2023年学讲背景下的STEM活动设计模式探究.docx

学讲背景下的STEM活动设计模式探究 兰颖 【】全市中小学在课堂教学中实施“学进去，讲出来〞的教学方式（简称“学讲方式〞）已有四年，在这几年里，学讲方式已经深入融合到各个学科的教学中。但是在STEM教学中如何融合学讲方式，使学生学习更主动、有趣、活泼，使STEM教学活动更有目的性、针对性、实效性，使教师的教和学生的学变得更有成效、更具教育和生活的意义，是教师重点研究的课题。本文基于学讲方式的STEM课程教学模式展开探究，通过聚焦问题、提出任务、分解任务、建立模型、编程设计、优化设计、反思缺乏六个步骤，进一步将学讲方式融入STEM教育的教学实践中。 【关键词】STEM工程;活动设计;教学实践 【基金工程】本文系徐州市第十二期教研课题“创客教育背景下高中arduino校本课程的开发与实践研究〞（课题编号：徐教研KT12088）的研究成果。 一、STEM活动问题的提出 STEM項目主要是基于真实情境，针对现实生活、学习中出现的问题，设计解决方案，从而解决问题，这种基于真实问题的情境创设，不仅能提高学生解决问题的兴趣，还能让学生将所学知识真正应用于实践，解决现实中遇到的问题，一举两得。比方，校本课程“物联创新设计〞，基于住校生无法在下雨天及时返回宿舍收拾晾晒衣物的真实情境，思考能不能设计制作一款下雨天能够自动关窗收衣服、天气晴时能够自动开窗晾衣服的智能窗户和晾衣架，学生为此展开探究并设计方案，具体流程图如图1所示。 二、小组讨论探究，确定工程方案，确认合作分工 （1）制订工程方案：以小组为单位，集中讨论探究工程方案，每个小组确定方案后，通过展示交流，确定方案的可行性。 （2）分析、确定要素：通过小组讨论，分析工程各功能所需要的要素。 比方，能够根据天气情况（温度、湿度、污染情况等）自动开窗晾晒衣服，自动回收衣服并关窗。这个功能所需要的要素包括结构体和控制电路，而控制电路又包括硬件连接和软件编程设计。 （3）合作分工：确定组长及各组员的分工、任务等。 比方，小组长负责统筹协调工程设计及实施的过程进度，对工程过程进行记录和总结;组员1负责数学测量与计算（计算、测量窗户及支架的尺寸等）、3D设计与打印;组员2负责电路设计及mixly编程设计;组员3负责结构体设计与制作。 （4）准备活动：针对工程所需知识结构，提前做好知识储藏学习工作，并完成一些与工程相关的实践类体验活动。 比方，在智能晾衣架工程中，学生可以完成以下体验活动。 第一，利用PM2.5传感器和液晶屏，读取不同天气状态下，户外、户内PM2.5的值。 第二，利用湿度传感器、光线传感器读取晴天、阴天、下雨天的湿度值和光照值，并显示在液晶屏上。 充足的准备活动，一方面可以提高学生可视化编程的能力;另一方面可以让学生通过实验观察和调查研究，为工程实施提供准确、可靠的数据保障。 整个过程都是在小组讨论、集体探究的气氛中完成的，每个小组设计出自己的方案和要素，并安排自己的准备活动，这充分表达了学生学习的自主性和积极性，也培养了学生的合作能力。 三、设计与制作：设计方案或作品草图，进行具体的制作 1.结构的设计与制作 （1）学生通过自主学习，对生活中的实物或已有作品进行调查研究，寻找结构设计的思路和着手点。 （2）小组讨论结构的构成，测量尺寸，设计缩放比例等。 （3）针对结构设计的难点展开讨论探究。 （4）选择适宜的素材实施工程制作。 比方，在制作伸缩晾衣架案例中，晾衣架可以采用嵌套伸缩式（见图2）或折叠伸缩式（见图3），小组需要结合所选素材和实现功能确定晾衣架的结构并进行制作。 在结构的设计阶段，学生可先自主观察或自主学习，然后通过小组讨论共同形成制作方案，随后分工合作完成结构设计与制作。这不仅锻炼了学生观察思考和合作探究的能力，还让学生感受到工程学中，从制订方案到实施方案，不断测试优化的系统性，既调动了学生的学习积极性，又能让学生综合多学科知识来解决现实问题。 2.硬件电路设计及软件编程设计 （1）按照方案设计的功能，每个小组根据自己的需求选择适宜的硬件、编制适宜的程序。 （2）硬件电路设计：①绘制电路连接图，确认所需设备;②每个小组选取自己需要的硬件，并与主控板连接;③学生分析活动体验工程时得到的数据，确认相关判断条件，如伸缩晾衣架工程中下雨时的湿度值、空气污染时的PM2.5值、晴天时的光照值等。 设计意图：在准备活动时，学生记录了这些数据用于准确给出判断条件，意识到数字的精确性和科学的严谨性，不能有半点虚假和模糊。 （3）软件编程设计：选择适宜的软件展开编程设计，如arduino IDE， mixly， xding等。 四、测试与优化 1.组合结构件及电路硬件 每个小组将下载好程序的控制器、传感器、执行器固定在结构体上，并探讨解决遇到的难点问题。 2.测试工程功能实现的效果，并优化程序代码 在整个设计与制作、测试与优化阶段，每个小组都在合作交流中设计制作自己的作品，遇到问题小组讨论解决或求助于其他小组，充分调动了学生的自主性，培养了学生的合作探究能力。同时这个阶段又以工程工程任务自然卷入了其他科学、技术和数学学科的学习。 五、展示与评价 （1）每个小组制订自己的评价标准，再将标准统一汇总成评价方案，如表1所示。 （2）每个小组展示汇报自己的作品，汇报方式可以多样化，但要包括以下几个方面：①工程设计方案;②结构设计制作介绍及问题解决方法;③功能展示及解说;④S（科学）、T（技术）、E（工程）、M（数学）的融合方面;⑤改良优化策略及反思;⑥小组分工合作情况。 （3）每组根据评价标准进行自评和他评。 （5）根据评价结果选出最正确作品组。 六、拓展与应用 学生要将作品应用于实践并根据实际情况拓展其功能和结构，以到达更加完善的效果。 该活动教学模式在教学实践中的应用，不仅完成了预设的活动目标，还充分表达了STEM教育理念;不仅呈现了如何使学生参与工程、探索完成任务、分享解释自己的解决方案、评估并进一步完善解决方案的微观过程，还呈现了学生自主学习、小组合作学习、质疑探究、测试优化、展示交流的学讲过程，使学生在充分发挥学习主动性的同时，养成自主学习的习惯，营造了小组合作的气氛。同时，在STEM的领域中，学生将科学、技术、工程、数学知识紧密融合，解决问题，培养了自己解决问题的能力，提高了思维能力。 【参考文献】 元永，宋国良.关于STEM教育理念的科学实践活动探究[J].科技经济导刊，2023，28（16）：158. 孙俊梅. STEM理念下小学信息技术课程工程式学习设计研究——以小学3D建模活动“现代机关大师〞为例[J].中国信息技术教育，2023（11）：47-49.