STEM理念下项目式学习的实践探索——以“点亮红绿灯”为例

顾 洁

（苏州工业园区星洲小学，江苏苏州 215000）

STEM 即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的统称，已经成为当下教育界热门的教育模式。STEM 教育主张学科间的交叉融合，鼓励学生开展合作学习，旨在激发学生的创新思维能力，提高学生的动手实践能力。项目式学习（Project-Based Learning，PBL）是学生通过一段时间的工作来调查、探究和解决真实和复杂的问题，从而掌握相应的知识和技能。相较于传统的教学模式，项目式学习更能使学生的思维能力和解决实际问题的能力得到发展，提升学生的综合素质。

一、制定教学目标与课时

本次项目式活动是围绕小学科学四年级“电”单元教学目标进行的，指向物质科学领域。它主要是让学生认识电是生活和工作中常用的能量来源、了解安全用电常识、知道常用电器的工作需要一个完整的回路、知道开关的功能、能用一些基本组件连接一个简单电路、知道有的材料容易导电，有的材料不容易导电。以下是学生需要掌握的四门教学分科目标，见表1。

表1 “点亮红绿灯”项目各学科目标

本次项目式活动主要针对小学四年级的学生，通过三个活动分别学习“点亮小灯泡”“导体和绝缘体”“做个小开关”，在此基础上进行红绿灯的设计制作与测试优化，共用5 个课时（如表2）。

表2 “点亮红绿灯”项目教学时间安排

二、实施教学过程

红绿灯设置在交叉路口或一些特殊地点，指示车辆及行人停止、注意与行进的交通管制设施。如果没有红绿灯，交通拥堵情况将无法想象，人们的乘车安全也无法得到保障。那么，红绿灯是如何做到光色信号更换的呢？为了解决这一问题，我们开展“点亮红绿灯”的项目式活动。

（一）活动一：点亮小灯泡

教师组织学生观察小灯泡的构造，引导学生尝试自己点亮小灯泡，观察电流是如何流动的，做好记录。点亮小灯泡的方法不止一种，教师应鼓励学生尝试其他连接方式。通过各小组的展示、汇报，学生小组总结小灯泡点亮的原因：“只有电流流过灯丝时小灯泡才会发光。”教师再总结：“电流从电池的正极流出，经过导线到达小灯泡的一个连接点，电流从连接点进入，经过灯丝再从另一个连接点流出，经过导线回到电池的负极，形成了一个回路，才能使小灯泡发光”。

学生还需学习用简单符号画电路图的方法（如图1），学生借助简单电路图准确表示电路实物图中的各部分及电路的连接，也为之后的学习打下基础，激发学生对电的探究兴趣。

（二）活动二：导体和绝缘体

学生将在了解简单电路的基础上，学习如何连接电路检测器，并用电路检测器正确进行各种物质导电性的检测，认识到有的物质易导电，这样的物质叫作导体，有的物质不易导电，这样的物质叫作绝缘体。加深学生对身边物质属性的认识，同时加深对电的认知。

活动先导入“点亮小灯泡PK赛”，既对活动一的内容进行了回顾，又激发了学生的探究兴趣。这时教师用三根导线连接电路（如图2）提问：“如果把导线1 和导线2 断开后小灯泡还亮吗？你有没有什么办法，在断开的地方放个材料让电流继续通过，使小灯泡亮起来？”学生通过实验发现，铁片、铜丝接入电路都能使小灯泡亮起来。这种能够检测是否有电流通过物体的装置叫作电路检测器。

小组根据要求制订研究计划，通过检测12种常见物体是否导电，让学生有足够的经验认识生活中的导体和绝缘体。教师并没有提供全部的12种物体，而是留一些空白给学生，期望学生能留心身边的物体，将科学回归于生活。学生通过动手操作来实施检测步骤，并用表格记录实验数据，进行整理分析，总结导体和绝缘体的特点。

最后以“玩一玩人体导电球”为拓展活动，全班同学手拉手，一起点亮导电球。“导电球亮了，说明我们人体是导体吗？”教师可针对这一问题进一步展开安全用电教育。

（三）活动三：做个小开关

教师创设情境：“这个电路中的小灯泡一直在亮着，很浪费电，你有什么方法可以控制小灯泡的亮和灭吗？”从而引出活动的主角——小开关，学生仔细观察小开关，并记录下来。在认识小开关的主要构造后，学生尝试将小开关连接到电路里，探究它是怎样控制电路的连接与断开的。

“如何利用身边的材料设计并制作一个简单的小开关呢？”教师提供材料：带有鳄鱼夹的导线、木块、金属环（如图3）。学生以小组合作的形式讨论、设计、制作一个小开关，并能用它来控制电路，然后在全班展示交流。教师进一步追问：“为什么开关闭合的时候小灯泡会亮，断开的时候小灯泡不亮？为什么开关闭合的时候小灯泡会亮，断开的时候小灯泡不亮？”以此巩固学生对回路的理解。

（四）活动四：设计制作红绿灯

教师通过设置连续提问，启发学生思考：“这个开关有什么样的特点？要求开关连接到红灯时，红灯亮绿灯不亮，连接到绿灯时，绿灯亮红灯不亮，这样的开关应该怎样设计呢？我们设计的控制一盏灯的开关上有两个金属环，现在加了一盏灯，两个金属环还够不够了？我们应该在原来的小开关上如何改进呢？”学生通过小组讨论，逐步形成开关的设计思路，教师引导学生将设计的红绿灯电路图记录下来（如图4、图5）。

学生动手制作红绿灯时，可按照设计好的电路图，根据提供的材料进行连接（如图6）。学生通过实践发现，红灯和绿灯都分别有两根导线，一红一蓝，两根红色的导线可以连接在开关的两个金属环上，另外一个金属环用导线连接到电池的正极。为了连接方便，我们可以用一根特殊导线，一头是鳄鱼夹直接夹住红灯和绿灯的两根蓝色导线，一头连接到电池的负极，这样红绿灯的电路就连接完成了（如图7）。

（五）活动五：测试优化红绿灯

各小组对制作的红绿灯电路进行测试，检测是否符合要求，并介绍是如何控制红绿灯的，若未达到预设要求，应继续对电路图进行改进。

生活中我们看到的红绿灯不仅有红灯和绿灯，还有黄灯，那么，如何对红绿灯的电路进行方案优化，设计出一个开关，能控制红、黄、绿三盏灯呢？我们可以将学生分为几个小组，以小组为单位，先进行电路图的优化，再根据提供的材料进行实物连接（如图8、图9），最后，全班分享交流并总结：①小组在设计制作过程中遇到了哪些困难？是如何解决的？②你们有哪些收获和体会？③你对设计制作的红黄绿灯作品还有什么改进与优化的建议吗？

评价是促进学生成长、教师专业发展和提高课堂效率的重要手段，这在项目式学习中是必不可少的。教学评价是贯穿于整个教学过程中的，学生根据学习过程和学习结果进行自我评价。

三、教学实践反思

（一）着眼真实性问题

STEM 理念下的项目式学习是对真实世界中遇到的问题进行深入调查和学习，并通过合作找出答案，这也是STEM教育和以往的科学教育的不同之处。教师引导学生关注真实情境下的红绿灯并提出明确目标，促使学生主动参与到项目式学习中，通过解决若干个问题，最终呈现出完整的作品。学生在整个活动过程中，经历了“聚焦问题—调查分析—活动体验—设计与制作—测试与优化—展示与评价”的基本步骤，这使得学生的思维能力和解决实际问题的能力得到提高。

（二）实现跨学科教学

STEM 理念下的项目式学习是一门跨学科的整合性课程，也是一门内容丰富的开放性课程，以提高每个学生的STEM素养为目标。项目式学习的特点决定了它与STEM 教育理念是非常契合的，选择合适的项目通常能将各学科要素有机融合。“点亮红绿灯”的项目式活动有明确的科学、技术、工程、数学四门教学分科目标，学生需要灵活运用各学科知识，经历科学探究和工程设计的学习过程，完成主题项目，从而真正起到提高STEM素养、发展综合能力的作用。

（三）设计递进式活动

STEM 理念下的项目式学习需要学生通过一段时间的调查、探究、实践来解决真实问题。“点亮红绿灯”项目式活动根据学生的知识储备和探究能力水平，先布置了“点亮小灯泡”“导体和绝缘体”和“做个小开关”三个学习活动，让学生在实践中打下扎实的基础。教师引领学生进行红绿灯的设计制作与测试优化，学生在一步步探究、一次次测试中发现问题、改进方案，这正是一个学生不断收获、不断成长的过程。