STEM视角下的初中科学课堂教学实践研究

刘锋

［摘 要］文章以“变阻器”教学为例，以电位器（变阻器）作为“暗箱”引入，将揭秘电位器的工作原理作为动力要素；以问题链为驱动，围绕滑动变阻器的制作过程展开教学；基于STEM视角，结合构造式教学，进行融合科学、技术、工程、数学的教学设计，展示基于STEM视角的初中科学课堂教学实践。

［关键词］STEM视角；初中科学；教学实践；变阻器

［中图分类号］    G633.98        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）17-0096-04

一、STEM及其教学诉求

STEM是科学、技术、工程和数学英文首字母的缩写，科学的目的是认识世界并解释自然现象的本质规律；工程和技术是在尊重自然规律的基础上对世界进行改造，从而实现与自然界和谐共处、解决社会发展过程中遇到的难题；数学则是基础工具［1］。

STEM课程重点加强学生如下四个方面素养的培育。第一，科学素养，即运用科学知识理解自然界，并参与影响自然界所表现出来的能力。第二，技术素养，即管理、使用、评价和理解技术的能力。第三，工程素养，即对技术工程的开发与设计过程的理解。第四，数学素养，即学生在发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题的能力［2］。

实施基于STEM视角的初中科学教学有利于改变单一追求科学知识以及验证科学知识的学习模式，通过设计实验、制作产品、操控仪器等方式提高学生的动手能力；在探究过程中通过数学的定量描述与逻辑推理提高学生分析与解决问题的能力；在“制作产品”的过程中实现科学探究向STEM的转变，提高学生的多重素养，培养学生的创新思维，促进学生全面发展。

二、基于STEM视角的“变阻器”课堂教学实践

下面以浙教版科学教材八年级上册第4章第4节“变阻器”为例，展示基于STEM视角的初中科学课堂教学实践。

（一）创设情境，产生“暗箱”效应

教师将音响放在学生课桌旁并播放音乐，且故意将音量开得很大，使学生产生烦躁感，然后让学生降低音量。

师：为什么旋转旋钮声音会变小？

生：可能是改变了电阻导致电流变小，從而使声音变小。

师：如何证明？

学生无法直接测量音箱内部的电流。教师拆解音箱的调音旋钮，发现里面有一个电位器（见图1）。于是提出问题：电位器是如何工作的？

设计意图：立足生活，挖掘与教学内容相关的工程技术素材，让科学知识融入现实生活，体现科学知识与技术的融合。以“暗箱”模式设计教学能更好地激发学生的学习兴趣，快速引出教学主题。

（二）引导探究，搭建“支架”

师：通过旋转电位器是否真能改变电路中的电流大小呢？

学生小组合作设计电路。用导线将电源、开关、小灯泡、电流表、电位器等实验器材串联起来（见图2）。观察电位器的结构特点，电位器有三个接线柱，学生在连接过程中探究具体的连接方法。连接好后旋转旋钮，观察灯泡的亮度变化和电流表的变化并将数据记录在表格（见表1）中。（电位器规格较多，要使实验效果明显，需选择最大阻值较小的电位器）

通过探究以及结合原有认知，学生能够确定电位器是通过改变电阻大小来实现电路中的电流变化，从而改变音量的大小的。继而引发关键性问题：这其实就是一个旋钮式变阻器，这么小的一个结构是如何实现电阻大小的连续性变化的呢？这为本节课的核心变阻器的设计搭建了支架，让学生从实际应用场景中回到科学知识本身。

（三）以问题链为驱动，体验工程设计

物理学科本身与技术和工程设计有着潜在的联系，变阻器的内容就是其中的典型之一。教学中，教师可将变阻器的设计当作学习情境和动力要素，不作为学习目标，而是作为一种教学方法，以问题链为驱动，利用多个微探究组合的方式渗透思想方法，让学生体验工程设计的过程。

实验器材：棉线、铅笔芯、镍铬合金丝、铜丝、纸筒、塑料筒、金属筒、学生电源、开关、导线、小灯泡和鳄鱼夹等。

师：你认为电位器（旋钮式变阻器）在旋转的过程中是如何改变电阻的呢？为什么？

生1：通过改变长度来改变电阻。要改变导体的横截面积、材料或温度，单纯靠旋转很难改变，只有改变长度。

师（展示棉线、镍铬合金丝、铜丝和碳棒）：那就让我们一起来利用这些实验材料连接电路，制作一个通过改变长度来改变电阻的变阻器吧！

学生分组实验（见图3）。观察实验现象并讨论得出实现结论：棉线是绝缘体，铜丝电阻很小无法改变亮度，镍铬合金丝和碳棒都能改变亮度，电流表的示数也有明显变化，但变化程度不同。

师：你会选择哪一种材料来制作滑动变阻器呢？请说明设计意图。

生2：选择碳棒。因为灯泡的亮度变化明显，而且碳的价格便宜。

生3：我不同意生2的说法，因为碳棒加长容易断裂。

生4：选择镍铬合金丝。因为镍铬合金丝具有一定的延展性，柔韧性也比较好。当改变接入电路的有效长度时，灯泡的亮度变化明显。

师：还有没有办法让灯泡变得更暗呢？

生5：用更长的镍铬合金丝。

师：镍铬合金丝太长有什么弊端呢？有没有办法可以解决这个弊端？

生6：携带不方便，可以缠绕起来。

师（呈示纸筒、铜管、塑料管、陶瓷筒）：如果要把很长的镍铬合金丝塞入这个小巧的电位器，必定是要缠绕的，那么应缠绕在哪里合适呢？

生7：铜管会导电所以排除，其他三种材料都不导电，纸筒容易弯折，塑料筒和陶瓷筒都可以。

师：大家都很聪明！陶瓷比塑料更耐热，所以更好一些，今天老师给大家带来了塑料管，让我们一起来完成缠绕吧！

学生活动：将一根较长的镍铬合金丝缠绕到塑料管上，用胶布固定（见图4），连入电路中调节灯泡亮暗，检验是否可用。学生汇报并展示活动成果，不同小组的缠绕疏密程度不同。

师：是疏的好还是密的好？

生8：密的好，密一点可以卷更长的镍铬合金丝。

生9：不能太密，因为会碰到一起从而造成短路。

师：手工缠绕往往比较粗糙。（展示工厂制作缠绕好的镍铬合金丝，如图5所示）有没有办法既能缠绕得紧密又不会短路？

生10：包上绝缘层，比如橡胶（见图6）。

教师肯定学生的回答，并介绍漆包合金丝（见图7），采用涂上绝缘漆的方法既能绝缘又不明显增加厚度。（展示工厂制作缠绕好的镍铬合金丝并且固定两端形成两个接线柱，如图8所示）

师：如果把这个装置接入电路应该如何改变电阻呢？（教师演示鳄鱼夹无法夹住）你们有没有发现什么问题？

生11：鳄鱼夹无法夹住上方的镍铬合金丝，而且镍铬合金丝的外面有绝缘漆无法导电。

师：为了能够连接电阻丝应该将鳄鱼夹换成什么装置呢？如何使其与金属丝接通呢？

生12：可以用一个类似滑片的装置，将滑片与电阻丝接触部分的漆除去。

教师展示滑片并将鳄鱼夹夹在滑片上（见图9）。

师：变阻器已经初步成型了，这样接入电路使用方便吗？你会如何改进？

通过展示拍摄电影时用滑轨保持稳定，最终引出轨道的设计。教师展示并组装成型（见图10），利用金属杆作为滑杆可以当成导线，兩端便是两个接线柱，鳄鱼夹可以夹在两端的接线柱上。

通过一系列问题的设置，开展师生互动和生生互动，进行有效的交流和讨论，中间穿插实验和技术相关的内容指导，让学生从技术层面一步一步完成滑动变阻器模型的构建，体验科学与技术的融合和工程设计的乐趣。

（四）探究实际应用，体验技术改进

学生在课堂上建立的模型比较简陋，但其原理、功能、主要结构和使用方法等与实验室的滑动变阻器是一样的。为了让学生体会到仪器的发展历程渗透文化传承，体验技术创新是一个不断完善构造、不断发展的过程，丰富学生的情感体验，教师展示了实验室的滑动变阻器。学生分组观察滑动变阻器，了解滑动变阻器的铭牌。通过简易模型的构建，学生对相关知识有了很好的联结和掌握，所以探究滑动变阻器的使用过程就变得简单了。教学中教师采用表格的方式给学生设定探究的环节和方向（见表2）。学生自主探究得出结论，并归纳滑动变阻器的使用方法和技巧，掌握滑动变阻器的工作原理。教师将装置接入电路中，灯亮的位置便是电流通过的路径，展示滑动变阻器上有效长度的位置（见图11），让学生体会技术改进后的变化。通过前期模型的构建和后期的实验探究，学生突破了滑动变阻器的使用难点，并成为一个小小设计师，获得了成就感。

（五）揭秘“暗箱”，实现技术升华

教师现场拆解一个电位器，展示并画出实物图和结构示意图（见图12）。通过观察，发现电位器在旋转时确实是改变了电阻的有效长度，但改变的不是合金丝的电阻而是碳膜的电阻，旋转的过程是触片在碳膜上滑动来改变有效长度。材料的选择是由实际的应用场景所决定的。再结合电位器的连接方式将其和滑动变阻器进行比较，发现两者有着异曲同工之妙。显然电位器也是一个滑动变阻器，只是形状和材质还有使用场景有所不同。这样就揭开了电位器的神秘面纱，使学生豁然开朗。

教师接着展示一个完整的电位器（见图13），其旋钮的下方有一个表盘可以显示电阻的大小。当旋转旋钮时电阻的大小可以通过表盘读出。电位器为什么能实现电阻大小的精确变化？实验室里的滑动变阻器也能实现吗？教师提示学生可借助公式[R=ρL/S]推导和思考。这样，融合了数学的计算，实现了技术的升华。

（六）科学来源于生活、应用于生活

在生活中也有不同形状和用途的变阻器。随着科技的发展，人们发现不同的材料（如半导体）可以通过光、声音、压力、磁场等外界因素的变化来改变电阻。比如光敏电阻应用于感光的环境中（如光控开关）、磁敏电阻应用于电磁继电器中、声敏电阻应用于声控开关、力敏电阻应用于体重秤等。科学来源于生活、应用于生活。从生活中来，到生活中去，是我们学习科学的最终目的。

三、教学实践反思和可行性分析

在本节课的教学中，教师深度研读教材，挖掘生活中的相关工程技术素材，以电位器作为“暗箱”引入，以揭秘电位器的工作原理作为动力要素；基于STEM视角，以问题链为驱动，将重点落在滑动变阻器的设计上，并且结合应用构造式教学，进行融合科学、技术、工程的教学设计；运用STEM教学，使学生能在构建变阻器模型的过程中提高工程设计能力和数学思维，提升创新能力。最后通过“暗箱”揭秘让知识和生活高度融合。STEM教学让科学照进现实，使学生在学习过程中了解滑动变阻器的使用，对滑动变阻器有新的认识，使知识得以升华。

STEM教育最大的驱动力在于科学知识中存在工程技术素材，且这些素材在现实生活中的应用比较广泛，能够让学生有亲身体验的机会。教师要深度挖掘教学素材并结合教学素材设计出与生活 、实践 、工程技术相融合的课堂教学，激活学生学习科学的兴趣，发挥学生的主观能动性。

STEM教育不是科学、技术、工程和数学的简单组合，而是将4门学科相互贯穿和融合。相对初中科学而言，物理部分更适合于进行STEM教学，比如滑动变阻器［3］、磁场、电磁继电器、光的反射、光的折射、平面镜成像、凸透镜成像、电路分析和应用、大气压强、浮力等。这些内容更适合进行STEM教学的原因有以下几点：第一，可以从生活中找到相应的现象或者应用场景，所需材料比较容易获取；第二，可以在课堂中模拟场景并进行探究实验，使所学知识和工程技术相融合；第三，可以通过设计环节和评价标准，让学生通过探究获得结论并总结规律，加深学生对技术工程设计与开发过程的理解，让学生了解设计的初衷是为了人类的发展，有益于人类。为了让科学教学立足于培养学生的科学素养，教师应基于STEM视角进行教学设计和实践，引导学生了解工程技术的开发和设计应用。

［   参   考   文   献   ］

［1］  丁杰，蔡苏，江丰光，等.科学、技术、工程与数学教育创新与跨学科研究：第二届STEM 国际教育大会述评［J］.开放教育研究，2013（2）：41-48．

［2］  龙玫，赵中建.美国国家竞争力：STEM教育的贡献［J］.现代大学教育，2015（2）：41-49，112．

［3］  朱清时.义务教育教科书科学教学参考书八年级上册［M］.杭州：浙江教育出版社，2014.