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      淺談科工整合在初中科學教學中的應用

      發布時間:2023-04-18 作者:強偉華 來源:中國教育新聞網-《中國民族教育》

      隨著新課程目標的不斷實施,初中學生的科學素養水平得到逐步提升,然而學生自主分析和解決問題的能力仍有待加強。培養學生的問題解決能力是新時代的關鍵任務。近年來在課程改革大背景下,STEM教育學科整合模式在世界各地陸續展開。STEM教育的目標就是要培養學生有邏輯性、有創造性地思考,培養學生的問題解決能力??茖W學科與工程教育都是以問題為導向的學科,因而科學學科與工程教育的整合有其實施的可行性。通過科工整合,在工程教育中滲透、深化科學原理和技能,不僅能鍛煉學生對實際問題的分析和解決能力,也能賦予科學知識更多應用層面上的價值。

      中小學工程教育實施的背景

      STEM教育包含科學、技術、工程、數學四大學科領域,我國在基礎教育階段已經系統地實施科學、數學教育,并取得了一定的成果。技術教育雖主要局限在信息技術,其重視程度和課程實施的成熟度也在逐步提升,但是,工程教育主要集中在高等教育階段,在中小學基礎教育中幾乎沒有系統實施。

      善于發現和解決問題的能力是當代中小學生需培養的重要能力?;A工程教育的目標不是將每個學生都培養成工程師,而是通過滲透工程教育,培養學生分析和解決問題的能力,建立工程思維,挖掘學生的工程實施技能。同時,通過科學探究與工程設計的整合,使相關科學原理和科學技能得到更具實際價值的延伸。

      初中科學課程中工程教育實施的必要性

      初中科學學科特點及學習現狀。初中科學是一門綜合性的學科,其核心理念是提高學生的科學素養,概括三個組成部分:了解科學知識;了解科學的研究過程和方法;了解科學技術對社會和個人所產生的影響。在實際學習中,學生存在的主要問題有:問題意識薄弱;將科學服務運用于生產生活實際的意識不強;學生之間有深度和實際意義的交流較少;學生獲得的評價方式比較單一。為了更好地促進學生課堂內外科學學習的興趣,提高動力,發掘更多學生的潛力,使學生的評價更加多元化,須轉變科學教學模式和理念,讓更多學生主動參與學習探究,主動發現和提出問題、解決問題,最終將科學知識運用到實際生產生活中。

      未來社會發展和競爭的需要。越來越多的國家認識到中小學工程教育的重要性,并采取相應的落實措施,如美國、英國、澳大利亞等。通過實施相應的教育政策激勵中小學生對工程學的興趣,在學習過程中培養符合時代需要的工程思維,并運用這種思維方式解決問題,為高等教育階段培養工程人才奠定基礎。

      科學與工程教育“協同作用”。“協同作用”的解釋是各種分散的作用在聯合應用中的總效果優于單獨作用的效果之和??茖W與工程教育的整合,將工程實踐融入到科學原理中,使科學理論知識的學習有了應用延伸。同時,在工程設計過程中,學生通過分析問題、設計方案、討論修正等過程,能夠深化學習相關科學理論知識。此外,將科學知識和技能運用到工程實踐中,使工程教育有了更加完善的理論支撐和技術支持。

      科學與工程教育整合的教學實踐——“制作望遠鏡”教學

      如何在科學教學中整合工程教育,筆者以“制作望遠鏡”這一課的教學為例分享體驗。

      問題導入,確定項目主題。教師創設情境:自古以來人們就對天空以及天空中的星月充滿探究欲。同學們想更清楚地觀察到月球表面的樣子嗎?用什么辦法?學生就聯想到要用望遠鏡。那么自己動手制作一架望遠鏡是否可行?學生通過查閱資料認識了相關科學史,了解到望遠鏡的基本原理和構件,初步預測了該項目實施的可行性,確立了本次工程項目的主題:制作望遠鏡。折射式望遠鏡主要有伽利略望遠鏡和開普勒望遠鏡兩種,通過查閱資料得知伽利略望遠鏡視野比較小,不適合觀察遙遠的星體,將項目主題精確到制作開普勒望遠鏡(以下簡稱“望遠鏡”)。在這個過程中,學生從問題出發,查閱資料,將課內所學科學知識與課外知識銜接起來,不僅豐富了知識體系,在逐步接近項目主題的過程中,也鍛煉了分析問題的能力。

      小組合作,設計項目方案。在這一環節中,教師把學生劃分為幾個小組,給每個小組準備了幾塊透鏡,讓學生體驗以下活動:1.將一塊凸透鏡置于眼前觀察遠處物體,有放大效果嗎?2.用兩塊凸透鏡,適當改變兩塊透鏡的距離,有何發現?3.將兩塊透鏡交換位置,有什么發現?4.小組成員交換透鏡再重復觀察?;顒舆^程中學生體驗到一塊凸透鏡能使遠處物體成倒立縮小的像,與凸透鏡成像中物距大于兩倍焦距時成倒立縮小實像聯系起來;再加一塊凸透鏡能使原來縮小的倒像放大,有些學生能聯系到凸透鏡成像中物距小于一倍焦距成正立放大虛像。接下來教師通過在光具座上的演示實驗視頻(考慮到可觀察性,采用提前錄制視頻的方式),使學生進一步確定該望遠鏡的原理:物鏡使遠處的物體成一個倒立縮小的實像,該實像的成像位置在目鏡的一倍焦距以內,又通過目鏡成一個正立放大的虛像(此目鏡相當于放大鏡),因此,最后看到的像相比于原物體是倒立、放大的。

      進行頭腦風暴,開展小組討論。根據教師提供的器材和資料,選擇合適的材料,衡量各材料的實際用途和價格,讓學生明白在工程項目的實施中成本是必須考慮的問題。選好材料后,學生將望遠鏡的設計圖畫下來。要求標注出主要結構的尺寸、規格。在設計圖的繪制過程中學生可以鞏固相關光學知識并且鍛煉基本的繪圖、測量技能。同時,還運用到拓展的新知識:望遠鏡的放大倍數=物鏡焦距/目鏡焦距,增加了科學知識學習的深度和廣度,也使學生認識到工程設計離不開科學原理的支撐。

      共同參與,實施項目。各小組根據所選器材和設計圖完成望遠鏡的制作。物鏡選擇直徑較大焦距長的凸透鏡,目鏡選擇直徑較小焦距短的凸透鏡來組合制作,并且采用大筒套小筒的方式將鏡筒設計成可伸縮(調距)形式。本環節對學生的動手實踐能力是極好的考驗和鍛煉。實際制作和設計圖往往有一定的差距。比如,有個別小組對材料清單了解不夠仔細,在設計圖中沒有細化到用什么方法來固定凸透鏡,導致嵌入不穩定或者無法嵌入。學生通過動手嘗試發現了新的問題,于是小組成員共同出謀劃策,展開目的指向明確的討論交流,尋找解決辦法。最后,討論決定由兩名學生合作使用黑色膠布將物鏡和目鏡固定好。有些小組討論后又在透明飲料瓶身外粘上一圈不透光的彩紙,再將飲料瓶插入紙筒,完成望遠鏡的制作。

      在這一環節中,學生將設計方案進行了物化,這正是工程學習的重要內容之一,也是科學知識學習的應用價值所在。工程學是實踐性很強的學科,將科學知識和技能運用到工程實踐的過程中往往要經歷一系列新問題的產生、分析、測試、解決,而在此過程中學生的問題解決能力以及團隊合作能力得到了加強,這也是科工整合的意義所在。

      分組展示,項目評價。學生將制作好的望遠鏡分小組測試評比,考量其性能、外觀、時間成本、材料成本等。教師請展示者站立于同一地點,觀察一定距離處的字體大小不一的文字符號,能成功觀察到的文字符號越小則放大性能越好。相互交換體驗制作成果后學生提出以下問題:為什么有些組能看清的物體非常有限?飲料瓶外包上不透明紙有什么實際作用?有一個小組的望遠鏡能看到的物像特別清晰是為何?自制的望遠鏡是倒像,怎么解決這個問題?

      對于不同小組項目成效的不同,學生發出疑問,并且主動運用所掌握的科學知識和技能加以優化解決,得出最優方案,這就是實際工程中必不可少的項目測試與評價。學生能夠深刻感受到每一個工程項目的背后是扎實的科學理論知識、基本技能、實踐能力以及不輕言放棄的探究精神。

      總結利弊,優化項目。經過總結,學生提出制作望遠鏡時,所選的鏡筒組合應具有較大的長度調節范圍;飲料瓶外須包上不透明紙,能夠減少其他光線,使觀察物體更清晰;從美觀角度建議給紙筒也包上彩色紙。

      在這一環節中,有些問題的解答可以由教師拓展,也可以由學生在課后尋找答案。比如,色像差導致的成像不清晰,需消色差等。根據交流展示評價結果,各小組再次優化設計,針對以上問題對制作的望遠鏡加以改進。在課后完成項目優化也可以是家長共同參與的過程,使工程教育聯系學校和家庭、學生和家長,讓工程教育更有意義。

      對科工整合實施過程的反思

      科學與工程學習整合能更大程度地帶動學生參與學習的積極性,課堂中學生參與積極性明顯提高?;陧椖渴降墓こ探逃箤W生能積極地參與問題的思考和解決,對學生掌握科學理論知識、培養實踐能力有明顯的正向作用。

      現階段,其存在的問題主要有以下幾個方面。一是教師提前預設較多,在材料的選擇方面學生選擇余地較小,學生無需花費太多精力在選材上,給后面的制作過程降低了難度,學生需要自主面對和解決的問題比較少,開展工程項目設計的靈活度較小。二是受課堂教學時間限制,學生自主分析、解決問題時間相對倉促,對問題的思考不夠深入,同時問題的解決達成度有待提高。三是部分學生對于待研究解決的問題方向不明確,實施過程中缺乏目的性,思考的方向容易偏離主題。

      綜上,科工整合有其實施的可行性與積極影響。將初中科學與工程教育整合,激發了學生自主參與科學探究的興趣,有利于提升學生自主解決問題的能力?,F階段教師對于該模式的教學尚處于探索階段,還需不斷學習、完善,從而促進該模式在初中科學課程中的普遍實施,提高學生的綜合科學素養。

      (作者:強偉華,單位:浙江省湖州市長興縣洪橋逸夫中學)(《中國民族教育》2023年第4期)

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