初中科学STEAM 课程教材编写浅析——以浙教版科学《温度计》为例

陈振峰

（浙江省温州市第十七中学，浙江 温州 325000）

从《科学（7-9 年级）课程标准》到李克强总理对“创客”的肯定，大家会发现当今的教育和社会越发关注学生能够进行灵活迁移所学知识，应用数学和工程技术解决真实世界的问题。从这个目标出发，作为教师需要不断提高学科专业知识和教学能力，但与此同时，更缺少相应的STEAM 性质的拓展性课程教材。因此笔者以浙教版七上科学《温度计》部分的课本知识为依托，借助同事和教研员的力量，将STEAM 的相关理念作为材料编写和活动设计的核心，针对七八年级学生的知识特点，编写了一个主题拓展性课程。

一、教学目标和整体设计

STEAM 框架下的拓展性课程强调科学、技术、工程和数学以跨学科的课堂形式整体出现，要求四门学科在教学过程中必须找到不同学科知识点之间的连接点和整合点，将分散的课程知识按实际问题和项目结构化，通过有序的问题或场景有机地串联起来，使整个课程各要素形成有机结构。根据STEAM 要求，因此此次的课程内容整合方式，采用的是知识整合取向模式中的基于问题的学习模式，将学习任务和动手实践活动嵌入在有意义的真实问题情境中，通过学生协同的思考讨论和合作交流解决相关问题，促进学生对所学知识的进一步理解和建构，从而习得隐含在问题背后的各学科知识和能力素养，形成解决问题的技能和勤于动手的态度。根据七八年级学生所学内容和具有的基础能力，笔者选用了《温度计》这一拓展对象，在课本原有的基础上进行STEAM 的拓展性学习。在整体的内容安排上，以温度计的分类为明线，以温度计的发展历史为暗线，一明一暗，学科知识结合人文关怀，这样的设计旨在让学生能够以更宽泛的视角看待事物，不仅关注温度计本身的设计和改进，更要注意到科学研究背后承载的人文温度，真正做到通过课程的学习让学生的综合能力得到发展和提升。在学习方式上，既有阅读、思考分析、讨论等脑力层面，也有制作、使用、探究等动手层面。针对现有的教学场景，思考和讨论是主要场景，而且大多的动手实验也是在课本指示和实验操作手册下的简单模仿，真正基于实际问题和场景的动手操作少之又少。因此在整个设计中，在完成前期的任务驱动和支架学习后，中后期的重点就落在学生的动手实践上，突出STEAM 的工程要素，让学生依次经历样品的设计、制作、改进、迭代一系列真实的产品制作过程，体验完整的开发环节，对真实的工业生产有一定的认识。最后提供资源性支架和活动性支架，为学生后续进一步地改进和开发提供一定的学科知识支持，让此次课程的生命力得到更加持久地延续，让学生在课外能够继续根据兴趣延展样品的“宽度”和“深度”。

二、环节设计和拓展思考

（一）课程中情境性的体现

基于STEAM 课程的理念，整个教学内容应该具有情境性特征，它要求教师们不是教授学生孤立的、抽象化的学科知识，而应该是把学科知识还原在真实生活或历史发展中，结合有趣或具有挑战性的问题，通过学生完成一系列问题实现教学。STEAM 课程强调知识应该是学生通过学习环境互动构建的产物，而非来自教师和课本等的简单外部灌输。因此在此课程中以温度计的发展为暗线，让学生以第一视角参与到温度计的改良和设计中去，在解决情境问题的同时，体验科学的进步历程，获得知识和社会性的多重成长。

【课程节选1：】

温度是表示物体冷热程度的物理量，从古至今人类能感受到大自然中温度的不同：火是烫的，冰是冷的，夏季是炎热的，冬季是寒冷的。从史料来看，中国人很早就确立了寒、冷、温、热的“温度”概念，先秦时期观察“瓶中之冰”、南朝已使用“腋下温度”，还通过“火候”“物候”测定超高温、预测未来气温趋势等，像“春暖花开”“天寒地冻”“炉火纯青”最早都是古人推测气温的用语。但古人对温度高低的辨别并没有统一的标准，随着社会的进步与发展，人们越来越需要一把测量温度的“尺子”。经过各个时代科学家的努力，终于找到了测量温度的“尺子”——温度计。

1593 年，意大利科学家伽利略发明了世界上第一支温度计。该温度计是用一根细长的玻璃管，它的一端是玻璃泡（空心球形泡），另一端开口事先往管内灌少许带色的水，然后把开口倒过来插在带色水的容器里。在玻璃管上等距离地标上刻度。

1632 年，法国物理学家雷伊（J.Ray）第一个改进了伽利略的温度计。他将伽利略的装置倒转过来，将水注入玻璃泡内，而将空气留在玻璃管中，仍然用玻璃管内水柱的高低表示温度的高低。由于这项改进使水成了测温物质，实际上这成了第一支液体温度计。由于向上的管口没有封闭，水会不断蒸发，必将影响测量的准确性。

（二）课程中工程性的体现

STEAM 课程不仅强调学生通过各种方式获取抽象知识，更强调学生动手制作出相关样品或设计概念性模型。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实现对自然的控制和利用，解决社会和科学发展中的各种问题。按照科学和数学规律在教学过程中开展动手实践是科学、数学、技术和工程整合的重要途径，因此学生通过动手制作和设计，才能促进学科知识的融合和迁移运用，通过作品外化显现学习成果和习得的能力。这不仅是获得成就感的重要方式，也是维持和激发学生不断学习的动机，保持好奇心的重要途径。

【课程节选2：】

制作一支伽利略式温度计

1.取一只烧瓶，在瓶口塞上一个带细玻璃管的橡胶塞，确保装置气密性完好。

2.用双手捂住烧瓶30 秒，使瓶内空气受热膨胀，排出一部分空气。

3.把玻璃管插入红墨水中，烧瓶内空气受冷收缩，让水进入到细玻璃管内形成水柱。

4.用温水或冰水接触烧瓶，观察玻璃管内水柱的变化情况。

请你发挥想象，设计一款未来的温度计，简要说明它的样式和具有的奇特之处。

（三）课程中技术性和数学性的体现

STEAM 课程的跨学科性意味着在教学过程中，不再将重点放在某个特定学科上，而是将重心放在特定的某个待解决的问题上，强调利用科学、数学、技术、工程学科相互联合解决问题。在解决问题的过程中，要求学生能够利用技术手段和数学思维简化和激发研究过程，并通过技术手段让结果和样品更加多元化和直观化，让结果和创意更加容易分享与交流。同时STEAM 课程主张，技术手段应该作为认知工具，无缝地融入每一个教学环节中，不仅是在解决问题时，培养学生熟练运用相关技术，增强个人获取复杂信息、进行建模与计算的能力，从而进行更加深度的学习。在这个部分当中笔者设计了对热敏温度计的探究和分析，借助生活中一些常用的工具对温度计进行拆解，获取相关部件，并用万用表对热敏原件进行测量电阻，对所得数据通过数学和计算机技术进行数形转换，获得相关数学图像并加以分析，锻炼学生在实际动手中的各种技术能力和数学逻辑分析能力。

【课程节选3：】

探究和分析热敏温度计的工作原理

1.拆解热敏温度计，观察其内部结构和相关部件。

2.从线路板上剥离热敏电阻并去除外层绝缘层，露出导线。

3.利用热水、温度计、万能表测出10 组不同温度下热敏电阻的阻值。

4.将所测得数据通过几何画板或EXCEL 程序绘制温度和电阻关系曲线，分析两者之间的关系。

5.根据提供的热敏温度计工作原理图（如图1）和温度与电阻关系，分析热敏温度计工作原理。

图1 热敏温度计工作原理图

【课程节选4：】

观察和使用红外测温仪

观察红外测温仪的外观和控制面板，阅读使用手册，了解基本操作和使用注意事项。

按住仪器测温开关，通过红色激光点瞄准目标，激光点应打在被测目标的中心，此时仪器显示器显示的即为被测目标的瞬时温度，同时仪器显示器显示有“SCAN”符号。松开测温开关后，测量停止，显示器出现“HOLD”符号，显示的温度值保持5 秒后消失。

注意事项：

1.使用红外线测温仪分别测量同桌的体温、热水、冰块的温度。

2.分享和讨论使用过程中的心得。

（四）课程中人文性的体现

在STEM 课程提出以后，有部分教育学者又提出了在原有的STEM 课程中加入Art 学科，即在课程内容中增加艺术、人文学科方面的涉及。它的目的在于强调在自然科学教学中增加对学生人文和社会方面的关注。例如增加科学、技术或工程等相关发展历史和人文思考，从而激发学生多维度的思考，加强STEAM 课程与生活联系的理解，感知整个科学发展和技术进步的艰辛给人们带来的便利与喜悦，加入审美维度的评价，提高动手制作样品的艺术性和美感。

【课程节选5：】

小资料：最早的温度计究竟是谁发明的？曾经有过争论，有的人把最早的温度计的发明归功于荷兰的有名机械师德里贝尔（C·Drebbel）；也有人把这项优先权归功于帕杜亚的解剖学家桑托留斯（Sanctorius）；还有人把它归功于克拉科夫的神父保罗（Paul）、伦敦的医生弗拉德（R·Fludd）及德国的盖里克。但现代的历史研究一致同意把温度计的发明归功于伽利略。

1.关于小资料中“最早的温度计究竟是谁发明的？”的争论，你有什么看法？

2.以下是温度计发展历史的时间轴（如图2）。在整个温度计的发展过程中，它不仅替人们测量了物体的冷热程度，更让人们感知了整个科学发展过程中的“冷”与“热”。请观察历史时间轴，谈一谈对整个温度计发展的感受。

图2 温度计发展历史的时间轴

（五）课程实施后的思考

整个课程的实施在教学过程中因为打破了原有书本的限制，以知识拓展和动手实验为主要设计，所以学生在课堂上表现出了非常高的参与热情，在教学环节的实施过程中都得到了学生的配合。尤其在动手制作伽利略式温度计时，学生对实验过程中出现的问题能够及时地组内相互讨论，发表自己的意见，及时跟进对样品的改进方法的思考，因此在后面进行实验分析时能够清晰地表述出存在的问题和产生的原因。从效果上看，学生的学习和拓展得到了真实的发生，课程设计的学习目标得到落实。在介绍和了解现在的温度计时，笔者给出热敏温度计的介绍和红外测温仪的使用，因为课时的安排，在这节课中笔者对此部分的处理是让学生通过原理图尝试阐述热敏温度计的工作原理和上手体验红外测温仪的使用。如果课时安排充裕，此部分可以作为课程项目的后续科学探究和数理分析的环节，让学生通过实验获取温度与电流、电压等相关数据，通过数学方法绘制温度和电阻的关系图，再通过分析结构图，整体上对热敏温度有一个较深刻和完整的认识，这样更能突出学科整合和工程技术的运用。再由此延伸到红外测温仪的探究，让学生基于前面对热敏温度计的学习，自主地设计和实施整个探究过程，让前期学习到的经验得到实践和锻炼，真正将学习的过程还给学生。