体验学习视角下STEM教育活动的反思与重构

夏启妙

一、体验学习视角下的STEM教育活动

泡泡在生活中十分常见，也十分有趣，深受广大儿童和青少年的喜爱。但市场上的泡泡溶液一般只能吹出很小的泡泡，且玩法单调，所以当笔者无意中看到巨大泡泡的相关配方与花样玩法时，心中无比激动并且跃跃欲试。在查询资料之后，发现泡泡涵盖了物理、化学和工程等多个方面的知识。近几年来，强调跨学科整合和“在做中学”的STEM教育受到了国内外众多学者的关注并在我国的多个地区得到了推行，但研究生群体作为未来教师的中坚力量却很缺乏STEM教育活动的体验经历和教学经验。因此，笔者希望能以“趣味泡泡”为契机，设计一个针对研究生群体的STEM教育活动，让参与者可以完整经历STEM活动的探究过程，以此引发参与者关于STEM教育的一些思考。

STEM教育整合了科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)学科，强调从现实问题出发，让学生灵活运用各学科知识和技能动手实践、动脑思考，培养学生解决问题和创造性思维等多元能力。STEM教育以杜威的“在做中学”理念为指导，强调学习者在体验的过程中积极主动地建构知识，这与提倡“把学习看作是体验的转换并创造知识的过程”的体验学习理论不谋而合。体验学习理论的集大成者大卫·库伯提出了“体验学习圈”(如图1所示)，包括具体经验、反思观察、抽象概括和行动应用的“螺旋式上升”的学习过程。学习者通过感知(即具体体验)和领悟(即抽象概括)两种不同的体验获得模式，经由内涵转换和外延转换两种不同的体验转换的加工方式，在体验的转换过程中创造知识[1]。STEM教育与体验学习理念十分吻合，基于此，笔者以库伯的“体验学习圈”为指导思想，设计“趣味泡泡”主题的STEM教育活动，使参与者能够通过具体体验与反思观察不断地发现问题，并经由抽象概括提出合理的问题解决方案，进一步围绕问题开展科学探究、解决问题，然后在新的情境之下展开新一轮的体验学习，不断完善工程设计。以下详细记录了本次活动的开发过程和实施过程，希冀能为广大教师，尤其是职前教师提供STEM教育活动开发的新视角。

图1 体验学习圈

二、将趣味泡泡活动设计为体验学习视角下的STEM 教育活动

科技馆中泡泡活动的趣味性虽较之前有所提高，但参与者在体验的过程中仍缺乏创造与反思的机会。如何将泡泡活动设计成一个既有趣，又能促使研究生群体积极创造并引发深度思考的STEM活动是一大难题。

活动前期的工作主要包括相关资料的查找、活动方案的设计、材料的准备、泡泡液的配置与趣味泡泡经典项目的开发。前期实验时，笔者根据参考配方进行操作：在容器中分别加入自来水5 L、黎明浓缩洗洁精200 mL、酒精和甘油各50 mL、瓜尔豆胶粉末10 g、食用小苏打30 g。其中加入洗洁精是为了降低溶液的表面张力促使泡泡产生，甘油作为保湿剂可以减缓水分的蒸发，瓜尔豆胶粉末用于增加泡泡溶液的黏稠度和泡泡弹性，小苏打用于中和泡泡溶液，使其与弱酸性的泡泡溶液反应产生二氧化碳，酒精作为有机溶液可以适当降低溶液的表面张力，同时促进配料充分溶解。充分搅拌后形成的泡泡溶液非常容易起泡，但形成的泡泡比较容易破碎而且隔夜放置后效果会变差。

泡泡的韧度和泡泡溶液的稳定性与什么因素有关？趣味泡泡活动中有哪些问题值得展开探究？带着这些疑问，笔者将泡泡液带到了研究生物理教学设计课堂上展示，并围绕这些问题进行讨论。得出的结论是，泡泡易破碎的原因很可能在于液体的表面张力较大，而各种试剂的量、空气湿度和温度等因素都可能影响溶液的表面张力，所以实验时应该严格遵循控制变量法并做好实验数据记录，这样才能改善泡泡液的配方。为了增加活动的开放性，提供更多探究和创造的机会，笔者设计了参与者配置泡泡液、制作泡泡模具的比拼环节，让其在体验学习的过程中不断发现问题、解决问题，逐渐完善泡泡液配方与泡泡模具制作。

三、玩转趣味泡泡，展开科学探究

本次活动包括在室外进行的体验与创新环节，以及在室内开展的反思交流环节，各占2小时。

1.体验与创新环节

(1)主持人发放活动方案书，介绍活动目的、主要安排、准备材料和注意事项之后，首先进行的是泡泡的趣味经典项目展示，具体包括以下三项：用棉绳系在PVC管上围成三角形拉出巨大泡泡，用缠着棉绳的铁丝围成三角形、五角星、圆形和小兔子形状的模具拉出长泡泡，用自制的呼啦圈轨道容器挑战《泡泡套人》游戏(如图2、图3所示)。不仅组内成员跃跃欲试，广场上的学生和居民也纷纷被吸引过来，主动参与探究。

图2 用螺旋形模具拉出泡泡

图3 成功挑战《泡泡套人》游戏

(2)现场制作与比拼环节。研究生队伍和教师队伍根据个人兴趣选择配置泡泡溶液(第一组)或制作泡泡模具(第二组)，进行1小时的现场制作，广场上的群众则自发地利用提前配置好的泡泡液和其他材料主动体验与探究。分组完成之后，两组成员相互提出要求：第一组需要改善泡泡液配方，突破《泡泡套人》游戏中的泡泡能达到的高度记录；模具制作小组至少完成4种泡泡模具，并从不同维度对模具的设计加以说明。明确任务之后，两组成员分工合作、相互协调，活动现场忙碌起来。

(3)在参与过程中，第一组成员产生了许多困惑：泡泡的韧度究竟与什么因素有关？为什么不加水的洗洁精很难起泡，而加水稀释后的洗洁精溶液很容易起泡？酒精和小苏打是不可或缺的吗，它们的具体作用是什么？铁丝的粗细和棉绳的密度是否会影响泡泡韧度？第一组成员围绕疑惑展开探究，最终改进了泡泡的配方，突破之前《泡泡套人》游戏中所能达到的最佳高度，能将大泡泡拉至与成人齐高！

(4)第二组利用现场提供的材料充分发挥想象，借助钳子等工具动手创造。泡泡的经典项目演示激发了大家的一些想法：能否制作一个模具实现大泡泡里套住小泡泡？能否同时拉出连串的长泡泡？能否同时吹出很多泡泡？接着以1～2人为一组进行探究，并不断修正与改善个人作品。最终模具制作小组做出多个十分有趣的泡泡模具，完成最初定下的目标。有人巧妙地利用树枝、铁丝组合制成模具，实现大泡泡套住小泡泡；有人将铁丝围成怪兽、花朵的模样，实现同时拉出连串的长泡泡；有人用挖多个洞的胡萝卜吹出一连串的泡泡；有人借助胡萝卜将牙签搭建成立方体，将其浸入泡泡液中，发现并不能制成方方正正的“泡泡魔方”，泡泡的各个面会向内聚拢；还有人将铁丝围成螺旋形模具，发现拉出的泡泡除前面一小段有两个圆柱体外，整体部分都与圆形、三角形和五角星的泡泡模具拉出来的泡泡一样，接近于圆柱体。这些创意与发现都十分令人惊喜！

2.反思交流环节

(1)在反思环节，大家围绕“体验学习圈”回顾活动过程中遇到的问题与解决路径，填写个人反思清单并展开讨论。许多参与者都注意到活动中有两个十分相似的有趣现象：《泡泡套人》游戏中可以明显观察到泡泡膜有向内收缩的趋势，用牙签搭建的立方体浸入泡泡液后泡泡也会向内聚拢，这两个现象都说明泡泡膜受到了向内拉扯的力，这个力正是液体表面张力的宏观体现。为了更好地了解表面张力，一位中学物理教师播放了室外活动中录制的一个小实验：将用纸叠成的小船放入清水当中，在船头滴入两滴洗洁精，小船立即向洗洁精一侧移动，这正是因为洗洁精中的表面活性剂降低了部分水的表面张力，小船后部未滴入洗洁精的水的表面张力更大，因而小船受到了向前的驱动力。这几个有趣的实验让大家直观地感受到了液体表面张力的作用和物理学的奥妙。

(2)为什么形状各异的泡泡模具吹出的泡泡都接近球形，不同形状的泡泡模具拉出的长泡泡都接近于圆柱体？这个问题也引发了大家的思考。当泡泡离开模具一定距离后，除重力外没有任何约束，泡泡薄膜各个方向的表面张力和内压力相同，外界阻力相同，并且球体和圆柱体表面积最小，整体系统能量最低，该状态下最为稳定，所以呈现为球形或圆柱体。大家都未曾想过，小小的泡泡居然可以引发一系列的探究和反思，甚至还可以进一步拓展，开发成一系列的科学探究活动。

(3)对本次活动的整体设计与实施过程进行反思，并探讨对STEM跨学科教育的理解与设想。本次活动最成功之处在于准备工作比较充分，给大家提供了很好的创造与交流的机会，但同时也存在一些不足：例如由于时间限制，分组展开探究，没能让每个人都完整体验全过程；还可以增加活动的开放程度，例如只提供材料不提供泡泡的参考配方，在小组成员遇到瓶颈之后再提供参考配方等。STEM教育中，教师应该创设一个可以自由创造、展开探究的活动体验平台，引导学习者提出问题、解决问题，逐步完善方案并进行反思和交流，梳理收获，帮助他们在体验中享受快乐并且有效地展开学习进程。

四、结语

本次STEM教育活动基于体验学习视角进行设计，强调在新情境之下不断修正和完善作品，充分调动了参与者的创造性和团队合作精神，为参与者带来了一次弥足珍贵的STEM教育活动体验。这次活动的成功开展还证明，STEM教育活动的开发不必过分依赖激光切割或编程等先进技术，生活中就有许多值得深度探究的事物，只要善于发现、善于挖掘，并给予学生足够的信任和鼓舞，学生必将给教师带来惊喜。