核心素养视角下的高中STEM特色课例研究

摘 要：物理学科核心素养的培养需要不同的载体和平台，日常的教学是一部分，以解决问题为目的的STEM教育也是一部分.为了研究STEM教育理念下学生物理核心素养的培养，分析了STEM教学中每个环节对物理学科核心素养的培养价值，设计了教学流程，并在校本课程中提供学生动手实践的平台和环境，引导学生开发出智能宠物喂食器，形成了“智能宠物喂食器设计与开发”的教学课例.

关键词：物理学科核心素养;STEM教育;特色;课例

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）01-0047-03

作者简介：李玲（1986-），女，广东兴宁人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理学科教学.

1 研究背景

现阶段，我国中学物理教学课堂已经逐渐开展基于核心素养的教学变革.物理学科核心素养包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面.在许多一线教师的日常教学中，学生思维层面关于这四个方面的培养得到了重视，而在学生动手能力方面，除了教材中要求的物理实验之外，学生动手实际操作的探究机会较少.为了培养学生的科学思维与锻炼学生的科学探究能力，高中阶段必须要开展研究性课题的教学.

近几年，教育部更是从各方面加大了力度，促进高中生研究性课题教学的落实，表现如下：一是2018年起，对高中生实行了“普通高中学生综合素质评价信息管理系统”的档案管理模式，要求学生在高中阶段一定要进行研究性学习及校本课程的学习，并要求上传过程性资料;二是高校的自主招生名额增加，要求中学培养出一些动手能力强、有创新获奖的同学;三是近几年的高考题、统考题，物理学科出现的与实际生活联系的建模类题型增多.然而，如何基于上述现状开发出较好的研究性学习方案亟待研究.

STEM教育指的是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）的结合，其中科学在于认识世界、解释自然界的客观规律;技术和工程则是在尊重自然规律的基础上改造世界，实现对自然界的控制和利用，解决社会发展过程中遇到的难题.研究表明，STEM教育是连接科学与生活的桥梁，将研究性课题的教学与STEM教育连接起来，既可帮助学生完善档案资料，又能够为一些优秀的同学提供自主招生的机会，还能提高学生的科学思维与科学探究能力，以培养学生的物理学科核心素養.因此，开展有实践意义的STEM教育已渐渐成为理科教师的优先选择.

但是，对于这种无本无纲的特色课程很多教师都感到无从下手.为此，本文将以STEM教育理念为指导，以“智能宠物喂食器设计与开发”为例，展示如何将STEM教育融入高中物理研究性课题的教学中，为其他研究性课题教学的开展提供一定的教学课例.

2 基于物理核心素养培养的特色STEM课例

2.1 宠物喂食器的选题和设计课例的缘由

首先，我们要找到一个适合高中生做的STEM课题.这个课题既要有一定深度的知识要求，又要能进行动手操作，还要结合物理学科特点，最好能够创新设计出作品.随着人们生活条件的提高，喜欢宠物的人越来越多，学生亦有不少，传统的宠物喂食器已不能满足饲养者的需求.这个问题表面上从市面上买一款现成的智能宠物喂食器就可以解决，但作为教师，尤其是物理教师，却可以挖掘问题.从传统的宠物喂食器出发，引导学生对最传统的宠物喂食器进行探究和改进.目标就是用学生现有的知识，采用生活中或物理实验室能够获得的材料，设计出一款能够实现智能喂养的宠物喂食器.

在教学设计中，我们可以参照已有STEM教学案例，例如，科学出版社出版的《2017中小学创客·STEM教育资源调查报告》中的第5章[1]，“创客、STEM课程”，给了我们一个STEM课程设计的模板，其中对于工程类设计过程的流程图，体现了核心素养的培养过程，完全可以应用到我们的教学案例研究中来.又如，上海教育出版社出版的《STEM+活动设计与体验》一书[2]，该书提供了STEM+课程的30个课例，每一个课例都给出了学习目标、活动材料和设计意图.学生既解决了实际遇到的问题，又锻炼了动手能力.虽然此书的设计内容只针对4-6年级的学生，知识上没有达到高中生的需求，但此书对于教学环节的设置值得学习借鉴.

2.2 智能宠物喂食器的教学流程图

基于董莉[1]的STEM课程设计的模板，本文设计的教学活动的主要流程如图1所示.

2.3 “智能宠物喂食器设计”对于核心素养的培养相应的环节

在图1的教学流程中，每一个步骤对物理核心素养培养的侧重点不一样，其对核心素养的培养价值见表1[3].

2.4 “智能喂食器设计”的教学难点

在这个课例的开发中，难点是步骤2机械控制的实现和步骤3智能的实现.解决的方法有两种：一是，创造环境和时间，让学生上网查阅资料，通过小组讨论的形式实现;二是，教师要为学生做一个改进的案例或者作品，以起到抛砖引玉的作用.第一个方法不赘述，第二个方法本课例在教学过程中使用了以下的作品示范.

环节2中，要引导学生对传统的喂食器的漏食口沙漏原理（如图2）进行改造.受酒店早餐麦片分离器的启发，可以采用风扇叶片对漏食口进行漏食量的控制，如图3所示.转动转轴，风扇叶片转动，带动食物漏出.用小马达带动转轴转动，实现电路控制.注意：风扇叶片要根据漏食口的大小切割粘贴，保证转轴不转时，没有食物漏出.

环节3中，利用Arduino编程，通过红外避障传感器和电磁继电器实现人工智能的控制.Arduino是一款能够让中小学生理解接受的程序语言，作为物理教师，编程的语言可以请教信息学科老师，但理解控制电路是我们的责任.对漏食器里面小马达是否工作，用电磁继电器进行控制（如图4）.当宠物靠近时，红外避障传感器输出信号，开关闭合，电磁继电器通电，小马达工作.针脚理解和连接的电路如图5、图6所示.

3 结束语

本次“智能宠物喂食器设计与开发”的研究性课题教学取得了不错的成效，碍于篇幅的关系，笔者在这里仅展示一个学生的作品，如图7所示.

对于学生来说，当一个自己制作的作品摆在面前的时候，获得的成就感是难以用语言表达的，学生的成绩可能没有特别明显的提升，但是对于学生科学思维与科学探究能力的培养，无疑是大有裨益的.

最后，本教学课例有很多可以改进的地方.例如：

（1）用教师的作品抛砖引玉的方法虽然能够有效地引导学生的思维，但是也局限了学生的思维.

（2）在步骤1激情引入的环节里面，学生提出了一些用舵机喂金鱼的方法，由于学时有限，不能进一步地指导学生展开.

（3）这个课例的完成使用了学校开展特色课程的时间，一次2课时，共用了7次课，14个课时，较为拖沓，可以优化.

（4）在学生的作品制作完成以后，可以结合工程制图的方法，要求学生画三视图，来提高学生的空间建模能力.

参考文献：

[1]董莉.基于STEM教育理念的高中物理教学策略研究[D].成都：四川师范大学，2017.

[2]陈敏，郑思晨.STEM+活动设计与体验第二进阶[M].上海：上海教育出版社，2018.

[3]梁沛林.STEM活动教学对培养物理核心素养的价值探讨[J].物理通报，2018（12）：23-26.

（收稿日期：2020-09-15）