從《我的LED》探STEM理念

1、.從我的LED探STEM理念-科學(xué)論文從我的LED探STEM理念 袁洋STEM教育綜合了科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)等學(xué)科，具有跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的特點，以及學(xué)習(xí)情境的生活性和真實性的特征。將STEM教育引入中小學(xué)科學(xué)課堂的有效策略就是融合：基于一個真實的項目主題，將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)形成一種相互支撐、相互補充、共同發(fā)展的關(guān)系，在不同學(xué)科和領(lǐng)域的碰撞、交互中，幫助學(xué)生實現(xiàn)深層次、理解性的學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)兒童各個方面的技能和知識。那么，圍繞什么樣的項目主題，以及衍生出什么樣的教學(xué)設(shè)計才能體現(xiàn)STEM教育理念呢？在中國科協(xié)“做中學(xué)”科學(xué)教育改革實驗項目教學(xué)中心（東南大學(xué)）和玄武區(qū)科學(xué)教研組的指導(dǎo)下，在蘇教

2、版科學(xué)五年級上冊第三單元簡單電路的基礎(chǔ)上，我進行了STEM課程的改編，形成了LED項目，現(xiàn)就項目中的一節(jié)試水課我的LED，來探討STEM理念。一、教學(xué)設(shè)計本課以發(fā)光二極管( LED)為主題，從科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)的角度對LED的電路特性進行研究和應(yīng)用。從課程內(nèi)容的角度來說，LED的電路特性與小燈泡差異較大，需要分解出合適的教學(xué)活動作為腳手架，支撐整體項目研究；從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度來看，學(xué)生雖然沒有接觸過LED這種電子元件，但是對其在電路中的特性和應(yīng)用的掌握，可以參照已經(jīng)完成了的簡單電路中的學(xué)習(xí)。于是，圍繞本課主題，我制定了4個領(lǐng)域具體且有針對性的教學(xué)目標和教學(xué)流程圖（圖1）：S（科學(xué)）：知道LE

3、D的特性（單向?qū)щ娦裕徽J識電路中LED與小燈泡在電路中的區(qū)別；鞏固對閉合回路的認識。T（技術(shù)）：能用簡單的方法連接多個LED的并聯(lián)電路，完成作品，在制作過程中考慮元件之間連接的技術(shù)問題。E（工程）：能夠設(shè)計并聯(lián)電路，完成讓LED電路板亮起來的項目作品。M（數(shù)學(xué)）：能夠計算電路所需耗材。二、教學(xué)過程1導(dǎo)入：生活情境代入，聚焦研究對象開設(shè)公開課時，正值圣誕節(jié)臨近。我選取了一些LED燈裝飾的圣誕樹圖片，還原節(jié)日氣氛，將學(xué)生引入生活情境，聚焦本課的研究對象-LED。對新的對象如何去研究？我調(diào)用學(xué)生在簡單電路單元學(xué)習(xí)時獲得的已有經(jīng)驗和方法。“最近我們這個單元學(xué)了什么？”“在簡單電路中，你做過什么有成就

4、感的研究？你是怎么做的？”這些引導(dǎo)性問題，一方面可以幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)的起點，增添信心和興趣；另一方面，為學(xué)生在后續(xù)任務(wù)中，對LED和小燈泡間的差異而產(chǎn)生的認知沖突做鋪墊，激發(fā)學(xué)生思維，解決新問題。在實踐前，學(xué)生已經(jīng)通過簡單電路的學(xué)習(xí)，獲得電路的基本知識和技能。學(xué)生表示，不僅能讓1個小燈泡亮起來，還能設(shè)計電路讓2個甚至3個小燈泡同時亮起來。因此，學(xué)生對LED的研究表現(xiàn)出很強的興趣和信心。2任務(wù)一：點亮一個LED我給各組發(fā)放了1只LED讓學(xué)生充分觀察，聚焦LED的結(jié)構(gòu)。與之前學(xué)習(xí)的小燈泡做類比，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)LED上面的部分和燈泡很類似，下面卻有兩個金屬絲，一長一短?！安乱徊?，這兩根金屬絲是做什么

5、用的呢？”不少學(xué)生能夠預(yù)測LED的金屬絲是引腳，用來接人電路。教學(xué)過程自然過渡到第一個小任務(wù)?！叭绻@兩根金屬絲是用來連接電路的，老師給各個小組發(fā)1個紐扣電池，你試試能不能讓這個LED亮起來？”學(xué)生在動手實踐中發(fā)現(xiàn)LED在電路中的單向性特點。因為選擇的隨機性，學(xué)生動手實踐時，全班出現(xiàn)了兩種結(jié)果。當(dāng)LED的長腳接觸電池正極，短腳接觸電池負極時，LED會亮，反之，LED不亮（圖2）。LED與以前學(xué)習(xí)的小燈泡的電路特性完全不同，使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程始終處在“產(chǎn)生沖突、解決沖突”的過程中。新問題的不斷產(chǎn)生，刺激學(xué)生持續(xù)思考。借助微視頻的動畫演示，學(xué)生能夠進一步明確LED電路符號的意義，以及在電路回路中的單

6、向性意義。3任務(wù)二：點亮兩個LED“老師再給你1個LED，還是剛才的那1節(jié)電池，你能讓它們在電路中一起亮起來嗎？”根據(jù)簡單電路的已有知識，學(xué)生很快討論出兩種電路連接方式：串聯(lián)和并聯(lián)。根據(jù)學(xué)生的討論順序，我展示已畫好的兩種電路圖，讓學(xué)生確認是串聯(lián)還是并聯(lián)。在學(xué)生明確兩種電路連接方式后，我發(fā)放了導(dǎo)線和LED，由各小組自由選擇串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接完整的回路，嘗試完成任務(wù)。學(xué)生在動手做時，我發(fā)現(xiàn)利用導(dǎo)線連接一個閉合回路對學(xué)生的技術(shù)提出了考驗。一些小組無意間把連接LED正負極的導(dǎo)線觸碰到，導(dǎo)致對應(yīng)的LED燈短路，出現(xiàn)了僅有1個LED燈亮的情況，或者兩個燈都不亮的情況。這個技術(shù)問題，我在全班交流時進行了

7、討論和強調(diào)。經(jīng)過調(diào)整，原先選擇串聯(lián)的小組，由于因為部分短路出現(xiàn)的僅有1個LED燈亮的情況變成了沒有1個LED亮；原先選擇并聯(lián)的小組，由于短路出現(xiàn)的沒有LED燈亮的情況變成了2個LED亮。這樣，全班發(fā)現(xiàn)，在用1個紐扣電池作為電源的情況下，正確連接電路的各個元器件，只有并聯(lián)的方式才能成功點亮2個LED（圖3）。4成品制作：創(chuàng)作LED燈牌，解決實際問題“如果還是1個電池，再增加LED的數(shù)量，你會用什么辦法讓它們一起亮起來？”根據(jù)任務(wù)二的結(jié)論，學(xué)生都選擇并聯(lián)的方式。我提出“工程師們用很多LED裝飾了圣誕樹，你想不想試試用多個LED也做出一個作品來？”這個問題又回歸到本節(jié)課導(dǎo)入環(huán)節(jié)的真實情境中?！靶〗M討

8、論一下，你準備用什么樣的方式，把多個LED的正負極，以并聯(lián)的方式接入電路中呢？”學(xué)生提出了兩種方案：一是每個LED燈的正負極各連l根導(dǎo)線（導(dǎo)線數(shù)量需要計算），將每根導(dǎo)線分別連接對應(yīng)電池的正負極；二是需要2根銅線，每根銅線分別連接所有I。ED的正極或者負極，再將這2根銅線分別連向電池的正負極。學(xué)生根據(jù)各個小組方案自由選擇，我提供了導(dǎo)線、銅線、6個LED燈以及背面有圖案的電路板給各個小組（圖4）。在完成作品過程中，有個別小組首先選擇了導(dǎo)線，連接了一部分后向我提出更換為銅線，也有小組把銅線換成了導(dǎo)線。學(xué)生進行策略轉(zhuǎn)化的背后，證明他們在動手做的時候，已經(jīng)意識到用銅線連接，優(yōu)點在哪里，問題在哪里；用導(dǎo)線

9、連接，優(yōu)點在哪里，問題在哪里。最終，使用銅線的小組率先用6個LED燈將圖案的一部分點亮（圖5）。5深化和延續(xù)：手工電路與工程電路板制作結(jié)束后，我從兩種布線方法中各選擇一組，進行全班展示和對比，不僅對比了作品的圖案設(shè)計，還引導(dǎo)學(xué)生重點觀察、比較電路板背面的布線情況，將兩種連接方法暴露在全班面前?！皩Ρ攘诉@兩個作品的正面和背面，你們覺得哪種布線方式更好，好在哪里？”學(xué)生提出了用導(dǎo)線的方法使得電路板不那么雜亂、復(fù)雜，但使用了較多的材料，比較浪費，有絕緣層比較安全；用銅線的方法使電路板簡潔方便，但是不太安全。于是，我將工程上的印刷電路板圖片展示給學(xué)生，介紹了電焊和印刷電路板的技術(shù)方法，引導(dǎo)學(xué)生思考如何

10、在兩種手工繞線的基礎(chǔ)上，趨利避害，形成更好的解決方案。從學(xué)生手工繞線的電路板到印刷電路板，就是一個工程設(shè)計的問題。學(xué)生經(jīng)歷了設(shè)計和制作電路的過程，才能理解工程電路板是基于電路設(shè)計的需求，以簡潔、節(jié)省和安全的方式實現(xiàn)需求。三、項目整體與提升這節(jié)課，學(xué)生能夠成功完成一個又一個梯度上升的環(huán)節(jié)和任務(wù)，直到最后完成LED電路板的設(shè)計制作。究其根本，離不開學(xué)生在電路學(xué)習(xí)中獲得的知識、技能。學(xué)生學(xué)習(xí)本課的前概念來自于在簡單電路單元已經(jīng)習(xí)得的電路的基礎(chǔ)知識和電路連接的基本技術(shù)。學(xué)生把在簡單電路學(xué)習(xí)中，由個別元器件到完整回路的過程，遷移到了對LED這個電子元件的研究中。因此，我的LED-課僅僅只是STEM項目中

11、的一部分，加上前期的知識構(gòu)架、技能準備以及后期的項目延伸和拓展，才共同構(gòu)成一個完整的STEM課程序列。LED項目的整體課程構(gòu)架可以進行如下設(shè)計：在這樣的課程架構(gòu)下，從STEM角度，學(xué)生在這個完整的項目中究竟獲得了怎樣的提升？1S（科學(xué)）LED項目中，學(xué)生除了能掌握簡單電路的基本知識外，更為重要的是，能認識到LED與小黽珠的電路特性不同，電路設(shè)計方案也不相同。在對比中，學(xué)生能理解電子元件的特性決定電路設(shè)計。用小電珠和LED來進行電路課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，能夠幫助學(xué)生更好地理解電學(xué)。2.T（技術(shù)）將正確的電路設(shè)計轉(zhuǎn)化為真實的電路，這就是技術(shù)問題。一方面，LED的單向?qū)щ娦詫W(xué)生的電路連接技術(shù)提出了考驗，

12、學(xué)生在理解電路的基礎(chǔ)上，還需要準確將電子元件連接起來，真實地還原電路；另一方面，學(xué)生在連接電路時，還需要解決諸如短路、接觸不良等技術(shù)故障。這些都對學(xué)生的技術(shù)訓(xùn)練提供了鍛煉平臺。3E（工程）在這個項目中，學(xué)生的終極任務(wù)是：根據(jù)電路板設(shè)計圖案布置線路走向，并完成LED燈牌產(chǎn)品。這是一個完整的工程設(shè)計和制作的過程。學(xué)生經(jīng)歷這個過程，才能把自己的手工產(chǎn)品和工程上應(yīng)用的印刷電路板建立聯(lián)系，才能理解工程學(xué)中，從明確問題到制定方案、產(chǎn)品測試和優(yōu)化改進的系統(tǒng)性步驟。4.M（數(shù)學(xué)）從1個LED到2個LED再到6個LED，甚至更多，數(shù)學(xué)作為輔助工具，讓學(xué)生意識到，若選用導(dǎo)線的方法來連接電路，LED數(shù)量的增多帶來導(dǎo)

13、線數(shù)量的倍增，這對學(xué)生站在工程學(xué)的角度來考慮耗材和成本提供了數(shù)據(jù)支持。四、總結(jié)STEM課程的特征是基于真實情境，解決實際的問題，最終通過具象化的產(chǎn)品或者設(shè)計呈現(xiàn)學(xué)生在這個過程中的提升。盡管在教學(xué)實踐中，我完成了預(yù)設(shè)的教學(xué)目標，但通過對學(xué)生在課堂中的表現(xiàn)和操作中的觀察，我發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實踐STEM項目時依然存在困難。1動手能力不足，產(chǎn)品完成度不高。在完成最后的創(chuàng)意LED作品的環(huán)節(jié)，選擇同一種繞線方法的小組最后的作品完成度參差不齊，這說明小學(xué)科學(xué)課程中對學(xué)生工程技術(shù)素養(yǎng)關(guān)注不夠。因此，我們需要開發(fā)并開展更多的STEM課程，給學(xué)生提供更多的鍛煉機會和平臺，引導(dǎo)他們解決實際問題。2解決復(fù)雜問題的能力不足。例如，有些小組在完成最后的作品時，雖然線路連接正確，但LED不亮。部