论文部分内容阅读
摘 要：开展STEM教育是我国教育战略方针的体现和需要；STEM教育可以看作以科学与工程问题的课程为主线，为学生提供一系列有一定关联程度的学习经历的教育方式或是教育模式。笔者以开发的基于STEM的项目式学习案例“证明地球是圆的”为例，详细阐述了STEM主题课程的开发、设计和实施的过程，以及由此引发的对课堂的思考，体现了通过基于工程的项目式学习的过程，运用数学、科学的知识解决方案，技术达成目标，从而最终实现达到培养创新人才的根本目的。
关键词：STEM；项目式学习；创新人才
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）12-0074-3
为发展学生的核心素養，促进21世纪人才的培养，各国纷纷展开了STEM教育的探索，旨在加强科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）与数学（Mathematics）教育的整合。时下，随着新课标的颁布和实施，课程改革进入了深水区，开展STEM教育是我国教育战略方针的体现和需要。STEM教育可以看作以科学与工程问题的课程为主线，为学生提供一系列有一定关联程度的学习经历的教育方式或是教育模式。
基于STEM的教育理念，笔者采取项目式的学习方式，来训练和培养学生的创新思维能力。本文就是一个典型的基于STEM的项目式学习案例。课题名称：用实验的方法证明地球是圆的。以下将详细阐述本主题课程的设计思路和实施情况，以及由此引发的对课堂的思考。
1 项目式学习的课题来源（问题的提出）
应央视科教频道《解码科技史》栏目的邀请，录制一段节目中的实验视频：你有没有怀疑地球的真正形状——能否用实验的方法证明地球是圆的？
2 主题课程的具体实施过程
2.1 方案的确定
从小我们就被告知地球是圆的，我们有没有怀疑过呢？
2.1.1 实验方案的初步设计
第一步：针对这个问题，首先组织学生展开初步讨论，让学生对问题有初步的认识，进而在对问题思考的基础上，给学生布置任务，要求找到一种具体可操作的实验方法来证明地球是圆的。
第二步：学生通过查找资料、讨论、分析、充分地思维碰撞后，提出了各种不同的方案。
有的学生提出可以测不同地点的重力加速度来确定地球是圆的，有的学生提出通过观测不同地点星月的位置变化来确定地球是圆的，也有的学生提出在地球上不同的地点测影长来确定地球是圆的，等等。
上述方案是否真的可行，如何具体操作，还需进一步研究探讨。学生从最具可行性和便于观测的角度初步确定了两种方案：1.通过观测不同地点星月的位置变化来确定地球是圆的。2.在地球上不同的地点测直立物体的影长来确定地球是圆的。
根据这两种方案把学生分成两组：观天组、测地组，由学生自由组合，每组选出一位组长来具体负责讨论、实施研究方案。
2.1.2 实验方案的理论分析和修正
第一步：分组研究。
第一组观天组：观天组最初是想借鉴网上的一种观测说法，例如，北京和深圳同时观测金星和月亮的位置关系不同，说明地球是圆的。观天组首先从寻找这种方法的理论依据入手，通过请教专家和资料查寻，分析发现这种方案很难直接说明地球是圆的。考虑到即使地面是平的，那么在不同位置观测到的相对位置也会不同，影响观测结果的因素不好控制，理论分析比较复杂，从测量的角度来说也很难准确地确定不同情况下相对位置的变化，另外进行观测的时间也有限制，操作起来难度很大（学生把它作为一个专门的课题作后续研究），基于上面的考虑，他们开始修改方案；在研究中，学生还发现由于地球表面的弯曲，在不同地点观察到的月球位置就不一样，所以决定采取最简单的方法，只观察不同地点月亮的位置变化情况来确定地球的形状。
第二组测地组：测地组的学生上网查询到古希腊测量地球周长的方法，深受启发。公元前240年前后，在希腊的亚历山大城图书馆当馆长的埃拉托色尼注意到在夏至的中午，阳光可以直射到位于亚历山大城附近的小镇塞恩的一口枯井的井底，直立的物体没有影子，也就是说太阳正好就悬挂在塞恩城的正上方，他发现在同一天同一时间，在亚历山大城地面上的物体有一段很短的影子，阳光是斜射进亚历山大城的，为什么会出现这种现象？埃拉托色尼判定，因为地面是弯曲的，他根据测得的数据，假定地球是圆的，求出了地球圆周的长度。根据这个历史事件，学生发现在地球上不同位置看到的物体影长不同，是由于地面弯曲造成的，所以决定通过测量物体在不同地点影长的变化来确定地球的形状。
第二步：综合讨论、修正并确定最终的方案。
组织两组学生带着各自的方案坐到一起，来讨论哪种方案更好。
①讨论如何测月亮的高度的过程中，学生发现两种方案其实理论依据是一样的，测月球的高度相当于测月亮的高度角，测杆的影长相当于测太阳的高度角，只是取的参照物一个是月亮一个是太阳。最终讨论决定两种方案合二为一，由于白天好观测，最终大家一致决定通过测直立物体影长的方式来确定地球的形状。
②经过讨论、分析，发现从科学的角度来讲，我们采用的方法都无法证明地球是圆的，只能证明地球是不平的，那怎么办呢？经过商量，大家决定把这个实验改成验证性实验。即先承认地球是圆的，然后据此确定出两地同样高度物体影长差值的理论值，然后再去实际测量差值，两者比较之后看是否一致，若一致，则验证地球确实是圆的。
2.2 方案的具体实施
2.2.1 建模分析
这个过程要求学生用数学软件，建立起理论模型，从理论上彻底弄明白我们的测量任务，确认我们的测量地点，要选择同一经度线上的两个城市。测量时间，要在正午时分进行。并从数学上明确找到杆子的影长差值。 2.2.2 寻找合适的地点
首先，让学生在地图上寻找和北京在同一经度上的城市，北京的经度在116度左右，最终学生们选择了经度也在116度上的锡林浩特市。我们决定邀请锡林浩特市第四中学的师生和我们共同合作完成测量任务。之后，我们和锡林浩特四中的老师取得了联系。他们很热情地接受了邀请，答应帮助我们共同完成这次测量任务。
2.2.3 准备测量工具
为了便于测量，学生选取了一米长的直杆。首先，学生找到了一根长的铝塑管，为了截取合适的长度，学生借用了工程实验室，进行测量截取（如图2所示）。看似简单的过程也是一个不简单的学习过程，在这个过程中除了测量，学生还掌握了锯的使用技巧。以上步骤分组完成。
2.2.4 共同进行实际测量
正午时分，北京市第八十中学和锡林浩特市第四中学两地的学生，来到了各自选择的测量地点：一处平坦开阔的地面。
首先，学生用手机里自带的水平尺，找到一处平坦的地面。但又有一个问题：就是在测量中如何保持杆子竖直？学生在之前已经考虑到了这个问题，他们准备了三角板来解决竖直的问题。
正午时分，两地学生同时开始测量。
在整个测量过程中，两地师生采用微信视频实时通迅，同步记录下一米长杆的影长测量结果，两地学生顺利地完成了合作。
2.2.5 实验结果
我们选取一米长的杆子测影长，实际在北京测量影长的结果是158 cm，锡林浩特市测得的是183 cm，影长差值为25 cm。理论计算结果两地影长差值为24 cm。理论值与实验值可以说在误差范围内相等，成功地验证了地球是圆的，圆满地完成了本次课题。
3 实施后的思考
在本次项目式学习中，有科学、技术、数学、工程多方面的结合和融合，学生在这个过程中，还通过小组合作的方式，查找资料，请教专家，互相讨论，直至提出设计方案并不断修正方案，最后成功实施方案，顺利地完成了课题的研究。在这个过程中，学生收获了很多：一方面，提升了学生的自主探究意识和综合实践能力，培养他们的主观能动性，使他们形成敏锐的观察力和较强的逻辑思维能力，学会独立思考，勇于探究；另一方面，也培养了学生运用工程的理念去分析、处理实际问题，用项目式的学习方式，来训练和培养学生的创新思维能力，从而最终实现培养创新人才的根本目的。對于物理教师而言，在这一过程中，积极鼓励学生发现问题，并结合物理知识，通过思考钻研，想出解决问题的方法。这样做，不仅使学生对学科知识能有更进一步的了解和掌握，同时也使他们学会如何将所学的知识有效应用到实践中，达到学习和实践结合的真正目的。
具体体现在以下几个方面：
1.教学目标和内容丰富，更具有整合性。教学目标和内容不再局限于学科教学，而涵盖了科学、技术、工程和数学四个方面，且不是孤立地呈现，而是有机地整合，以提升学生解决实际问题的综合能力，提高学习兴趣。
2.以一个真实情境问题贯穿整个学习活动。当然，传统课堂也强调真实情境，但仅限于课堂引入和知识应用部分，而本案例是以论证地球是圆的这一真实问题为活动的故事线，在“故事”中促进学生对数学、物理的理解，是对科学探究和工程设计等多学科能力的综合发展。
3.项目式学习活动融合了工程设计，发展了创新性思维能力。项目式学习给予了学生充分的时间，开放性地思考，学生才会想到运用两地测量的手段设计实证方案，予工程设计以STEM的教学理念，顺利达成了实证的目的。
4.多元化的活动评价。项目式学习中包含了生生之间、师生之间的多方评价，并通过头脑风暴、苏格拉底式的提问，反馈，评价，最终促进了学生深层思维的发展。
5.在整个项目学习过程中学生都是通过合作完成的，甚至突破了小组合作的界限，通过校外合作完成了项目，在学习过程中学生更加感觉到合作的重要性，更加善于合作，在合作过程中各方面能力得到有效的发展。
当然，对学生跨学科综合能力的培养，也不是一蹴而就的，这就需要我们教师积极地开发STEM课程，整合多学科内容，通过项目式学习，在师生、生生的实践和思维碰撞中，真正促进学生核心素养的发展。
参考文献：
[1]韩叙虹.基于物理核心素养培养的STEM教学的实践与探索[J].中学物理，2018（3）：2-6.
[2]赵玉婷，王卓玉.初中《研究性学习》的课程设计与实施策略研究[J].现代远距离教育，2017（4）：38-43.
[3]谢丽，李春密.物理课程融入STEM教育理念的研究与实践[J].物理教师，2017，38（4）：2-4.
[4]王玲玲.基于STEM的小学科学课程设计研究[D].上海：华东师范大学硕士学位论文，2015.
（栏目编辑 李富强）
关键词：STEM；项目式学习；创新人才
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）12-0074-3
为发展学生的核心素養，促进21世纪人才的培养，各国纷纷展开了STEM教育的探索，旨在加强科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）与数学（Mathematics）教育的整合。时下，随着新课标的颁布和实施，课程改革进入了深水区，开展STEM教育是我国教育战略方针的体现和需要。STEM教育可以看作以科学与工程问题的课程为主线，为学生提供一系列有一定关联程度的学习经历的教育方式或是教育模式。
基于STEM的教育理念，笔者采取项目式的学习方式，来训练和培养学生的创新思维能力。本文就是一个典型的基于STEM的项目式学习案例。课题名称：用实验的方法证明地球是圆的。以下将详细阐述本主题课程的设计思路和实施情况，以及由此引发的对课堂的思考。
1 项目式学习的课题来源（问题的提出）
应央视科教频道《解码科技史》栏目的邀请，录制一段节目中的实验视频：你有没有怀疑地球的真正形状——能否用实验的方法证明地球是圆的？
2 主题课程的具体实施过程
2.1 方案的确定
从小我们就被告知地球是圆的，我们有没有怀疑过呢？
2.1.1 实验方案的初步设计
第一步：针对这个问题，首先组织学生展开初步讨论，让学生对问题有初步的认识，进而在对问题思考的基础上，给学生布置任务，要求找到一种具体可操作的实验方法来证明地球是圆的。
第二步：学生通过查找资料、讨论、分析、充分地思维碰撞后，提出了各种不同的方案。
有的学生提出可以测不同地点的重力加速度来确定地球是圆的，有的学生提出通过观测不同地点星月的位置变化来确定地球是圆的，也有的学生提出在地球上不同的地点测影长来确定地球是圆的，等等。
上述方案是否真的可行，如何具体操作，还需进一步研究探讨。学生从最具可行性和便于观测的角度初步确定了两种方案：1.通过观测不同地点星月的位置变化来确定地球是圆的。2.在地球上不同的地点测直立物体的影长来确定地球是圆的。
根据这两种方案把学生分成两组：观天组、测地组，由学生自由组合，每组选出一位组长来具体负责讨论、实施研究方案。
2.1.2 实验方案的理论分析和修正
第一步：分组研究。
第一组观天组：观天组最初是想借鉴网上的一种观测说法，例如，北京和深圳同时观测金星和月亮的位置关系不同，说明地球是圆的。观天组首先从寻找这种方法的理论依据入手，通过请教专家和资料查寻，分析发现这种方案很难直接说明地球是圆的。考虑到即使地面是平的，那么在不同位置观测到的相对位置也会不同，影响观测结果的因素不好控制，理论分析比较复杂，从测量的角度来说也很难准确地确定不同情况下相对位置的变化，另外进行观测的时间也有限制，操作起来难度很大（学生把它作为一个专门的课题作后续研究），基于上面的考虑，他们开始修改方案；在研究中，学生还发现由于地球表面的弯曲，在不同地点观察到的月球位置就不一样，所以决定采取最简单的方法，只观察不同地点月亮的位置变化情况来确定地球的形状。
第二组测地组：测地组的学生上网查询到古希腊测量地球周长的方法，深受启发。公元前240年前后，在希腊的亚历山大城图书馆当馆长的埃拉托色尼注意到在夏至的中午，阳光可以直射到位于亚历山大城附近的小镇塞恩的一口枯井的井底，直立的物体没有影子，也就是说太阳正好就悬挂在塞恩城的正上方，他发现在同一天同一时间，在亚历山大城地面上的物体有一段很短的影子，阳光是斜射进亚历山大城的，为什么会出现这种现象？埃拉托色尼判定，因为地面是弯曲的，他根据测得的数据，假定地球是圆的，求出了地球圆周的长度。根据这个历史事件，学生发现在地球上不同位置看到的物体影长不同，是由于地面弯曲造成的，所以决定通过测量物体在不同地点影长的变化来确定地球的形状。
第二步：综合讨论、修正并确定最终的方案。
组织两组学生带着各自的方案坐到一起，来讨论哪种方案更好。
①讨论如何测月亮的高度的过程中，学生发现两种方案其实理论依据是一样的，测月球的高度相当于测月亮的高度角，测杆的影长相当于测太阳的高度角，只是取的参照物一个是月亮一个是太阳。最终讨论决定两种方案合二为一，由于白天好观测，最终大家一致决定通过测直立物体影长的方式来确定地球的形状。
②经过讨论、分析，发现从科学的角度来讲，我们采用的方法都无法证明地球是圆的，只能证明地球是不平的，那怎么办呢？经过商量，大家决定把这个实验改成验证性实验。即先承认地球是圆的，然后据此确定出两地同样高度物体影长差值的理论值，然后再去实际测量差值，两者比较之后看是否一致，若一致，则验证地球确实是圆的。
2.2 方案的具体实施
2.2.1 建模分析
这个过程要求学生用数学软件，建立起理论模型，从理论上彻底弄明白我们的测量任务，确认我们的测量地点，要选择同一经度线上的两个城市。测量时间，要在正午时分进行。并从数学上明确找到杆子的影长差值。 2.2.2 寻找合适的地点
首先，让学生在地图上寻找和北京在同一经度上的城市，北京的经度在116度左右，最终学生们选择了经度也在116度上的锡林浩特市。我们决定邀请锡林浩特市第四中学的师生和我们共同合作完成测量任务。之后，我们和锡林浩特四中的老师取得了联系。他们很热情地接受了邀请，答应帮助我们共同完成这次测量任务。
2.2.3 准备测量工具
为了便于测量，学生选取了一米长的直杆。首先，学生找到了一根长的铝塑管，为了截取合适的长度，学生借用了工程实验室，进行测量截取（如图2所示）。看似简单的过程也是一个不简单的学习过程，在这个过程中除了测量，学生还掌握了锯的使用技巧。以上步骤分组完成。
2.2.4 共同进行实际测量
正午时分，北京市第八十中学和锡林浩特市第四中学两地的学生，来到了各自选择的测量地点：一处平坦开阔的地面。
首先，学生用手机里自带的水平尺，找到一处平坦的地面。但又有一个问题：就是在测量中如何保持杆子竖直？学生在之前已经考虑到了这个问题，他们准备了三角板来解决竖直的问题。
正午时分，两地学生同时开始测量。
在整个测量过程中，两地师生采用微信视频实时通迅，同步记录下一米长杆的影长测量结果，两地学生顺利地完成了合作。
2.2.5 实验结果
我们选取一米长的杆子测影长，实际在北京测量影长的结果是158 cm，锡林浩特市测得的是183 cm，影长差值为25 cm。理论计算结果两地影长差值为24 cm。理论值与实验值可以说在误差范围内相等，成功地验证了地球是圆的，圆满地完成了本次课题。
3 实施后的思考
在本次项目式学习中，有科学、技术、数学、工程多方面的结合和融合，学生在这个过程中，还通过小组合作的方式，查找资料，请教专家，互相讨论，直至提出设计方案并不断修正方案，最后成功实施方案，顺利地完成了课题的研究。在这个过程中，学生收获了很多：一方面，提升了学生的自主探究意识和综合实践能力，培养他们的主观能动性，使他们形成敏锐的观察力和较强的逻辑思维能力，学会独立思考，勇于探究；另一方面，也培养了学生运用工程的理念去分析、处理实际问题，用项目式的学习方式，来训练和培养学生的创新思维能力，从而最终实现培养创新人才的根本目的。對于物理教师而言，在这一过程中，积极鼓励学生发现问题，并结合物理知识，通过思考钻研，想出解决问题的方法。这样做，不仅使学生对学科知识能有更进一步的了解和掌握，同时也使他们学会如何将所学的知识有效应用到实践中，达到学习和实践结合的真正目的。
具体体现在以下几个方面：
1.教学目标和内容丰富，更具有整合性。教学目标和内容不再局限于学科教学，而涵盖了科学、技术、工程和数学四个方面，且不是孤立地呈现，而是有机地整合，以提升学生解决实际问题的综合能力，提高学习兴趣。
2.以一个真实情境问题贯穿整个学习活动。当然，传统课堂也强调真实情境，但仅限于课堂引入和知识应用部分，而本案例是以论证地球是圆的这一真实问题为活动的故事线，在“故事”中促进学生对数学、物理的理解，是对科学探究和工程设计等多学科能力的综合发展。
3.项目式学习活动融合了工程设计，发展了创新性思维能力。项目式学习给予了学生充分的时间，开放性地思考，学生才会想到运用两地测量的手段设计实证方案，予工程设计以STEM的教学理念，顺利达成了实证的目的。
4.多元化的活动评价。项目式学习中包含了生生之间、师生之间的多方评价，并通过头脑风暴、苏格拉底式的提问，反馈，评价，最终促进了学生深层思维的发展。
5.在整个项目学习过程中学生都是通过合作完成的，甚至突破了小组合作的界限，通过校外合作完成了项目，在学习过程中学生更加感觉到合作的重要性，更加善于合作，在合作过程中各方面能力得到有效的发展。
当然，对学生跨学科综合能力的培养，也不是一蹴而就的，这就需要我们教师积极地开发STEM课程，整合多学科内容，通过项目式学习，在师生、生生的实践和思维碰撞中，真正促进学生核心素养的发展。
参考文献：
[1]韩叙虹.基于物理核心素养培养的STEM教学的实践与探索[J].中学物理，2018（3）：2-6.
[2]赵玉婷，王卓玉.初中《研究性学习》的课程设计与实施策略研究[J].现代远距离教育，2017（4）：38-43.
[3]谢丽，李春密.物理课程融入STEM教育理念的研究与实践[J].物理教师，2017，38（4）：2-4.
[4]王玲玲.基于STEM的小学科学课程设计研究[D].上海：华东师范大学硕士学位论文，2015.
（栏目编辑 李富强）