STEM教育理論下的項目化學習研究

李白靈 郝星宇 楊曉梅

摘? ?要：STEM教育理論下的項目化學習有利于通過任務驅動和問題解決的方式培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維。文章以“風力發(fā)電”項目為例，結合物理學科的特點，從教學準備、探究學習過程、教學評價三個方面設計了教學實施流程，并探討通過該項目的實施培養(yǎng)學生思維創(chuàng)新能力的可行性，以期為中學項目化學習的開展提供參考。

關鍵詞：STEM;項目化學習;風力發(fā)電;教學流程

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）11-0076-4

STEM教育是一種通過整合科學（S）、技術（T）、工程（E）和數學（M）領域內容和方法進行項目化學習的教育方式[1]。這種整合既不是對教科書知識的簡單疊加，也不是各學科知識之間的無意義交融，而是在項目工程實施過程中為有效達成任務、解決問題，學生自主地調動全學科知識而形成的整合。本文以“風力發(fā)電”項目化學習設計為例，從教學準備、探究學習過程、教學評價三個方面，探討通過該項目的實施培養(yǎng)學生思維創(chuàng)新能力的可行性，提出可供中學項目化學習參考的探究實施流程。

1? ? STEM教育理論下的項目化學習

STEM教育理論中基于項目的學習為學生提供真實的情境和特定的教學目標，讓學生制定計劃，綜合運用所學的多學科知識和技能，有效利用各種資源，解決一系列相互關聯的現實問題，最終以產品或研究報告的形式結束?；陧椖康膶W習強調在活動過程和活動結束之后產生人工制品[2]，產生人工制品是現階段開展STEM學習最主要的成果，也是我們設計項目化學習流程的出發(fā)點和目標。

結合物理學科的特點，我們從教學準備、教學實施、教學反饋三個階段提出了如圖1所示的項目化學習流程圖。

2? ? 風力發(fā)電機項目的探究學習過程

2.1? ? 確定項目目標

風力發(fā)電項目是基于現實生活的復雜工程型問題，融合了多學科知識。其中，風力發(fā)電機涉及了物理學中力學和電磁學等多個方面的基礎知識，有利于學生深化物理知識的學習與應用。從產品制作的角度來看，其可實現性高，且與社會和生活關系密切。

“制造風力發(fā)電機使二極管發(fā)光”的教學目標可描述為：“學生通過參觀考察、文獻查閱等方式了解風力發(fā)電機的發(fā)展歷史與前景;通過科學探究，學習風力發(fā)電機涉及的基本原理;通過設計電機的結構、制作小型風力發(fā)電機，體會工程設計與制作的過程;能夠運用數學思維解決真實情境中的計算問題?！痹敿毞纸庖姳?。 [1]

2.2? ? 制定跨學科知識和方法細目表

具體內容見表2。

2.3? ? 制定學習活動細目表

具體內容見表3。

2.4? ? 探究環(huán)節(jié)

2.4.1? ? 提出并界定問題

我們能否在家庭或實驗室里設計出小型風力發(fā)電機呢？教師引導學生思考：風力發(fā)電的原理是什么？制作風力發(fā)電機需要什么樣的材料和工具？風力發(fā)電機所產生的電能如何處理？

2.4.2? ? 工程分解，明確工作機制

學生通過查閱資料、實地調查了解風力發(fā)電機的結構組成和工作原理，在此基礎上進行 “頭腦風暴”發(fā)散思維，歸納出有關風力發(fā)電工作機制的諸多問題，教師可引導學生將有關問題梳理為如圖2所示的問題框架。

2.4.3? ? 搭建學習支架，建立物理模型

在圍繞產品設計進行“頭腦風暴”后，復雜的原始問題將被分解成若干個基礎問題。教師則需要引導學生圍繞這些問題采用文獻調查、科學探究等方式解決問題，并建立物理、數學模型。

通過學習學生將建立以下物理模型：

①受力分析——傳統(tǒng)風車發(fā)電中風葉的旋轉原理：選取風葉的中心點作為研究對象，如圖3所示，風葉所受到的力可分解為徑向和切向兩個方向的力，其中徑向力不做功，切向力推動風車旋轉。

②流體流速模型——現代風力發(fā)電機的風葉旋轉原理如圖4所示[3]。圖示為扇葉的橫切圖，v表示風速和方向，葉片上方的流速大壓強小，下方的流速小壓強大，從而產生一個向上的升力Fy，同時風對葉片會產生水平推力Fx，兩個力的合力為F，方向如圖4所示。在該力的作用下，風葉開始旋轉。

③法拉第電磁感應定律，如圖5所示，閉合電路中感應電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比，即E=n （其中，n表示線圈的匝數，Δφ表示Δt時間內的磁通量變化，E表示Δt時間內的平均感應電動勢）[4] 。

④閉合線圈置于勻強磁場，繞垂直于磁場方向的軸進行轉動，線圈中將產生正弦規(guī)律變化的交流電，電壓方向隨時間做周期性變化，如圖6所示。

2.4.4? ? 工程設計，技術制作

學生在掌握產品的基本原理后，根據需要確定風葉的形狀，設計發(fā)電機結構，并根據需要實現的功能繪制圖樣、注明各元件的材料與參數，選擇工具。該圖紙需要滿足功能性、美觀性、實惠性、操作性等多項可行性條件，獲得最優(yōu)方案。在繪圖時可選用電腦繪制，也可手繪，但要求清晰、直觀，因為該圖樣是下一步進行技術制作的指導性材料。學生以小組為單位繪制圖樣，教師組織各小組展示自己的設計圖紙并提出指導。圖7、8示例參考圖紙。

2.4.5? ? 項目成品展示，交流反思總結

產品制作完成后，學生以小組匯報的形式展示其運作效果，并制作PPT從以下幾個方面進行展示：產品結構原理、小組分工情況、制作過程中的收獲和面對的問題、真正使用風力發(fā)電還面臨哪些困難、風力發(fā)電的應用前景、節(jié)約能源的必要性（如圖9）。

在學生學習結束后，教師應對學生的學習情況進行評價，基于STEM 理論的項目式學習以對學生的形成性評價為主，重視學生在產品制作過程中的整體表現。評價將由學生的自我評價和教師的客觀評價綜合組成，結合教學目標，從情感體驗、能力培養(yǎng)、科學知識等多方面展開。近年來，我國有多名學者融合國外STEM評價體系從課堂環(huán)境、課程結構、教學內容、學生表現等方面編制了行之有效的評價體系，因此我們引入該評價體系對教學效果進行評價[5]。

3? ? 結? 論

STEM理念下項目化學習的最終學習成果是產生人工制品，圍繞這個特點，我們從物理探究學習的角度設計了教學開展的流程。通過制定項目目標、解決方法和學習活動的細目表，有效地將跨學科學習依據問題解決的模塊設置成教學活動。并通過風力發(fā)電的項目探討了問題提出、工程分解、模型建立和技術制作等幾個環(huán)節(jié)的具體操作方法，強調了學生在學習過程中的主體地位，有利于培養(yǎng)學生的思維能力。

物理知識與項目化學習的有效結合，不僅能促進學生對基礎知識的理解，還有助于學生通過實踐探索的方式掌握物理建模的思想。同時，工程制作對提升學生的動手操作能力和統(tǒng)籌規(guī)劃能力有重要作用。有關項目化學習在物理學科的應用我們需要研究的還有很多，只有多種資源的充分調動和整合才能推動STEM教育的長遠發(fā)展。

參考文獻：

[1]李克東，李穎.STEM教育跨學科學習活動5EX設計模型[J].電化教育研究，2019，40（4）：5-13.

[2]楊彥軍，饒菲菲.跨學科整合型STEM課程開發(fā)案例研究及啟示——以美國火星教育項目STEM課程為例[J].電化教育研究，2019，40（2）：113-122.

[3]吳斌，劉耀昌，田冰濤，等.自制風力發(fā)電機及其特性研究[J].物理通報，2012（10）：23-24，28.

[4]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-2 [M].北京：人民教育出版社，2010：15.

[5]李艷燕，董笑男，李新，等.STEM教育質量評價指標體系構建[J].現代遠程教育研究，2020，32（2）：48-55，72.

（欄目編輯? ? 李富強）