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在翻转课堂中渗透STEM教育

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  摘要:本文以《力的作用是相互的》一课为例,以微课程教学法为依托,以微项目学习“设计动力船”为抓手,探索在翻转课堂中渗透STEM教育的途径,对发展学生创新能力、拓宽教师从事学习设计的思路,都具有积极意义。
  关键词:微课程教学法;翻转课堂;STEM
  中图分类号:G434  文献标识码:A  论文编号:1674-2117(2019)10-0055-05
  翻转课堂、微课程教学法、STEM教育
  翻转课堂又称“颠倒课堂”,是一种以“学习知识主要在课外,内化知识、拓展能力主要在课堂”为基本结构的学习方式(或曰教学方式、教学模式、教学形态),其目的在于发展应对未来挑战必备的核心素养,提升教学质量。
  微课程教学法是苏州电教馆原任馆长金陵先生提出并创建的,是从课程视域出发研究翻转课堂之后的本土创新,是针对移动互联环境下包含学生课前、课堂学习在内的单位课时教学活动的系统设计。
  在微课程教学法系统设计中,教师需要在课前设计自主学习任务单(简称“任务单”)和开发配套学习视频。
  “任务单”要求根据课标和学情提出学生课前学习应该达成的目标,然后,根据达成目标设计学习任务。学习任务以问题的形式呈现,要求提出反映概念、原理(含定律)和方法等理解性的问题,而不是应用性的问题。再根据学习任务设计配套学习视频,使学生在问题的引导下,通过观看视频,高质量地完成学习任务,为课堂学习中举一反三地解决具体问题做好铺垫。
  在微课程教学法系统设计中,课堂学习的设计主要包含四个部分:
  一是基础检测,目的是评价课前学习质量。检测的范围和难度相当于“任务单”,不仅能够及时反馈学习情况,还有助于提高学生的学习成就感。
  二是进阶作业,要求根据“最近发展区”策略对新学知识作横向拓展,以便达到新的认知高度。
  三是协作探究,要求探究的主题来自真实情境,让学生运用所学知识解决真实问题。
  四是设计展示活动,通过陈述、质疑、阐释深化对所学知识意义的理解。“学习金字塔”表明,展示不是“作秀”,而是高效的学习策略。[1]写作探究和展示活动这两个部分构成“微项目学习”,是内化知识的重要手段,并能有效拓展综合能力,发展核心素养。
  STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)四个单词的英文首字母的组合,是跨学科整合的新型教学方式。其理念核心是促进多学科交叉融合,培养创新型人才。[2]
  美国很早就提出STEM教育,不仅关注理论知识,还关注工程设计,其目的就是整合各领域的知识,解决真实世界中的实际工程技术问题。而物理学科与技术、工程本来就有着天然的联系,物理教师理应尝试STEM教育,从狭隘地关注学科本身转向关注创新性人才培养。
  在传统课堂教学中,师生都将主要时间、主要精力放在新知识的学习上,对最为关键的知识应用,却蜻蜓点水,一带而过。教学的往往只提到知识在生活中有哪些应用,但具体怎样应用,应用时还面临什么困难,会遇到什么样的技术、工程难题等,却只字不提,导致学生所学与应用能力脱节,不利于学生的终身发展,不利于其走上社会之后的工作创新。
  采用微课程教学法翻转课堂之后,课前完成知识学习,课堂就有充足的时间巩固和内化知识,应用知识解决生活中的实际问题,或者运用知识进行创新,设计具有实际意义的“小发明”等。这样,就能在课堂中渗透STEM教育理念,或者进行完整的STEM教育。
  研究课标、教材和学生,分析课堂STEM项目的可行性
  《义务教育物理课程标准(2011版)》中对“力的作用是相互的”新课的要求是:认识力的作用是相互的,认识到施力物体同时也是受力物体。
  苏科版物理八年级的教材内容则是让学生在学习了弹力、重力、摩擦力這三种具体的力以后,对它们共同性质之一(力的作用是相互的)展开研究。
  这里涉及各种性质的力,课前,学生对生活中大部分种类的力已有正确的前概念,对于这一类知识的学习,只要教师设计到位,知识理解没有特别的困难。
  而对于部分力,如锤子钉钉子、拳击手打倒对手、带电体吸引纸屑等,不少学生的前概念认为锤子、拳击手、带电体不受力。这些宜安排在课堂进阶过程中,通过教师设计真实情境,让学生在实践中形成认知冲突,在冲突中完成意义建构,是培养学生创新能力、完成知识内化的应有选择。
  《义务教育物理课程标准(2011版)》中还有一个重要的理念就是“从生活走向物理,从物理走向社会”,对于本节内容来说,就是运用“力的作用是相互的”原理设计生活中的具体应用,使学生体会技术创新的魅力。
  教材中也安排了“读一读”,呈现一艘被困于冰面上可以移动的船,但没有动力,所以船上的小明采用把船上部分物体使劲扔出去,然后形成的反作用力使船靠岸的故事引入火箭运动原理,激活学生运用所学知识解决实际问题的潜能,同时与高中学习接轨。
  学生都玩过与力有关的玩具,其中有不少玩具是利用力的反作用运动原理的,所以,若课堂中让学生用“力的作用是相互的”去设计一个动力玩具,他们一定情绪高涨,兴趣盎然,能把知识与经验结合起来,完成内化。
  因此,我们在课堂教学中设计了一个动力船的STEM项目,并且让学生自选动力源。之所以选择船而不选小车或飞机,是考虑到船在水里的阻力小,因此学生可选的动力源就很多。同时,能够让学生感受到船的特点:相对于其他交通工具,船速度慢,耗能少,运载量多等。
  船的制作材料选择的是泡沫材料。原因在于,泡沫材料比较容易加工,容易让学生发展设计的才能,以便贯穿工程思想,先设计再制作。
  学生在设计外形时不仅要考虑美观,还要考虑动力源、运载货物等稳定性问题。这个过程,就是应用本课核心知识综合解决实际问题的深度学习过程。   微课程教学法系统设计中的STEM项目设计
  微课程教学法在行动研究中创造了一个促进高质量学习发生的系统设计流程。其基本方法是设计目标管理的用于课前学习的“任务单”,开发保证学生完成“任务单”给出的学习任务的配套学习视频,以及设计用于内化知识的课堂学习任务单。
  1.设计自主学习任务单
  自主学习任务单简称“任务单”,是教师设计的以表单形式呈现的指导学生自主学习的方案,也是学生必须完成的学习任务的载体,包括学习指南、学习任务、困惑与建议三个子项。在学习指南中,又包含达成目标、学习方法建议,以及困惑与建议。
  (1)设计达成目标
  根据课标、教材及学生的知识基础,我们设计如下达成目标:通过看视频、阅读教材、完成“任务单”学习任务,理解手压笔尖、手拍桌子、手拉橡皮筋、扫帚扫地、磁体吸硬币间力的作用的特点。
  设计理由:首先,学生对这些力没有形成明显错误的前概念,只要唤醒学生心中正确的体验,并加以归纳提炼,即可完成新知识的理解。其次,前三个力都是用手对物体施力,学生能运用手上的感受,体验力的相互作用。最后,扫帚扫地、磁体吸引硬币,这都是学生能在家里完成的探究过程,也是适合课前学习的。
  (2)设计学习任务
  由于“任务单”是供学生课前学习所用,所以,学习任务设计须坚持问题导向原则。原因在于,理解性问题聚焦精准,所有学生面对问题时,都不会觉得学习无从下手。一个个问题能够引导学生自己发现知识,体验学习的成就感。同时,在思辨中理解新知识有助于学习达到举一反三、明理通达的层次,有助于提升学生在课堂学习中发展解决实际问题的能力。
  针对达成目标,我们设计了“手压着铅笔尖,你手指有什么感受?”“增加力量,又有什么感受?说明什么?”等学习任务,这样的任务就是为达成目标而设计的,同时,学生容易操作,指令性强,而最终说明的问题就是需要学生达成的目标。
  2.开发配套学习视频
  学习视频之所以需要配套,是因为它是针对完成学习任务的需要而开发的,这是微课程教学法创造的需求导向的资源开发方法。
  针对学习任务,我们设计的视频中有五个实验:
  实验一:用一个气球对另一个气球施压,主动施力的气球自己也扁了,让学生看到直观的形变。
  实验二:用手对笔尖施力,让学生看到手主动施力时,手发生形变。这个实验容易唤醒学生心中的体验,手对笔尖施力越大,手越感到疼痛。而手对桌子、橡皮筋的作用,视频中没有涉及,原因是学生以前有正确的体验,同时这些可以直接实验。
  实验三:用运动的乒乓球去撞击静止的高尔夫球,发现高尔夫球动起来的同时乒乓球反弹了,通过运动状态的改变体验力的相互作用。
  实验四:两个穿溜冰鞋的同学,一个同学去推另一个同学,看到两人都后退了。像扫帚扫地、磁体吸引硬币这些任务,视频中没有提供支撑,原因是学生在家里就能独立完成探究得出结论。
  实验五:海底乌贼的运动,它是靠向后急速喷水,利用水的反作用力前进。这样让学生有更丰富的体验、更深刻的理解,为课堂学习和STEM项目活动做好铺垫。
  3.设计课堂学习任务单
  基于“任务单”+配套学习视频的组合式学习,我们把课堂学习任务设计为四个环节。一是“测学力”。这是对学生课前学习质量的检测,检测的范围和难度与“任务单”+配套学习视频相当,因此,只要课前认真学习,都可以成功过关,体验学习成就感。二是“辩论赛”。针对学生中可能存在的错误的前概念,创设情境,让学生暴露错误,形成冲突,再在辨析、实验中形成正确的认知的过程。三是“探项目”。这里,我们设计了一个STEM项目——设计、制作动力船。活动为学生提供泡沫材料、美工刀、尺子、风车、橡皮筋、气球、矿泉水瓶子、吸管、胶带,让学生利用“力的作用是相互的”原理,设计并制作一艘动力船。四是“秀风采”,让学生当堂展示“动力船”作品,用“力的作用是相互的”原理解释设计思路,然后比同类型船的航程和速度,由学生评价得失。
  由于动力船的动力源较多,我们将全班分为9组,3组为一个方阵,共有甲乙丙三个方阵。甲方阵提供的器材是气球、泡沫材料、小刀、胶带、吸管、绳子;乙方阵提供的器材是橡皮筋、风车、泡沫材料、小刀、胶带;丙方阵提供的器材是矿泉水瓶、吸管、泡沫材料、小刀、胶带。然后,根据给定的器材,开展小组协作,汇聚集体智慧,设计制作动力泡沫船。
  最后,开展全班比赛,比赛规则是同一方阵即同一动力源进行比赛,比外形设计、船速度、船航程、船的稳定性。具体是让一个学生介绍原理及设计的亮点,另一个操作展示,同时给他们设置了障碍,每个小组都没有水缸,只有展示时,讲台上提供水缸,这样学生在制作船时,就一定要考虑周全,不断论证设计是否可行、结构是否稳定、动力是否充分发挥等问题。
  课堂STEM项目教学片段
  甲方陣第一组展示,介绍的学生说:“我们小组的动力船的动力是气球,让充气的气球反向固定于船上,然后气球松手后,向后喷气,气球对气体向后施力,气体就会对气球给出向前的力。由于气球轻,我们的动力船就做得比较小,船速应该很快。”
  说完,由另一位学生展示。可是,那位学生的手一松开,大家就听到“噗”的一声,气没了,动力没了,船只走了一点就停了,大家都笑了。显然,气球喷气太快。同组的同学立刻站起来说:“我们应该在气球喷嘴处装一个吸管,让气体慢慢喷出,这样动力就持久些。”说完,便上来改装,装上吸管,再次测试。结果,船从水缸的一边行到另一边。
  甲方阵第二组设计和第一组一样,船行走的距离和第一组相当。但第三组的设计就不同了,第三组是将吸管的喷嘴放在水面下,介绍的学生说:“我们的船动力原理和他们不太一样,我们的气嘴在水里,气球向后喷气时会对水产生向后的力,这时,水就对船有向前的反作用力,我们的船应该比前面两组的船走得更远更快。”测试结果也验证了他们的说法。   乙方阵第一组展示的学生说:“我们是利用风车向后吹风,空气对风车向前用力。”然后展示,将连接橡皮筋的风车先转动足够多的圈数后,固定于泡沫船上,之间用双面胶连接,测试效果很好,而且比甲方阵的船都要快些。第二组、第三组作品设计和第一组外形差不多,但都是将风车置于水下,测试结果表明,船的航程、航速都优于第一组。
  丙方阵第一组展示的学生介绍道:“我们船前进不是利用气球,不是利用风车,而是利用液体水,我们将矿泉水瓶下方开口,插一根吸管,然后瓶中装水,利用瓶子向外喷水形成反作用力使船前进。”说完便测试,将装水的瓶子放于船上,结果瓶子不是向左倒,就是向右倒,很难找到合适的位置。经过不断寻找,终于找到合适位置,然后,打开吸管开口,船缓缓地前进了。虽然船速不如前面两种,但学生都露出惊讶、赞许的笑容。
  第二组展示时,就完全失败了,因为泡沫船太小了,装水的瓶子放上之后,船就沉下去了。第三组看到了前面失败的原因,因此设计的船体较大,同时又将瓶子中的吸管的开口置于船体下方,这样喷出来的水不是在空中而是在水下方,结果船速和船的航程都发生了变化。
  STEM项目活动极大地激发了学生探究、创新的积极性,通过设计、制作、展示、评价等环节,不仅加深了学生对所学知识的理解,而且,让学生通过实践发现,理论怎样与实践结合才会成功,经验在什么样的情况下实践会遭遇失败,这使所学知识产生了真实意义,从而完成对所学“力的作用是相互的”的意义建构。学生展示原理图如上页图所示。
  结语
  由于采用微课程教学法,学生课前学习扎实有效,课堂中就有了从事STEM项目学习的条件,可以有更多的时间来运用所学知识解决实际问题。这是微课程教学法提炼的微项目学习的精华。
  我们选择用泡沫制作动力船,可以充分发挥学生的想象力,让学生先期在纸上进行船的外形设计,然后用小刀制作出泡沫船,体现工业设计思想。
  我们按照动力源将学生分为三个方阵,每个方阵只提供一个动力源,可以让学生专注于分头设计,并且在展示的时候更加注意观察和评价兄弟组的作品,汲取兄弟组的智慧,共同吸取失败组的教训。
  我们只提供一个测试平台——大水缸,激励学生在进行设计时,更加谨慎而充分地作产品论证,有利于促进学生深度思考、深度学习。
  课堂学习结束之后,我们发现,不少学生放学回家后,还在自发地继续研究制作,这使我们倍感欣慰,这不就是教育所期待的吗?
  參考文献:
  [1]金陵.翻转课堂与微课程教学法[M].北京:北京师范大学出版集团,2015:207-221.
  [2]段炼,张静.基于STEM教育模式的高中物理教学设计[J].物理教师,2018(05):13-15.
  基金项目:本文系江苏省教育科学“十三五”规划专项课题“STEM教育视野下综合实践课程校本化实践研究”的阶段性研究成果。课题编号:C-a/2018/02/05。
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