一一解决真实的、 有意义的问题。因此，动手做活动和情境只是 STEM课堂的载体，真实、有意义且贴近学生日 常生活的问题才能真正帮助学生在STEM课堂中 取得更多的收获。并且，STEM不同领域间的融 合绝不是知识点的堆叠，而是要充分发挥交叉学 科的优势，取一方之长，借他方之力，使科学、 技术、工程和数学互为补充和促进，STEM课堂 才能持续焕发生机。