在综合实践活动课堂中整合工程与科学

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  2017年10月,教育部印发了《中小学综合实践活动课程指导纲要》,首次提出了“创意物化”,这一目标将“设计制作”作为综合实践活动的重要活动形式。在设计制作类的综合实践活动课程中,学生要在一项任务上获得成功的体验,需要的不仅仅是教师为学生提供实践的机会,更是要让他们学会思考“下一次我们应该如何去做”,而工程设计过程给学生提供了下一次的机会。科学探索的目的是利用证据来解释自然界和人类世界,将工程设计和科学探索整合在课堂中,不仅可以增加学生与自然环境、学生与社会环境之间的相关性,而且可以给学生创造更多的机会去测试自己的想法,并学会如何完善自己的想法。
  下面,笔者结合一个基于STEM教学模式的综合实践活动案例“太阳能小车设计与制作”,谈一谈如何在课堂中整合工程与科学。
  一、以工程设计流程设计项目活动
  工程学主要是解决现实世界中的问题,它可以为学生提供一个解释、应用概念的良好背景,但是在现实中,学生自己很难将工程设计与科学知识进行链接。基于项目的STEM学习可以为学生提供更多的解决真实问题的机会,教师运用工程设计流程整合教学活动,让学生通过设计制作具体的项目,理解其中所包含的科学知识,并逐步建构到自己的知识体系之中。
  “太阳能小车设计与制作”项目从节能环保线索入手,整合考查探究活动(太阳能汽车发展现状调查及推广)、信息技术活动(开源硬件、程序设计)、劳动技术活动(智能大脑、电子电路、创意设计与制作)等多个领域,并融合物理力学、电学等相关学科知识,尝试将STEM教育中的科学、技术、工程、数学融入到设计制作一辆具有充放电功能的太阳能小车活动中。在项目开始之初,学生需要考虑“太阳能汽车目前存在哪些实际问题?为什么要做太阳能小车?太阳能小车的功能是什么?选择什么样外形结构?”在提出一系列实际问题之后,学生会明确太阳能小车需要实现哪些功能,需要准备哪些材料,需要做成一个什么样子;接下来就是怎样制作这个太阳能小车?在完成了模型搭建与初步测试之后,开始考虑还有哪些部件可以进一步提高太阳能小车的供电能力?如何实现控制?通过在不同光照环境下测试验证太阳能小车的实际工作效果,不断修改完善最初的设计方案。
  在每个教学环节中,教师都会让学生在明确结果相伴的情况下,将注意集中于方案的设计、内容的探究、问题解决和结果沟通。尽可能地让学生自主参与决策和问题解决的全部过程,而非按照教师既定的实验步骤完成。整个项目活动,学生以小组形式开展,包括自我学习、师生讨论、组间合作等形式。每个成员从始至终都要掌握项目所包含的学习目标以及小组希望自己达成的目标。学生在探究完成任务所需知识与技能的过程中,不断与同伴沟通自己的观点、思考的问题和观察的结果,寻找最佳方案,最终通过动手实践、分工合作完成太阳能小车的研制。
  二、理解工程中实际问题的重要性
  在“太阳能小车设计与制作”项目活动中,学生要尽可能利用廉价的材料设计太阳能小车,选择材料,计算小车成本,并识别电路中的安全隐患。
  在活动初期,教师会提供给学生不同工作电流的直流电机、不同类型的齿轮、不同长短的车轴、不同尺寸的废旧光盘、不同尺寸的太阳能板、不同类型的孔条等材料,学生也可以使用自己收集的材料作为太阳能小车的配件。
  在这一环节中,学生拿到几种不同的材料,从中选择可以完成搭建太阳能小车车体结构任务的材料。如,一组学生需要利用卡纸、扁平的孔条、细轴、齿轮等材料,他们需要描述选择这些材料的原因及如何恰当地使用这些材料。这个环节的活动可以帮助学生识别技术中使用的材料,并了解其加工的简单方法,这是工程设计中一个重要的方面。
  这个阶段课堂是相对比较开放的,教师要时刻关注各小组的进展情况,确保所有的学生都投入到这个学习任务中,并提醒他们在选择材料时需要注意的一些问题,同时也可以为学生提供一些具有引导性思考的问题。例如:太阳能转换的效率?小车速度与齿轮减速比的关系?常用的太阳能小车电机?摩擦力对小车行进的影响?如何确保电路中不出现短路问题?这些问题可以帮助学生进一步明确自己所选材料的性质和特点,还有各种部件之间的相互关系,理解在技术中恰当使用材料的重要性。在设计制作类的综合实践活动课程中,动手制作是解决问题必经的途径,实际原型的建模形成了设计思想与现实世界之间切实可行的联系,将学生的学习与抽象的科学概念连接起来。
  三、运用实验活动开展探究
  实验活动在设计制作类的综合实践活动课堂中占据着重要的地位,特别是在基于STEM的项目学习中,它们可以引领学生去了解、应用科学概念。课程的初期阶段,教师可以设计一些科学实验活动,让学生通过研究某几个变量之间的因果关系去探索一个概念的知识,一旦学生能够正确地理解变量对实验环境的重要影响,教师就可以开始安排学生进行工程实验活动,让学生可以在工程实验活动中应用自己前一阶段了解到的科学知识。
  例如:在设计太阳能小车能源与驱动方式时,教师会提供给学生不同尺寸的太阳能板、不同容量的超级电容、不同电压的充电锂电池。有的学生选择扩展太阳能板,有的学生选择添加超级电容,还有的学生会选择扩展一块太阳能板,同时再添加一块充电电池。通过测试来验证先前提出的假设是否正确,当学生确定了直接将超级电容或充电电池并联电路中,不能提高太阳能小车的供电能力这一结论后。教师安排学生进行更大范围的讨论,在不断的沟通交流中,发现电容或是充电电池需要进行充放电控制才能实现提高电路工作电流的作用。学生可以在教师的指导下运用开关模块完成充放电电路的搭建,并验证效果。在结束这一环节活动之前,教师还必须引导学生讨论探究过程中的一些重要问题,包括太阳能板的尺寸、电容的容量、电池的电压对充放电时间的影响等内容。
  理解科学实验的本质对当今的教育是非常重要的,但在实际中学生往往容易倾向使用工程实验活动,太阳能小车项目活动中涉及高中物理力学、电学等知识,教师需要按“最近发展区”的要求,为学生建立起最基本的概念框架,并有意识设计一些可以反映科学本质的实验活动,帮助学生从对实验结果的感性认识上升到对科学知识的理性理解,并将理解的科学知识再应用到实际的工程项目中,真正做到教学走在发展前面。
  四、利用循环模型寻找最佳设计方案
  在基于真实问题解决的STEM项目中,教师可以利用一种循环模型帮助学生去解决一些复杂的问题。首先引导学生定义一个问题,并描述问题的具体要求,然后确定其解决问题的方案,随后再重新定义问题。通过反复研究,不断将研究的范围缩小,直至接近最佳的解决方案。
  例如:在太阳能小车智能充放电控制的活动中,学生发现通过手动控制太阳能小车的充放电过程,很难实现最佳的充电时间及行进距离,需要一种新的方式来精确控制充放电的时间。学生尝试将智能模块接入电路,通过测试后发现,不同的太阳能小車电机启动的工作电流都不相同,需要通过编写程序设定开关阈值才能有效地解决问题。
  在第一次循环中,学生通过不断地计算、修改、测试,确定出哪个阈值更适合于驱动太阳能小车电机工作,每一次测试都会让驱动的数值更进一步地逼近最佳结果。这一过程就需要学生将自己对物理电量公式的理解运用到实际的问题解决当中,会引起很多学生学习观念的转变,激发出他们学习物理的兴趣,但是这个循环并未在此终止。
  为了找到最佳的问题解决方案,每组学生在结束第一次循环时要对自己提出这样的疑问:“我们的解决方案是最佳吗?是否还可以串联两个超级电容,再节省一些充电时间?这个方案又会带来什么新的问题?原有的并联电路如何调整?”学生可以选择一个新的问题再一次开始寻找答案,而第二次循环可能还会引出第三次探究,“何种型号的太阳能板充电效率最高?”经过多次反复之后,学生极可能会研发出具有独创性的解决方案。
  太阳能小车设计与制作活动以工程设计为基石,融合物理、电子、信息技术等学科知识,整个学习过程不仅是制作过程,而且包含了许多的科学技术素养。在设计制作类的综合实践活动课堂中整合工程与科学,能够让学生体验到更广泛的科学、技术、工程、数学技能,强化学生对科学概念的理解,提高应用科学概念解决实际问题的能力。
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