1、    stem視角下的初中科學課程教學實踐研究    李崎穎金曉凌丁旭梅余波摘 要：文章在探討stem整合教育的可借鑒性基礎上，探究在現有條件下開展stem優化科學探究教學的有效模式，以重慶一中初中科技課作為實踐平臺，對“偽全息3d投影制作”個案進行分析。為有效融合stem課程理念，該案例嘗試以5-e教學模式，即參與、探究、解釋、詳細說明、評價5個階段開展教學，希望能獲得更多同行的建議指導。關鍵詞：stem；5-e教學模式；偽全息3d投影；科技課：g434 文獻標志碼：b ：1673-8454（2016）24-0035-05一、stem教育的產生與發展

2、stem源于美國，是科學（science）、技術（technology）、工程（engineering）和數學（mathematics）的縮寫，是以基于問題學習、基于項目學習、基于工程設計等方式將科學、技術、工程和數學四門學科融合的教育。其本質是在多個獨立的學科中建立一個橋梁，為學生提供整體認識世界的機會，引導學生重新思考科學、技術、工程和數學的內涵及他們之間存在的關系，把學習的零碎知識變成相互聯系、完整統一的系統。畢竟，學生最終面對的是一個完整的世界。1986年美國國家科學委員會發布本科的科學、數學和工程教育報告首次明確提出“科學、數學、工程和技術”教育的綱領性建議，被視為stem教育的開端

3、。2015年12月奧巴馬政府正式頒布了stem教育法案，從教師培訓、社會協助、校內外相結合等角度詳細規劃了stem教育的新動向。1stem教育在美國的蓬勃發展，究其原因，美國實用主義哲學的思想基礎起到了重要作用，杜威的做中學思想影響深遠，實用主義哲學重視知識的學以致用，更重視學習者的實際經驗，這些都是stem教育的重點。那么，stem教育引入我國能否成功呢？有學者認為，科學、工程、技術的結合能夠讓學生體驗運用科學解決實際問題的樂趣，加深對理論知識的理解，應盡快借鑒。2也有學者仍堅持我國應注重學科分科，含蓄表達了對“整合”的異。3有學者更直接地表示我國特別是一些相對落后的地區遠沒達到1996 年

4、美國國家科學教育標準的水平，現在大規模引入將欲速則不達。4單憑幾家爭論決定我國基礎科學教育的發展走勢未免失之粗疏。適用與否以及如何應用還須用事實說話。2001年，教育部正式啟動新一輪基礎教育課程改革，六項改革目標備受矚目，其中目標二：改變課程結構過于強調學科本位、科目過多和缺乏整合的現狀；目標四：改變課程實施過于強調接受學習、機械訓練的現狀，倡導學生主動參與、樂于探究、勤于動手，培養學生分析和解決問題的能力。這兩項目標與stem 課程強調要將過程和方法置于復合的真實問題情境中，應用多學科知識解決實際問題的表述有異曲同工之處。由于stem教育在國外仍處于發展階段，照搬經驗或全盤引進我國易引起“水

5、土不服”，也有貌似結合我國實際的創新應用。如有的學校以單獨的學科形式呈現的stem教育，將每一個學科作為獨立的課程教授，學科之間只有一點或沒有融合，這顯然違背了stem教育的初衷。以stem學科結合類型和重點學科為分類維度，margaret honey等人的研究團隊將stem整合項目分為以下幾類：（1）教授stem學科中的每一門，同時更強調四門中的一門或兩門學科，如stem、stem；（2）將一門學科融入另外三門學科展開教學，例如工程學科能融入科學、技術和數學學科。就像是e-s、e-t、e-m；（3）四門學科相互融合。5探討 stem 整合教育的可借鑒性，本文認為結合類別工程教育：理解地位并改

6、進前景中所提出的“珠線”（beads-and-threads）模型更符合我國實際國情，以項目為珠，線繩代表課程中的核心概念和基本技能。數學、科學、技術三條線代表在工程設計中使用的學科領域。6二、stem與科技課程的結合之所以選擇科技課率先作為stem理念的實踐平臺原因有三：首先，科技教育在重慶一中開始于20世紀50年代，是具有悠久歷史的傳統教育活動，也是重慶市第一所開展科技教學的中學。課程內容包括三模一電、科技四小活動、機器人和計算機信息技術等活動，其中科技四小活動作為聯合國教科文組織研究項目“創新學習研究與實踐”的一級子課題，在科技教育方面積累了較為成熟的經驗，科學探究氛圍濃厚，學生基礎較好

7、，便于開展實踐研究。其次，stem課程強調真實情境、親自動手、做中學、合作分享等理念，這與重慶一中科技教育的培養模式類似。在長期的教學實踐中，為最大程度地挖掘學生的創作潛能，激發對科技活動的興趣，重慶一中技術教研組的教師們在課外科技活動策略一書中提出了三段式教學策略：創設情境，激發求知欲是培養學習興趣的前提；創造寬松的思考空間，讓學生在“做中學”是引發學生學習興趣的重要環節；科學評價，增加激勵措施，是激發學生學習興趣的催化劑。最后，stem教育形成發展于科學教育，stem教育是科學教育改革的新思路。stem名稱縮寫也是以科學開頭，這一縮寫暗示了stem教育中科學教育是最為重要和核心的部分。7回

8、看stem教育的發展歷程，有關stem教育的研究項目和報告大多由科學機構贊助，如nasa（美國國家航天宇航局）、nsf（美國國家科學基金）、nsb（美國國家科學委員會）等。stem教育的發展立足于科技教育，同時又在探索科技教學的改革路徑，借助哲學上系統、聯系的思維解析理工科，甚至文藝課教育之間的普遍聯系。在國外，stem教育已經過了原始積累階段，正逐步從本科教育向中小學教育推進，而在我國卻是從中小學開始，最有代表性的就是現在很多中小學如雨后春筍般創客空間的建立。初中作為k-12階段中承上啟下的關鍵，結合我校科技課的濃厚氛圍，本研究將以初中科技課作為實踐stem教育理念的主要場地。 三、stem

9、教育視野下科學課程的設計1.明確初中科技培養目標在stem教育實踐中常見的教學手段有基于工程設計、基于問題解決、基于項目探究等，在我們的科技課上，經常選用的是基于工程設計的方式。在我校初中的信息技術、科技，高中的信息技術、通用技術統稱技術課程，考慮到技術課程設置的連貫性與流暢性等問題，我們將初高中的培養目標進行了區分。2.操作方式初中科技課以模仿實例作品、驗證科學原理為主，而基于工程設計正是一條有效的途徑。具體如何操作呢？我們參考了貝比（bybee，r）的5-e教學模式。85-e教學模式將學習分為5個階段：參與（engagement）、探究（exploration）、解釋（explanatio

10、n）、詳細說明（elaboration）、評價（evaluation），強調以學生為中心，通過實驗的方式解決問題，以小組合作學習促進學生對科學概念的理解和知識的建構。3.5-e教學模式參與（engagement）階段：該階段的活動目的在于吸引學生的注意力，激發思考的火花，使他們能夠親身參與到課堂中，幫助學生獲取記憶中的已有知識，將現有知識和已有知識發生聯系。常見方式有教師提問、學生頭腦風暴等。探究（exploration）階段：該階段給學生留有足夠的思考、設計、調查的時間，教師提供材料并進行引導。學生可團隊協作進行實驗，通過探索建立起科學、技術、工程、數學及其他學科之間的聯系，即stem所提倡

11、的做中學的過程。解釋（explanation）階段：該階段學生將對他們的探索和探究進行分析和解釋，溝通理解，分析可能性方案。他們澄清自己的理解發現，以多種方式進行交流。詳細說明（elaboration）階段：該階段學生將鞏固并擴展剛剛獲取的科學概念，通過修改方案或實驗進行進一步的探究。評價（evaluation）階段：評價是學習環中的重要環節，但不是一個特定的階段，它貫穿整個教學過程。在“5-e”模式中，評價是由教師、學生共同完成。它不但要求對學習結果進行評價，而且要求對學習過程進行評價。在這五個階段中，學生和教師都有明確的分工，教師作為引導者，指引學生針對具體內容提出有待探索的問題，進而開展

12、研究，學生通過研究經驗和總結對問題做出拓展性的理解。由于篇幅所限，這里不再做一一列舉，將下面結合具體課例進行說明。四、“偽全息3d投影的制作”教學案例基于工程設計的stem課程教學具體如何整合呢？本文以“偽全息3d投影的制作”為例，該課是一節基于stem教育理念下的初中科技課例，立足于我校初中科技課的培養目標模仿實例、驗證科學原理。教師引導學生對3d、全息等高熱概念展開討論，結合具體實例，帶領學生一起探索利用生活中的簡單材料制作偽全息3d投影。本課以模仿探究為主，故使用了基于工程設計的教學手段，以參與、探究、解釋、詳細說明和評價（5-e）的教學模式展開教學。1.參與階段（engagement）

13、活動重點：教師引導學生回顧生活中見過的3d全息投影案例。主要教學活動：教師問同學們生活中見過哪些3d投影的例子？學生回答：3d電影、3d噴泉、3d電視等。教師進一步舉例，如鋼鐵俠電影中賈維斯模擬出的各種場景，2015年春晚李宇春表演的蜀繡等。隨后引導學生分析這些3d投影技術有何區別，是否佩戴設備（如3d眼鏡），是否有色像差等。這里設置了如下活動：活動1：左右眼，大不同。分析人眼看立體造型的原理當單獨用左眼或右眼看同一個物體時，得到的影像是有差別的，經大腦合成后形成立體感。活動2：解析3d電影成像之謎。即利用偏振光等原理，通過3d眼鏡的過濾將不同的影像，分別送進人的左眼和右眼，這樣就有了立體感。

14、在學生已經對3d投影技術有粗略了解的基礎之上，引導學生制作今天的主題偽全息3d投影裝置。2.探究階段（exploration）活動重點：教師展示偽全息3d投影裝置，并提示制作要點，學生小組協作制作裝置，展示作品。主要教學活動：教師展示偽全息3d投影裝置，提示制作正四棱錐的要點：以播放設備的寬度作為棱錐底邊長度，利用公式：棱長0.866×底長，計算得出棱錐的棱長。以這兩個參數為基準在紙上繪制圖形，剪下后以此為模板在透明塑料卡上剪下同樣的圖形。隨后，將以此作為模板剪下來的透明塑料卡用透明膠帶粘貼在黑色的紙板上，做上簡易的支架。學生在教師的指導下，以小組為單位完成制作，學生也可另選底長和棱

15、長進行制作，播放視頻檢驗作品能否達到3d效果，最后學生展示自己的作品。3.解釋階段（explanation）活動重點：通過演示作品是否達到3d效果，引導學生討論、探索棱長和底長的關系。主要教學活動：以小組為單位，演示自己的裝置，有的作品能夠看到明顯的3d效果，有的卻不能。教師詢問并引導學生觀察各個裝置的不同之處，從選材的透明度、四棱錐結構及觀看者的角度等進行分析，特別針對那些不成功的裝置，尋找原因。學生通過討論交流發現當四棱錐棱長0.866×底長，且塑料板的透明度高時效果最好，當然也要配合適當的觀看角度。為什么呢？教師解釋偽全息3d投影的原理：a.觀察播放的視頻是特制的視頻，一個人物

16、運動的前后左右四個面，光線分別投向了四棱錐的四個側面（視頻技術）。b.四個面的光線被棱錐的四個側面同時反射，像潛望鏡一樣，光線被反射到水平方向進入人眼（反射原理）。c.由于反射光線的棱錐側面是透明的，所以能同時看到后面的東西，于是就有了立體投影的效果（成像原理）。那為什么棱長和底長的比例不同會效果不一呢？ 教師解釋：d.由于視頻光線是從上垂直射向棱錐的側面，而我們的習慣是平視觀看效果，根據反射原理可得棱錐側面與底面的夾角應為45度，此時反射光線會水平射入正面的人眼中，從而看到一個方向上的影像。如四棱錐側面與底面夾角不是45度時，反射光線就不會平行射入人眼。當四個面的反射光線匯聚后，就形成了3d

17、效果，但因為這個是由反射原理形成的影像，而非真正的全息3d投影技術，所以叫做偽全息3d投影。4.詳細說明階段（elaboration）活動重點：學生小組討論，獨立計算已知當四棱錐斜面與底面夾角為45度時效果最好，那以此為條件，如何確定底邊與棱長的關系呢？主要教學活動：由于本課對象為初一年級學生，在數學中已學過勾股定理，但從未接觸過立體幾何，可通過將立體問題平面化的方式完成計算，考慮到難度問題，本任務作為拓展內容。教師在學生討論、計算一段時間后進行解釋說明。教師解釋：e.線po為四棱錐的高，oaab，由于底面是正方形，得出a為底邊中點，三角形oab為等腰直角三角形，所以oa=ab。由于該棱錐側面

18、與底面夾角為45度（即1=450），op=oa=ab，所以pa=ab（勾股定理），而paab，利用勾股定理可求出棱長pb=ab，底邊為2ab，所以得出之前的公式：棱長0.866×底長。隨后，教師進一步提問，引導學生思考：1.如何提高投影效果的清晰程度呢？2.用平面鏡代替透明塑料卡可以嗎？亞克力板、相片過塑板哪些材質會更好？（技術材質選擇）3.播放的視頻如何獲取？從網絡下載或使用攝像設備拍攝并制作。分別使用攝像機從動態物體4個面拍攝4段視頻、導入電腦，使用相關視頻編輯軟件，如電影模仿、繪聲繪影等，將4段視頻合成加工為一段具有4個面的特殊視頻（信息技術視頻制作）。4.如何讓播放設備更穩定

19、地放在四棱錐頂端？可在四棱錐四周設計四個支架（工程結構搭建）。總結本項目所用的知識，包括s科學：3d投影技術、反射折射、成像原理、偏振光原理、視頻處理技術；t技術：材料與制作、構件加工；e工程：設計、結構與穩定；m數學：勾股定理、立體幾何正四棱錐。5.評價階段（evaluation）在本案例中的評價方式多樣且貫穿于整個學習過程，不僅關注學生作品效果，也注重在學習過程中的各項表現。為此，我們設計了詳盡的評價標準，在課前就讓學生熟悉并明確，也起到了在活動中不斷引導學生完成任務的目標，教師可參照表1-3進行評價，學生也可進行自評。五、總結本課例中以偽全息3d投影的制作為載體，以stem課程理念為指引

20、，應用5-e教學模式（參與、探究、解釋、詳細說明和評價）展開教學。參與階段：學生被吸引到一個有趣的挑戰中，參與活動親身感受3d成像之謎。探究階段：學生開始根據教師的提示模仿完成作品，在制作過程中他們遇到問題、解決問題的過程都是探索科學和工程學原理的過程。解釋階段：學生展示作品，從光線反射、四棱錐公式計算等方面解釋成像原因，從選材、結構等方面描述他們認為可能形成影像效果的原因，隨后教師補充釋疑，這也是學生向同學和老師學習的過程。詳細說明階段：學生在老師給定先決條件下，演算出該裝置的一個重要關系：棱長0.866×底長，并思考、討論可從哪些方面進一步改進。評價活動貫穿在整個探究活動中，有利

21、于學生隨時調整自己解決問題的方法及對知識的解釋，教師和學生共同開發評估標準，可以增強學生的參與意識并促進學生積極進行自我評價，形成良好的自我效能感。整個案例融合了物理、數學、工程、技術、信息等多學科知識，使學生了解了科學乃至工程、技術和數學領域的知識概念，增進了學生對科學探究與工程設計的參與度，形成基本的科學探究和設計的意識以及主動性，同時也發展了其解決問題進行科學探究的技能，提高了對涉及領域內容的興趣點和關注度。我國基礎教育正經歷著從分科到綜合的改革階段，培養學生對事物的整體認知能力越來越受到社會的關注，而改革最重要的莫過于如何進行課程的有效整合。stem教育是一種新興的跨學科整合教育，通過整合各學科內容來培養學生的綜合素養和能力。本文基于對stem教育基本問題的研究，展開了stem教育視野下科學課程的建構構想。在平時的教學過程中，其實很多老師已經開始嘗試將stem教育理念滲透在自己的教育教學過程中，本文以本校教學實踐為基礎，向大家展示了我們在科技教育方面