STEAM视角下初中科学实验教学设计与实践
张畅 程志奇 张璟瑜 吴承瑶
摘? ?要：以学科融合为基础的steam教育越來越多地应用于初中科学教学中。文章在STEAM视角下，尝试探索初中科学实验教学的具体操作及实施方法，以“力的测量”为例，通过设计弹簧测力计这一核心任务，开展教学过程及评价，并在实践中予以反思。
关键词：STEAM;实验教学;力的测量
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）7-0028-4
1? ? STEAM应用于初中科学实验教学的理论基础
STEAM即Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Art（艺术）、Mathematics（数学）的缩写[1]。STEAM教育旨在通过5门学科有目的、有逻辑地整合，以培养学生解决实际问题的能力。
通过初中科学课程培养学生的学科核心素养需要给学生提供发现事物、解决问题、开展实验的机会，从而培养学生的科学观念、科学思维、科学探究与科学能力四个维度的关键能力，凸显科学学科的本质与特色。
当前科学实验教学过程中，由于教师往往凭借已有的经验开展教学，大部分学生习惯于接受科学知识，缺乏质疑、创新的精神[2]。STEAM视角下的科学实验教学是符合学生认知发展规律，培养学生核心素养的有效途径[3]。从课程目标的角度看，STEAM教育更加突出情境整合，将工程任务作为科学教学的动力，加强学生对跨学科知识的理解与融合，更能发掘学生学习的主动性、创造性;从学生认知特点看，初中生已具备开展STEAM教育所需的归纳、演绎、分析、综合能力。因而，STEAM视角下的科学教学能以问题解决或工程项目实施为目标，学生综合多领域知识得出结论，促使他们积极地收集、处理、分析信息，实现培养学生思维的开放性、动态性。
2? ? STEAM视角下“力的测量”实验教学设计与实践
2.1? ? 学习任务分析
本课时的内容为浙教版初中科学七年级下册第3章《运动和力》第2节第2课时“力的测量”。测量观是科学实验教学的核心内容，学生在上学期已学习过关于长度、体积、时间、质量等物理量的测量，并掌握了相应测量工具的使用方法，这些是学生学习的认知基础。本节课则是在学习有关力的作用效果、力的相互性等知识后，进一步学习力的测量工具，为后面力的三要素、重力、摩擦力等知识奠定方法基础。教材中“力的测量”这一课时主要以学生了解力的大小、体验弹力、会观察和使用弹簧测力计为主，重在能够应用弹簧测力计测量力的大小。
在STEAM视角下，本节实验课以中心任务——“自制弹簧测力计”为驱动，让学生在解决问题、评价交流中经历探究活动，修改并完善自己制作的测力计，培养学生的动手能力及项目学习的高阶思维。
结合STEAM教育特点，笔者以“力的测量”为例，设计了教学流程图（图1）。
2.2? ? 教学目标
（1）科学观念与应用
了解弹力，知道弹簧测力计测力的原理。[科学（S）]
（2）科学思维与创新
体验科学探究活动中的分析、比较、归纳、综合等思维活动。[数学（M）]
能自制弹簧测力计并能写使用说明书。[工程（E）、艺术（A）]
（3）科学探究与交流
能相互交流和评价自制弹簧测力计，并提出改进方案。[技术（T）]
（4）科学态度与责任
树立实事求是、勇于创新的科学精神。[科学（S）]
2.3? ? 教学过程
本节课以制作弹簧测力计为核心任务，通过弹簧测力计原理探究、弹簧测力计定标比较、为弹簧测力计写说明书三个子任务，培养学生在学科融合下的项目解决能力。
（1）任务一：活动激趣，聚焦弹簧测力计原理
①身临其境，切实体验力之大小
请两位学生来台前拉动弹簧测力计，比较力的大小。教师请台下学生观察并提问：a.依据什么判断拉力的大小？b.借助力的哪个作用效果？c.什么是形变？
设计意图：学生参与竞赛活动，学习积极性较高。通过实例让学生体验力有大小，力的大小可以借助弹簧产生的形变来判断，而这种形变就是弹簧的伸长，为探究弹簧测力计原理奠定认知基础。
②联系旧知，定性判别弹力大小
教师提问：力有大有小，你知道力的单位吗？ 1 N的力有多大？
设计意图：了解力的单位，通过阅读指导法了解牛顿的生平和贡献。通过举例说明，对力的大小有初步的认知基础。
教师追问：我们是如何测量力的大小呢？
学生：用弹簧测力计。
[活动一：手与弹簧]（图2）
互动交流：a.手向下拉弹簧，手有什么感觉？b.弹簧拉得更长，手的感觉？c.撤去拉力，弹簧长度的变化？d.由此，你会提出什么问题？
设计意图：学生手拉弹簧，再次体验弹簧的大小，定性感知在弹性限度内，弹簧伸长越长，手施加拉力越大，弹簧弹力越大。学生通过此环节，能够知道弹力与弹性，并且通过举例，知道弹力在生活中是一种普遍存在的力。
③激活新知，定量分析弹簧伸长与拉力的关系
学生利用钩码等工具，自主探究弹簧伸长长度与受到的拉力大小的关系。通过表格记录、描点画图、计算机绘图三种方式进行描绘与记录（表1，图3、4）。
设计意图：STEAM教育指出，要在小组合作中解决问题。上述活动中，学生完成实验时，采用表格记录数据，对数字（M）的分析、归纳可以利用坐标轴描点连线，学有所长的学生可以充分利用计算机技术（T）得出弹簧伸长长度与拉力的大小关系图，有效提高了学生的认知水平。从多角度处理问题，更能激发学生的交流能力与创造性。
通过上述小组合作活动，学生得出结论：在弹性限度内，弹簧伸长的长度与所受的拉力成正比。
（2）任务二：应用新知，标定弹簧测力计刻度
学生通过小组探究活动，明确弹簧测力计的原理。由此教师请学生：
①在面板上标上刻度，并且注明最小刻度及量程;
②测量身边物体拉力的大小，并与现有测力计的数据进行比较。
[学生作品]（图5）：
设计意图：引导学生像工程师一样（E），根据弹簧测力计的原理，标定自制弹簧测力计的刻度（T），培养学生的动手操作能力、小组合作能力。根据上述环节得出的结论，学生可以在量程范围内为弹簧测力计均匀标上刻度，节省了反复利用钩码这一标准物操作的时间。
定标结束后，为检验自制弹簧测力计的精确情况，将现有测力计和自制测力计测量弹簧所受物体拉力的大小进行比较，培养学生实验的严谨性;能从工程师（T）的角度反思、修正前面定标出现的问题;能从艺术（A）的角度，提高作品的质量;实践的过程中，提高自身对测量观的认知水平。
（3）任务三：乐学善思，撰写自制弹簧测力计的说明书（图6）。
设计意图：学生在制作弹簧测力计的过程中，最终能以工程师（E）的角度思考如何正确使用弹簧测力计，如何给使用者提供高效、有趣的阅读指导（A）。既能够迁移所学知识，又能够将科学知识与实际应用结合，注重科学中统一概念和原理，从而培养他们的创新精神与思维，提高学生的核心素养。
（4）迁移所学，延伸测量力之应用
问题1：用1 N的拉力可以提起哪些物体？
问题2：你知道为什么可以从拉力器的形变来判断两位同学的拉力大小吗？
问题3：在不换用弹簧的前提下，你还可以利用什么方法增大自制弹簧测力计的量程？
设计意图：3个问题层层递进，学生在掌握弹簧测力计测力的原理之后，标定自制弹簧测力计并能规范使用测力计时，换用不同的物品进一步感知1 N力的大小，利用所学知识规范描述课堂初始比较力的大小的问题，并由拉力器多根弹簧的启发，改进自制弹簧测力计。真正体现科学服务生活、生活处处有科学的思想，促进学生真实有效地学习。
2.4? ? 结果评价表
为了解学生的学习过程，体现STEAM学习的合作理念和诊断性功能，设计评价量规（如表2）。
3? ? STEAM视角下初中科学实验教学的反思与展望
3.1? ? 以STEAM为导向指导实验教学
实践表明，STEAM理念下的科学课堂，更容易激发学生的学习热情。小组合作实验过程中，更容易激发思维的火花，不同水平、不同特长的学生都能发挥重要作用，激发学生的探索心和求知欲。然而，并非所有科学课型都适合此种教学方法，因而开发更多的能切身操作的课型显得尤为关键。
3.2? ? 以解决任务为指标指向学生学习
教师有效创设情境，学生明确任务后，会带着问题联系旧知，激活新知。在教师引导下，学生明确弹簧测力计的原理，学会制作弹簧测力计并对其定标，利用自制弹簧测力计测量身边物体对弹簧的拉力大小，符合学生的认知水平，利于提高學生的科学素养。在今后的教学中，应以“情境—问题—知识—应用”为主线，让学生乐学善思。
3.3? ? 以有效评价为标准转变教学方式
为了帮助学生有效学习，提高学生相互合作、交流的能力，在设计评价量规表时，对所完成任务进行分解，以期诊断学生在学习过程中的疑难点。然而，在实际操作过程中，学生往往主要关注如何完成项目任务，无暇顾及评价，只能在课后交流反思中填补。但是，评价的过程即为表达的过程，可以培养学生分析、评价、创造等高阶思维能力。因而，在课堂开展合理、有效的评价也是今后在转变教学方式中应该加以完善的环节。
参考文献：
[1]范文翔，张一春. STEAM教育：发展、内涵与可能路径[J].现代教育技术， 2018（3）：99-105.
[2]陈锋，王健. 基于五星教学原理的初中科学的问题解决教学——以浙教版教科书“压强”概念为例[J]. 物理教学探讨， 2016， 34（7）：8-11.
[3]王玥月，陆建隆. 凸显STEM教育的初中物理教学设计初探——以“浮力”教学为例[J]. 物理教师， 2017，38（2）：41-43.
（栏目编辑? ? 邓? ?磊）
收稿日期：2020-01-03
作者简介：张畅（1990-），女，中学二级教师，主要从事初中科学教学工作;程志奇（1969-），男，中学高级教师，主要从事初中科学教学工作;张璟瑜（1981-），女，中学高级教师，主要从事初中科学教学工作，曾获杭州市“教坛新秀”称号;吴承瑶（1980-），女，中学高级教师，主要从事初中科学教学工作。
