1、*從我的LED探STEM理念-科學論文從我的LED探STEM理念袁洋STEM教育綜合了科學、技術、工程與數學等學科，具有跨學科、跨領域的特點，以及學習情境的生活性和真實性的特征。將STEM教育引入中小學科學課堂的有效策略就是融合：基于一個真實的項目主題，將科學、技術、工程與數學形成一種相互支撐、相互補充、共同發展的關系，在不同學科和領域的碰撞、交互中，幫助學生實現深層次、理解性的學習，從而培養兒童各個方面的技能和知識。那么，圍繞什么樣的項目主題，以及衍生出什么樣的教學設計才能體現STEM教育理念呢？在中國科協“做中學”科學教育改革實驗項目教學中心（東南大學）和玄武區科學教研組的指導下，在蘇教版

2、科學五年級上冊第三單元簡單電路的基礎上，我進行了STEM課程的改編，形成了LED項目，現就項目中的一節試水課我的LED，來探討STEM理念。一、教學設計本課以發光二極管（LED）為主題，從科學、數學、工程和技術的角度對LED的電路特性進行研究和應用。從課程內容的角度來說，LED的電路特性與小燈泡差異較大，需要分解出合適的教學活動作為腳手架，支撐整體項目研究；從學生學習的角度來看，學生雖然沒有接觸過LED這種電子元件，但是對其在電路中的特性和應用的掌握，可以參照已經完成了的簡單電路中的學習。于是，圍繞本課主題，我制定了4個領域具體且有針對性的教學目標和教學流程圖（圖1）:圖I比學流花圖S（科學）

3、：知道LED的特性（單向導電性）；認識電路中LED與小燈泡在電路中的區別；鞏固對閉合回路的認識。T（技術）：能用簡單的方法連接多個LED的并聯電路，完成作品，在制作過程中考慮元件之間連接的技術問題。E（工程）：能夠設計并聯電路，完成讓LED電路板亮起來的項目作品。M（數學）：能夠計算電路所需耗材。二、教學過程1 .導入：生活情境代入，聚焦研究對象開設公開課時，正值圣誕節臨近。我選取了一些LED燈裝飾的圣誕樹圖片，還原節日氣氛，將學生引入生活情境，聚焦本課的研究對象-LED。對新的對象如何去研究？我調用學生在簡單電路單元學習時獲得的已有經驗和方法。”最近我們這個單元學了什么？”“在簡單電路中，你

4、做過什么有成就感的研究？你是怎么做的？”這些引導性問題，一方面可以幫助學生明確學習的起點，增添信心和興趣；另一方面，為學生在后續任務中，對LED和小燈泡間的差異而產生的認知沖突做鋪墊，激發學生思維，解決新問題。在實踐前，學生已經通過簡單電路的學習，獲得電路的基本知識和技能。學生表示，不僅能讓1個小燈泡亮起來，還能設計電路讓2個甚至3個小燈泡同時亮起來。因此，學生對LED的研究表現出很強的興趣和信心。2 .任務一：點亮一個LED我給各組發放了1只LED讓學生充分觀察，聚焦LED的結構。與之前學習的小燈泡做類比，學生很容易發現LED上面的部分和燈泡很類似，下面卻有兩個金屬絲，一長一短。“猜一猜，這

5、兩根金屬絲是做什么用的呢？”不少學生能夠預測LED的金屬絲是引腳，用來接人電路。教學過程自然過渡到第一個小任務。“如果這兩根金屬絲是用來連接電路的，老師給各個小組發1個紐扣電池，你試試能不能讓這個LED亮起來？”學生在動手實踐中發現LED在電路中的單向性特點。因為選擇的隨機性，學生動手實踐時，全班出現了兩種結果。當LED的長腳接觸電池正極，短腳接觸電池負極時，LED會亮，反之,LED不亮（圖2）。LED與以前學習的小燈泡的電路特性完全不同，使學生的學習過程始終處在“產生沖突、解決沖突”的過程中。新問題的不斷產生，刺激學生持續思考。借助微視頻的動畫演示，學生能夠進一步明確LED電路符號的意義，以

6、及在電路回路中的單向性意義。用2 上社扣也.匕的對科二3 .任務二：點亮兩個LED“老師再給你1個LED,還是剛才的那1節電池，你能讓它們在電路中一起亮起來嗎？”根據簡單電路的已有知識，學生很快討論出兩種電路連接方式：串聯和并聯。根據學生的討論順序，我展示已畫好的兩種電路圖，讓學生確認是串聯還是并聯。在學生明確兩種電路連接方式后，我發放了導線和LED,由各小組自由選擇串聯或者并聯的方式連接完整的回路，嘗試完成任務。學生在動手做時，我發現利用導線連接一個閉合回路對學生的技術提出了考驗。一些小組無意間把連接LED正負極的導線觸碰到，導致對應的LED燈短路,出現了僅有1個LED燈亮的情況，或者兩個燈

7、都不亮的情況。這個技術問題，我在全班交流時進行了討論和強調經過調整，原先選擇串聯的小組，由于因為部分短路出現的僅有1個LED燈亮的情況變成了沒有1個LED亮；原先選擇并聯的小組，由于短路出現的沒有LED燈亮的情況變成了2個LED亮。這樣，全班發現，在用1個紐扣電池作為電源的情況下，正確連接電路的各個元器件，只有并聯的方式才能成功點亮2個LED（圖3）。圖3串聯和并疆方式點亮兩個LED的電珞4 .成品制作：創作LED燈牌，解決實際問題“如果還是1個電池，再增加LED的數量，你會用什么辦法讓它們一起亮起來？”根據任務二的結論，學生都選擇并聯的方式。我提出“工程師們用很多LED裝飾了圣誕樹，你想不想

8、試試用多個LED也做出一個作品來？”這個問題又回歸到本節課導入環節的真實情境中。“小組討論一下，你準備用什么樣的方式，把多個LED的正負極，以并聯的方式接入電路中呢？”學生提出了兩種方案：一是每個LED燈的正負極各連l根導線（導線數量需要計算），將每根導線分別連接對應電池的正負極；二是需要2根銅線，每根銅線分別連接所有I。ED的正極或者負極，再將這2根銅線分別連向電池的正負極。學生根據各個小組方案自由選擇，我提供了導線、銅線、6個LED燈以及背面有圖案的電路板給各個小組（圖4）。圖4提供的制作材料在完成作品過程中，有個別小組首先選擇了導線，連接了一部分后向我提出更換為銅線，也有小組把銅線換成了

9、導線。學生進行策略轉化的背后，證明他們在動手做的時候，已經意識到用銅線連接，優點在哪里，問題在哪里；用導線連接，優點在哪里，問題在哪里。最終，使用銅線的小組率先用6個LED燈將圖案的一部分點亮（圖5）闋5學生制作也露板5 .深化和延續：手工電路與工程電路板制作結束后，我從兩種布線方法中各選擇一組，進行全班展示和對比，不僅對比了作品的圖案設計，還引導學生重點觀察、比較電路板背面的布線情況，將兩種連接方法暴露在全班面前。“對比了這兩個作品的正面和背面，你們覺得哪種布線方式更好，好在哪里？”學生提出了用導線的方法使得電路板不那么雜亂、復雜，但使用了較多的材料，比較浪費，有絕緣層比較安全；用銅線的方法

10、使電路板簡潔方便，但是不太安全。于是，我將工程上的印刷電路板圖片展示給學生，介紹了電焊和印刷電路板的技術方法，引導學生思考如何在兩種手工繞線的基礎上，趨利避害，形成更好的解決方案。從學生手工繞線的電路板到印刷電路板，就是一個工程設計的問題。學生經歷了設計和制作電路的過程，才能理解工程電路板是基于電路設計的需求，以簡潔、節省和安全的方式實現需求。三、項目整體與提升這節課，學生能夠成功完成一個又一個梯度上升的環節和任務，直到最后完成LED電路板的設計制作。究其根本，離不開學生在電路學習中獲得的知識、技能。學生學習本課的前概念來自于在簡單電路單元已經習得的電路的基礎知識和電路連接的基本技術。學生把在

11、簡單電路學習中，由個別元器件到完整回路的過程，遷移到了對LED這個電子元件的研究中。因此，我的LED-課僅僅只是STEM項目中的一部分，加上前期的知識構架、技能準備以及后期的項目延伸和拓展，才共同構成一個完整的STEM課程序列。LED項目的整體課程構架可以進行如下設計：譚時生題要內靠IL第1雄解篇單電務也觸構.小燈味第2碌時點亮兩個小燈充電*發電電.升概電躡累3譚.時我的LEDLED*猴性第4耳H的毒LED作品|1多個LED電珞在這樣的課程架構下，從STEM角度，學生在這個完整的項目中究竟獲得了怎樣的提升？1 .S（科學）LED項目中，學生除了能掌握簡單電路的基本知識外，更為重要的是，能認識到

12、LED與小昆珠的電路特性不同，電路設計方案也不相同。在對比中，學生能理解電子元件的特性決定電路設計。用小電珠和LED來進行電路課程的系統學習，能夠幫助學生更好地理解電學。2 .T（技術）將正確的電路設計轉化為真實的電路，這就是技術問題。一方面，LED的單向導電性對學生的電路連接技術提出了考驗，學生在理解電路的基礎上，還需要準確將電子元件連接起來，真實地還原電路；另一方面，學生在連接電路時，還需要解決諸如短路、接觸不良等技術故障。這些都對學生的技術訓練提供了鍛煉平臺。3 .E（工程）在這個項目中，學生的終極任務是：根據電路板設計圖案布置線路走向，并完成LED燈牌產品。這是一個完整的工程設計和制作

13、的過程。學生經歷這個過程，才能把自己的手工產品和工程上應用的印刷電路板建立聯系，才能理解工程學中，從明確問題到制定方案、產品測試和優化改進的系統性步驟。4 .M（數學）從1個LED至IJ2個LED再到6個LED,甚至更多，數學作為輔助工具，讓學生意識到，若選用導線的方法來連接電路，LED數量的增多帶來導線數量的倍增，這對學生站在工程學的角度來考慮耗材和成本提供了數據支持。四、總結STEM課程的特征是基于真實情境，解決實際的問題，最終通過具象化的產品或者設計呈現學生在這個過程中的提升。盡管在教學實踐中，我完成了預設的教學目標，但通過對學生在課堂中的表現和操作中的觀察，我發現學生在實踐STEM項目時依然存在困難。1 .動手能力不足，廠品完成度不圖。在完成最后的創意LED作品的環節，選擇同一種繞線方法的小組最后的作品完成度參差不齊，這說明小學科學課程中對學生工程技術素養關注不夠。因此，我們需要開發并開展更多的STEM課程,給學生提供更多的鍛煉機會和平臺，引導他們解決實際問題。2 .解決復雜問題的能力不足。例如，有些小組在完成最后的作品時，雖然線路連接正確