從《我的LED》探STEM理念

1、.從我的LED探STEM理念-科學(xué)論文從我的LED探STEM理念 袁洋STEM教育綜合了科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)等學(xué)科，具有跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的特點(diǎn)，以及學(xué)習(xí)情境的生活性和真實(shí)性的特征。將STEM教育引入中小學(xué)科學(xué)課堂的有效策略就是融合：基于一個(gè)真實(shí)的項(xiàng)目主題，將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)形成一種相互支撐、相互補(bǔ)充、共同發(fā)展的關(guān)系，在不同學(xué)科和領(lǐng)域的碰撞、交互中，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)深層次、理解性的學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)兒童各個(gè)方面的技能和知識(shí)。那么，圍繞什么樣的項(xiàng)目主題，以及衍生出什么樣的教學(xué)設(shè)計(jì)才能體現(xiàn)STEM教育理念呢？在中國科協(xié)“做中學(xué)”科學(xué)教育改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)中心（東南大學(xué)）和玄武區(qū)科學(xué)教研組的指導(dǎo)下，在蘇教

2、版科學(xué)五年級(jí)上冊(cè)第三單元簡(jiǎn)單電路的基礎(chǔ)上，我進(jìn)行了STEM課程的改編，形成了LED項(xiàng)目，現(xiàn)就項(xiàng)目中的一節(jié)試水課我的LED，來探討STEM理念。一、教學(xué)設(shè)計(jì)本課以發(fā)光二極管( LED)為主題，從科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)的角度對(duì)LED的電路特性進(jìn)行研究和應(yīng)用。從課程內(nèi)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(xué)活動(dòng)作為腳手架，支撐整體項(xiàng)目研究；從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度來看，學(xué)生雖然沒有接觸過LED這種電子元件，但是對(duì)其在電路中的特性和應(yīng)用的掌握，可以參照已經(jīng)完成了的簡(jiǎn)單電路中的學(xué)習(xí)。于是，圍繞本課主題，我制定了4個(gè)領(lǐng)域具體且有針對(duì)性的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)流程圖（圖1）：S（科學(xué)）：知道LE

3、D的特性（單向?qū)щ娦裕?；認(rèn)識(shí)電路中LED與小燈泡在電路中的區(qū)別；鞏固對(duì)閉合回路的認(rèn)識(shí)。T（技術(shù)）：能用簡(jiǎn)單的方法連接多個(gè)LED的并聯(lián)電路，完成作品，在制作過程中考慮元件之間連接的技術(shù)問題。E（工程）：能夠設(shè)計(jì)并聯(lián)電路，完成讓LED電路板亮起來的項(xiàng)目作品。M（數(shù)學(xué)）：能夠計(jì)算電路所需耗材。二、教學(xué)過程1導(dǎo)入：生活情境代入，聚焦研究對(duì)象開設(shè)公開課時(shí)，正值圣誕節(jié)臨近。我選取了一些LED燈裝飾的圣誕樹圖片，還原節(jié)日氣氛，將學(xué)生引入生活情境，聚焦本課的研究對(duì)象-LED。對(duì)新的對(duì)象如何去研究？我調(diào)用學(xué)生在簡(jiǎn)單電路單元學(xué)習(xí)時(shí)獲得的已有經(jīng)驗(yàn)和方法?！白罱覀冞@個(gè)單元學(xué)了什么？”“在簡(jiǎn)單電路中，你做過什么有成就

4、感的研究？你是怎么做的？”這些引導(dǎo)性問題，一方面可以幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，增添信心和興趣；另一方面，為學(xué)生在后續(xù)任務(wù)中，對(duì)LED和小燈泡間的差異而產(chǎn)生的認(rèn)知沖突做鋪墊，激發(fā)學(xué)生思維，解決新問題。在實(shí)踐前，學(xué)生已經(jīng)通過簡(jiǎn)單電路的學(xué)習(xí)，獲得電路的基本知識(shí)和技能。學(xué)生表示，不僅能讓1個(gè)小燈泡亮起來，還能設(shè)計(jì)電路讓2個(gè)甚至3個(gè)小燈泡同時(shí)亮起來。因此，學(xué)生對(duì)LED的研究表現(xiàn)出很強(qiáng)的興趣和信心。2任務(wù)一：點(diǎn)亮一個(gè)LED我給各組發(fā)放了1只LED讓學(xué)生充分觀察，聚焦LED的結(jié)構(gòu)。與之前學(xué)習(xí)的小燈泡做類比，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)LED上面的部分和燈泡很類似，下面卻有兩個(gè)金屬絲，一長一短。“猜一猜，這兩根金屬絲是做什么

5、用的呢？”不少學(xué)生能夠預(yù)測(cè)LED的金屬絲是引腳，用來接人電路。教學(xué)過程自然過渡到第一個(gè)小任務(wù)。“如果這兩根金屬絲是用來連接電路的，老師給各個(gè)小組發(fā)1個(gè)紐扣電池，你試試能不能讓這個(gè)LED亮起來？”學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)LED在電路中的單向性特點(diǎn)。因?yàn)檫x擇的隨機(jī)性，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐時(shí)，全班出現(xiàn)了兩種結(jié)果。當(dāng)LED的長腳接觸電池正極，短腳接觸電池負(fù)極時(shí)，LED會(huì)亮，反之，LED不亮（圖2）。LED與以前學(xué)習(xí)的小燈泡的電路特性完全不同，使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程始終處在“產(chǎn)生沖突、解決沖突”的過程中。新問題的不斷產(chǎn)生，刺激學(xué)生持續(xù)思考。借助微視頻的動(dòng)畫演示，學(xué)生能夠進(jìn)一步明確LED電路符號(hào)的意義，以及在電路回路中的單

6、向性意義。3任務(wù)二：點(diǎn)亮兩個(gè)LED“老師再給你1個(gè)LED，還是剛才的那1節(jié)電池，你能讓它們?cè)陔娐分幸黄鹆疗饋韱?？”根?jù)簡(jiǎn)單電路的已有知識(shí)，學(xué)生很快討論出兩種電路連接方式：串聯(lián)和并聯(lián)。根據(jù)學(xué)生的討論順序，我展示已畫好的兩種電路圖，讓學(xué)生確認(rèn)是串聯(lián)還是并聯(lián)。在學(xué)生明確兩種電路連接方式后，我發(fā)放了導(dǎo)線和LED，由各小組自由選擇串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接完整的回路，嘗試完成任務(wù)。學(xué)生在動(dòng)手做時(shí)，我發(fā)現(xiàn)利用導(dǎo)線連接一個(gè)閉合回路對(duì)學(xué)生的技術(shù)提出了考驗(yàn)。一些小組無意間把連接LED正負(fù)極的導(dǎo)線觸碰到，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的LED燈短路，出現(xiàn)了僅有1個(gè)LED燈亮的情況，或者兩個(gè)燈都不亮的情況。這個(gè)技術(shù)問題，我在全班交流時(shí)進(jìn)行了

7、討論和強(qiáng)調(diào)。經(jīng)過調(diào)整，原先選擇串聯(lián)的小組，由于因?yàn)椴糠侄搪烦霈F(xiàn)的僅有1個(gè)LED燈亮的情況變成了沒有1個(gè)LED亮；原先選擇并聯(lián)的小組，由于短路出現(xiàn)的沒有LED燈亮的情況變成了2個(gè)LED亮。這樣，全班發(fā)現(xiàn)，在用1個(gè)紐扣電池作為電源的情況下，正確連接電路的各個(gè)元器件，只有并聯(lián)的方式才能成功點(diǎn)亮2個(gè)LED（圖3）。4成品制作：創(chuàng)作LED燈牌，解決實(shí)際問題“如果還是1個(gè)電池，再增加LED的數(shù)量，你會(huì)用什么辦法讓它們一起亮起來？”根據(jù)任務(wù)二的結(jié)論，學(xué)生都選擇并聯(lián)的方式。我提出“工程師們用很多LED裝飾了圣誕樹，你想不想試試用多個(gè)LED也做出一個(gè)作品來？”這個(gè)問題又回歸到本節(jié)課導(dǎo)入環(huán)節(jié)的真實(shí)情境中?！靶〗M討

8、論一下，你準(zhǔn)備用什么樣的方式，把多個(gè)LED的正負(fù)極，以并聯(lián)的方式接入電路中呢？”學(xué)生提出了兩種方案：一是每個(gè)LED燈的正負(fù)極各連l根導(dǎo)線（導(dǎo)線數(shù)量需要計(jì)算），將每根導(dǎo)線分別連接對(duì)應(yīng)電池的正負(fù)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(fù)極，再將這2根銅線分別連向電池的正負(fù)極。學(xué)生根據(jù)各個(gè)小組方案自由選擇，我提供了導(dǎo)線、銅線、6個(gè)LED燈以及背面有圖案的電路板給各個(gè)小組（圖4）。在完成作品過程中，有個(gè)別小組首先選擇了導(dǎo)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導(dǎo)線。學(xué)生進(jìn)行策略轉(zhuǎn)化的背后，證明他們?cè)趧?dòng)手做的時(shí)候，已經(jīng)意識(shí)到用銅線連接，優(yōu)點(diǎn)在哪里，問題在哪里；用導(dǎo)線

9、連接，優(yōu)點(diǎn)在哪里，問題在哪里。最終，使用銅線的小組率先用6個(gè)LED燈將圖案的一部分點(diǎn)亮（圖5）。5深化和延續(xù)：手工電路與工程電路板制作結(jié)束后，我從兩種布線方法中各選擇一組，進(jìn)行全班展示和對(duì)比，不僅對(duì)比了作品的圖案設(shè)計(jì)，還引導(dǎo)學(xué)生重點(diǎn)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?！皩?duì)比了這兩個(gè)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(xué)生提出了用導(dǎo)線的方法使得電路板不那么雜亂、復(fù)雜，但使用了較多的材料，比較浪費(fèi)，有絕緣層比較安全；用銅線的方法使電路板簡(jiǎn)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(xué)生，介紹了電焊和印刷電路板的技術(shù)方法，引導(dǎo)學(xué)生思考如何

10、在兩種手工繞線的基礎(chǔ)上，趨利避害，形成更好的解決方案。從學(xué)生手工繞線的電路板到印刷電路板，就是一個(gè)工程設(shè)計(jì)的問題。學(xué)生經(jīng)歷了設(shè)計(jì)和制作電路的過程，才能理解工程電路板是基于電路設(shè)計(jì)的需求，以簡(jiǎn)潔、節(jié)省和安全的方式實(shí)現(xiàn)需求。三、項(xiàng)目整體與提升這節(jié)課，學(xué)生能夠成功完成一個(gè)又一個(gè)梯度上升的環(huán)節(jié)和任務(wù)，直到最后完成LED電路板的設(shè)計(jì)制作。究其根本，離不開學(xué)生在電路學(xué)習(xí)中獲得的知識(shí)、技能。學(xué)生學(xué)習(xí)本課的前概念來自于在簡(jiǎn)單電路單元已經(jīng)習(xí)得的電路的基礎(chǔ)知識(shí)和電路連接的基本技術(shù)。學(xué)生把在簡(jiǎn)單電路學(xué)習(xí)中，由個(gè)別元器件到完整回路的過程，遷移到了對(duì)LED這個(gè)電子元件的研究中。因此，我的LED-課僅僅只是STEM項(xiàng)目中

11、的一部分，加上前期的知識(shí)構(gòu)架、技能準(zhǔn)備以及后期的項(xiàng)目延伸和拓展，才共同構(gòu)成一個(gè)完整的STEM課程序列。LED項(xiàng)目的整體課程構(gòu)架可以進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：在這樣的課程架構(gòu)下，從STEM角度，學(xué)生在這個(gè)完整的項(xiàng)目中究竟獲得了怎樣的提升？1S（科學(xué)）LED項(xiàng)目中，學(xué)生除了能掌握簡(jiǎn)單電路的基本知識(shí)外，更為重要的是，能認(rèn)識(shí)到LED與小黽珠的電路特性不同，電路設(shè)計(jì)方案也不相同。在對(duì)比中，學(xué)生能理解電子元件的特性決定電路設(shè)計(jì)。用小電珠和LED來進(jìn)行電路課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，能夠幫助學(xué)生更好地理解電學(xué)。2.T（技術(shù)）將正確的電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為真實(shí)的電路，這就是技術(shù)問題。一方面，LED的單向?qū)щ娦詫?duì)學(xué)生的電路連接技術(shù)提出了考驗(yàn)，

12、學(xué)生在理解電路的基礎(chǔ)上，還需要準(zhǔn)確將電子元件連接起來，真實(shí)地還原電路；另一方面，學(xué)生在連接電路時(shí)，還需要解決諸如短路、接觸不良等技術(shù)故障。這些都對(duì)學(xué)生的技術(shù)訓(xùn)練提供了鍛煉平臺(tái)。3E（工程）在這個(gè)項(xiàng)目中，學(xué)生的終極任務(wù)是：根據(jù)電路板設(shè)計(jì)圖案布置線路走向，并完成LED燈牌產(chǎn)品。這是一個(gè)完整的工程設(shè)計(jì)和制作的過程。學(xué)生經(jīng)歷這個(gè)過程，才能把自己的手工產(chǎn)品和工程上應(yīng)用的印刷電路板建立聯(lián)系，才能理解工程學(xué)中，從明確問題到制定方案、產(chǎn)品測(cè)試和優(yōu)化改進(jìn)的系統(tǒng)性步驟。4.M（數(shù)學(xué)）從1個(gè)LED到2個(gè)LED再到6個(gè)LED，甚至更多，數(shù)學(xué)作為輔助工具，讓學(xué)生意識(shí)到，若選用導(dǎo)線的方法來連接電路，LED數(shù)量的增多帶來導(dǎo)

13、線數(shù)量的倍增，這對(duì)學(xué)生站在工程學(xué)的角度來考慮耗材和成本提供了數(shù)據(jù)支持。四、總結(jié)STEM課程的特征是基于真實(shí)情境，解決實(shí)際的問題，最終通過具象化的產(chǎn)品或者設(shè)計(jì)呈現(xiàn)學(xué)生在這個(gè)過程中的提升。盡管在教學(xué)實(shí)踐中，我完成了預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)，但通過對(duì)學(xué)生在課堂中的表現(xiàn)和操作中的觀察，我發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)踐STEM項(xiàng)目時(shí)依然存在困難。1動(dòng)手能力不足，產(chǎn)品完成度不高。在完成最后的創(chuàng)意LED作品的環(huán)節(jié)，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(xué)科學(xué)課程中對(duì)學(xué)生工程技術(shù)素養(yǎng)關(guān)注不夠。因此，我們需要開發(fā)并開展更多的STEM課程，給學(xué)生提供更多的鍛煉機(jī)會(huì)和平臺(tái)，引導(dǎo)他們解決實(shí)際問題。2解決復(fù)雜問題的能力不足。例如，有些小組在完成最后的作品時(shí)，雖然線路連接正確，但LED不亮。部