基于STEM教育理念的校外天文科普教学探究
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【摘要】天文教育尤其是青少年天文科普教育在中国有着比较浓厚的校外色彩。选取了《太阳的视运动》一节课做实例进行分析，将以前的课程中一个用时5～10分钟以讲述为主的教学环节，改为用时90分钟让学生自我探究的模式，从借模型讲原理，改为做模型探原理，得到了更好的教学效果。在反思中得出了在教学中有“舍”才有“得”，有“备”才无“患”的经验，也尝到了STEM教育给教学带来变化的甜头。
【关键词】STEM 校外教育 天文科普教学
一、研究背景
在我国，天文学并没有纳入到基础教育必修体系中，即使在高等教育阶段，中国大学中本科开设天文专业的也寥寥无几，就上海而言，仅今年（2018年）只有上海交通大学招收天文本科专业学生。因此在中国，青少年天文科普教育教学任务更多落在了青少年活动中心，少科站等公办校外教育机构。但是由于没有统一教学大纲，青少年天文科普教育教学也缺乏统一的教材，因此，各地教学内容、形式、方法、理念各有不同。
STEM教育旨在推动学生的学习与生活相连接，并在解决问题的过程中能够将科学、技术、工程、数学等多学科进行融合，强调“学中做”“做中学”的理念，开展基于真实问题情景下的探究性学习。传统天文教学更强调知识的传授，而中小学天文科普教学比较倾向于对天文学常识的灌输，容易忽视与其他学科的交叉学习及运用。在学习了STEM教育理念后，我尝试在天文教学中进行了一些改变。
二、研究现状分析
1.教学时间优势
校外教育在开展活动时既不受教学大纲的课时数限制，每次开展活动的时长也较长，就杨浦少科站为例，每次教学活动时间为90分钟，这相较于校内教育来说无论从总课时数还是单次活动时间上看，有更充分的时间让学生进行体验探究。以天文为例，作为一门观测学科，天文观测的对象更多的是夜空中的天体，这使得开展观测教学的时间必然是夜间，这在校内教育是很难做到的。
2.教学硬件优势
校外教育是对校内教育的有效补充，大多按照学科或者项目进行教学场所建设，设施的专业性更强，对专业项目所添置的设备也更有针对性，因此相较校内来说，更容易实现硬件上的建设。就杨浦区而言，在百所中小学中拥有天文社团的学校将近1/5，其中建有天文专用教室的仅4所，拥有天文望远镜的学校也不足10所，而杨浦少科站除了有天文活动室外，还建有天象厅、天文台等天文专用科普场所，无论是设施还是场地上看，更适合开展探究型的教学。
3.教学对象优势
我们常说兴趣是学习最好的动力，而促使这些学生走在一起的原动力就来自于他们对同一类项目或学科的喜爱。这一特点使得教师在制定教学计划时可以有更强的针对性，也容易在教学过程中碰撞出思维的火花。以我所任教的天文班级为例，在小学的班级中，是来自三至五年级的学生，在讲述夜空中的星座时，学生中80%能列出部分星座名，这省去了不少单纯的认知模式时间，可以更快速地引导学生去根据相邻恒星所组成的外形特征对星座进行识别。而在学校行政班级中同样的问题，学生能列出星座名称的一个班级中寥寥数人，这就需要先让他们对星座基础知识包括概念有个初步地认识，然后才能引导进行星座的识别。
三、研究内容
1.常规教学
圭表是中国古代借此用以测定正午影长变化定历法的计时工具。如图1所示，分为两部分，垂直于地面的用于显示影长的标杆称为表，而平躺在地面两头指向正南北方，且与表垂直的是用来测标杆影长的是圭。由于地球的自转轴与地球的公转轨道并不是垂直的，所以太阳直射点（即正午12点时能够被太阳垂直照射的地方）在一年里会在南北回归线之间移动，这就造成了每个地方每天正午太阳的影长都是不一样的，以上海为例，冬至时正午影长最长，而夏至时正午影长最短。在圭表上连续两次测得影长最长或最短的这段间隔就是一年。而一年中太阳高度角的周期变化，这就是太阳做周年视运动时我们能观测到的现象。
传统的教学方式大致是两种：一是直接讲述圭表的原理及作用，让学生知道太阳周年视运动所表现出的现象;二是让学生用手电筒模拟太阳通过调节不同入射高度，观察表在圭上所呈现影子长短的变化，以此来认识太阳周年视运动的变化规律。这两个教学环节设计的用意是希望通过认识圭表的作用，学生可以对太阳周年视运动的规律进行了解，一般用时在5～10分钟。
前一种经常用于有一定常识经验的初中生，后一种常用于三至五年级的小学生。但是，无论是按照哪种教学方式上完之后，我发现学生并没有按照我设想地那样对太阳周年视运动的规律有所掌握。如我在使用第2種教学方式时，尽管让学生参与实践体验，学生的专注点更多落在如何操作手电筒上，而对表落在圭上的投影指向哪个刻度关注度并不够，从而并不能从中了解太阳周年视运动的规律。
2.引入STEM理念后的教学方式
（1）第一环节
制作的第一个环节是让学生对屏幕中所呈现的不同样式圭表的图片进行对比，从中寻找出这些圭表外形上的特点。学生通过比对后，找出如下几个相同点：表都是放在朝向太阳的那一面;表的宽度比圭要窄，长度也比圭要短;表是放置在圭上刻度表的起始位置。
学生们七嘴八舌地找到这些的同时也纷纷提出了为什么？为了引导学生解开自己提出的问题，我给他们提供了一种思路，那就是，如果不是这些特点会怎么样呢？在一阵假设和讨论后，学生们给出了答案：圭的刻度是测量表的影子，而表之所以有影子是因为太阳照射的缘故，所以表只能朝向太阳那面放;如果表比圭宽的话，影子就要照到刻度以外的区域了;表的影长和太阳的角度有关，当太阳在正上方的时候，影子的长度是0，所以表应该放置在圭的起始位置。
这个教学环节的设计愿意只是想让学生能够分别筛选出做圭和做表的冷饮棒，但是学生的思维是活跃的，没想到他们居然从中找到了圭表的原理，结果让我有些惊喜，这也坚定了我继续下去的决心。 （2）第二环节
第二个环节是让学生对表的长度进行确定以制作一个适合在上海地区使用的圭表模型。这个知识点属于高中地理的范畴，并且需要用到三角函数的计算，对于三至五年级学生来说难度过大，但是学生们都在学校里学习过量角器的用法，所以由我告诉了学生在上海地区每年太阳的正午高度角最低时是35.5°，最高是82.5°。
得到角度后，学生们用直尺在自己那根宽的冷饮棒上开始绘制刻度，在尝试自己用量角器根据绘制刻度去测量窄的冷饮棒失败后，同桌的两位同学自发组成了一组，一位同学扶住窄的冷饮棒，一位同学扶着量角器，然后再从文具盒中选出直的工具，如笔、直尺等，按照我所提供的角度，对窄的冷饮棒高度进行测量并做标记，然后按照所记标记把多余部分用剪刀剪去。
在这个环节中我并没有要求学生进行组队完成，但是同学在自己尝试失败后，主动结队的行为让我看到了，用任务驱动让他们自发产生协作精神，比我指定的效果要好，至少他们在结队之初就已经对每人所要完成的动作进行了分工。
（3）第三环节
最后一个环节是将加工好的圭和表进行组装，我自己做个样品是将几块裁剪下来的木头边角料与由窄的冷饮棒所做表并排粘在一起，这样可以加大表的底面积，方便粘在由宽的冷饮棒所制成的圭上。但是学生的创意很多，有在圭上开了槽把表插进去的，也有把做了个直角装置把表固定在圭上的。
学生全部完成圭表模型制作大概用时1小时，在快下课前，我找了两位同学来描述在一年里面看到太阳高度有什么样的变化，他们举着圭表的模型比划着说，在夏天的时候太阳的角度最高，所以表的影子最短，冬天的时候太阳的角度最低，所以表的影子最长，春天影子是越來越短，秋天影子越来越长。其实这就是太阳周年视运动所呈现的现象变化规律。
3.教学总结
中医说：痛则不通，通则不痛。教学效果没有达到预期，这就是“教学之痛”，要改变这一痛症，则要从教学方法上寻求变通。就这一事例看来，学生在制作圭表模型的过程中，自己提出问题，自己设法解决。学生在这一问一答中也获取了圭表的原理及其背后的天文学知识。
四、研究反思
1.有“舍”才有“得”
都说失败是成功之母，孩子的成长是在一次次失败中成长起来的。学习的过程也是一样，它是一场马拉松，不该追求片刻之快，而忽视了它的本质。就天文科普教学来说，由于信息技术的发展，很多天文学常识学生可以从书本或者网络上获得，但是更多的是“知其然而不知其所以然”或是“一知半解”，由于学校课程的缺失，因此他们缺乏的并不是天文学知识而是验证这些知识的方法或者说是长久掌握这些知识的方法。而这些方法正是需要教师帮助学生去掌握的，正所谓授之于鱼不如授之于渔。
2.有“备”才无“患”
二期课改要求学生成为教学活动的主体，而教师更多的是成为引导者。这对教师提出了更高的要求，从此前要求的讲得好转为要让学生学得好。要做好引导者，教师必须在备课阶段做更多的准备。此前备课要求备课标、教材、教法、学法、学生，现在看起来还需要备场地、备环境。如《天文探秘》教材中第四单元《太阳》中有涉及到太阳黑子，如果能选择天气晴好的日子让学生通过望远镜观测太阳黑子，从而直观感受太阳黑子在太阳中所占面积，比教师直接告知效果更好。而教师备课更充分，设计更多实践体验的环节，才能长久且持效地解决困在学生的“心头之患”。
STEM教育理念给我们带来的改变是，让我们明白，教育并不是单纯地改变教法或学法，而应该是引导学生在足够的时间与空间中，按照自己的探究经验去体会科学的奥秘，去发现知识的魅力。
参考文献：
[1]吴刚平.课堂教学从记中学转向做中学与悟中学的认识基础[J].上海课程教学研究，2018，（03）：13.
[2]秦瑾若，傅钢善.STEM教育：基于真实问题情景的跨学科式教育[J].中国电化教育，2017，（04）：67.
[3]赵兴龙，许林.STEM教育的五大争议及回应[J].中国电化教育，2016，（10）：62.
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