在翻轉課堂中滲透STEM教育
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摘要：本文以《力的作用是相互的》一課為例，以微課程教學法為依托，以微項目學習“設計動力船”為抓手，探索在翻轉課堂中滲透STEM教育的途徑，對發展學生創新能力、拓寬教師從事學習設計的思路，都具有積極意義。
關鍵詞：微課程教學法;翻轉課堂;STEM
中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2019）10-0055-05
翻轉課堂、微課程教學法、STEM教育
翻轉課堂又稱“顛倒課堂”，是一種以“學習知識主要在課外，內化知識、拓展能力主要在課堂”為基本結構的學習方式（或曰教學方式、教學模式、教學形態），其目的在于發展應對未來挑戰必備的核心素養，提升教學質量。
微課程教學法是蘇州電教館原任館長金陵先生提出并創建的，是從課程視域出發研究翻轉課堂之后的本土創新，是針對移動互聯環境下包含學生課前、課堂學習在內的單位課時教學活動的系統設計。
在微課程教學法系統設計中，教師需要在課前設計自主學習任務單（簡稱“任務單”）和開發配套學習視頻。
“任務單”要求根據課標和學情提出學生課前學習應該達成的目標，然后，根據達成目標設計學習任務。學習任務以問題的形式呈現，要求提出反映概念、原理（含定律）和方法等理解性的問題，而不是應用性的問題。再根據學習任務設計配套學習視頻，使學生在問題的引導下，通過觀看視頻，高質量地完成學習任務，為課堂學習中舉一反三地解決具體問題做好鋪墊。
在微課程教學法系統設計中，課堂學習的設計主要包含四個部分：
一是基礎檢測，目的是評價課前學習質量。檢測的范圍和難度相當于“任務單”，不僅能夠及時反饋學習情況，還有助于提高學生的學習成就感。
二是進階作業，要求根據“最近發展區”策略對新學知識作橫向拓展，以便達到新的認知高度。
三是協作探究，要求探究的主題來自真實情境，讓學生運用所學知識解決真實問題。
四是設計展示活動，通過陳述、質疑、闡釋深化對所學知識意義的理解。“學習金字塔”表明，展示不是“作秀”，而是高效的學習策略。[1]寫作探究和展示活動這兩個部分構成“微項目學習”，是內化知識的重要手段，并能有效拓展綜合能力，發展核心素養。
STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）四個單詞的英文首字母的組合，是跨學科整合的新型教學方式。其理念核心是促進多學科交叉融合，培養創新型人才。[2]
美國很早就提出STEM教育，不僅關注理論知識，還關注工程設計，其目的就是整合各領域的知識，解決真實世界中的實際工程技術問題。而物理學科與技術、工程本來就有著天然的聯系，物理教師理應嘗試STEM教育，從狹隘地關注學科本身轉向關注創新性人才培養。
在傳統課堂教學中，師生都將主要時間、主要精力放在新知識的學習上，對最為關鍵的知識應用，卻蜻蜓點水，一帶而過。教學的往往只提到知識在生活中有哪些應用，但具體怎樣應用，應用時還面臨什么困難，會遇到什么樣的技術、工程難題等，卻只字不提，導致學生所學與應用能力脫節，不利于學生的終身發展，不利于其走上社會之后的工作創新。
采用微課程教學法翻轉課堂之后，課前完成知識學習，課堂就有充足的時間鞏固和內化知識，應用知識解決生活中的實際問題，或者運用知識進行創新，設計具有實際意義的“小發明”等。這樣，就能在課堂中滲透STEM教育理念，或者進行完整的STEM教育。
研究課標、教材和學生，分析課堂STEM項目的可行性
《義務教育物理課程標準（2011版）》中對“力的作用是相互的”新課的要求是：認識力的作用是相互的，認識到施力物體同時也是受力物體。
蘇科版物理八年級的教材內容則是讓學生在學習了彈力、重力、摩擦力這三種具體的力以后，對它們共同性質之一（力的作用是相互的）展開研究。
這里涉及各種性質的力，課前，學生對生活中大部分種類的力已有正確的前概念，對于這一類知識的學習，只要教師設計到位，知識理解沒有特別的困難。
而對于部分力，如錘子釘釘子、拳擊手打倒對手、帶電體吸引紙屑等，不少學生的前概念認為錘子、拳擊手、帶電體不受力。這些宜安排在課堂進階過程中，通過教師設計真實情境，讓學生在實踐中形成認知沖突，在沖突中完成意義建構，是培養學生創新能力、完成知識內化的應有選擇。
《義務教育物理課程標準（2011版）》中還有一個重要的理念就是“從生活走向物理，從物理走向社會”，對于本節內容來說，就是運用“力的作用是相互的”原理設計生活中的具體應用，使學生體會技術創新的魅力。
教材中也安排了“讀一讀”，呈現一艘被困于冰面上可以移動的船，但沒有動力，所以船上的小明采用把船上部分物體使勁扔出去，然后形成的反作用力使船靠岸的故事引入火箭運動原理，激活學生運用所學知識解決實際問題的潛能，同時與高中學習接軌。
學生都玩過與力有關的玩具，其中有不少玩具是利用力的反作用運動原理的，所以，若課堂中讓學生用“力的作用是相互的”去設計一個動力玩具，他們一定情緒高漲，興趣盎然，能把知識與經驗結合起來，完成內化。
因此，我們在課堂教學中設計了一個動力船的STEM項目，并且讓學生自選動力源。之所以選擇船而不選小車或飛機，是考慮到船在水里的阻力小，因此學生可選的動力源就很多。同時，能夠讓學生感受到船的特點：相對于其他交通工具，船速度慢，耗能少，運載量多等。
船的制作材料選擇的是泡沫材料。原因在于，泡沫材料比較容易加工，容易讓學生發展設計的才能，以便貫穿工程思想，先設計再制作。
學生在設計外形時不僅要考慮美觀，還要考慮動力源、運載貨物等穩定性問題。這個過程，就是應用本課核心知識綜合解決實際問題的深度學習過程。 微課程教學法系統設計中的STEM項目設計
微課程教學法在行動研究中創造了一個促進高質量學習發生的系統設計流程。其基本方法是設計目標管理的用于課前學習的“任務單”，開發保證學生完成“任務單”給出的學習任務的配套學習視頻，以及設計用于內化知識的課堂學習任務單。
1.設計自主學習任務單
自主學習任務單簡稱“任務單”，是教師設計的以表單形式呈現的指導學生自主學習的方案，也是學生必須完成的學習任務的載體，包括學習指南、學習任務、困惑與建議三個子項。在學習指南中，又包含達成目標、學習方法建議，以及困惑與建議。
（1）設計達成目標
根據課標、教材及學生的知識基礎，我們設計如下達成目標：通過看視頻、閱讀教材、完成“任務單”學習任務，理解手壓筆尖、手拍桌子、手拉橡皮筋、掃帚掃地、磁體吸硬幣間力的作用的特點。
設計理由：首先，學生對這些力沒有形成明顯錯誤的前概念，只要喚醒學生心中正確的體驗，并加以歸納提煉，即可完成新知識的理解。其次，前三個力都是用手對物體施力，學生能運用手上的感受，體驗力的相互作用。最后，掃帚掃地、磁體吸引硬幣，這都是學生能在家里完成的探究過程，也是適合課前學習的。
?。?）設計學習任務
由于“任務單”是供學生課前學習所用，所以，學習任務設計須堅持問題導向原則。原因在于，理解性問題聚焦精準，所有學生面對問題時，都不會覺得學習無從下手。一個個問題能夠引導學生自己發現知識，體驗學習的成就感。同時，在思辨中理解新知識有助于學習達到舉一反三、明理通達的層次，有助于提升學生在課堂學習中發展解決實際問題的能力。
針對達成目標，我們設計了“手壓著鉛筆尖，你手指有什么感受？”“增加力量，又有什么感受？說明什么？”等學習任務，這樣的任務就是為達成目標而設計的，同時，學生容易操作，指令性強，而最終說明的問題就是需要學生達成的目標。
2.開發配套學習視頻
學習視頻之所以需要配套，是因為它是針對完成學習任務的需要而開發的，這是微課程教學法創造的需求導向的資源開發方法。
針對學習任務，我們設計的視頻中有五個實驗：
實驗一：用一個氣球對另一個氣球施壓，主動施力的氣球自己也扁了，讓學生看到直觀的形變。
實驗二：用手對筆尖施力，讓學生看到手主動施力時，手發生形變。這個實驗容易喚醒學生心中的體驗，手對筆尖施力越大，手越感到疼痛。而手對桌子、橡皮筋的作用，視頻中沒有涉及，原因是學生以前有正確的體驗，同時這些可以直接實驗。
實驗三：用運動的乒乓球去撞擊靜止的高爾夫球，發現高爾夫球動起來的同時乒乓球反彈了，通過運動狀態的改變體驗力的相互作用。
實驗四：兩個穿溜冰鞋的同學，一個同學去推另一個同學，看到兩人都后退了。像掃帚掃地、磁體吸引硬幣這些任務，視頻中沒有提供支撐，原因是學生在家里就能獨立完成探究得出結論。
實驗五：海底烏賊的運動，它是靠向后急速噴水，利用水的反作用力前進。這樣讓學生有更豐富的體驗、更深刻的理解，為課堂學習和STEM項目活動做好鋪墊。
3.設計課堂學習任務單
基于“任務單”+配套學習視頻的組合式學習，我們把課堂學習任務設計為四個環節。一是“測學力”。這是對學生課前學習質量的檢測，檢測的范圍和難度與“任務單”+配套學習視頻相當，因此，只要課前認真學習，都可以成功過關，體驗學習成就感。二是“辯論賽”。針對學生中可能存在的錯誤的前概念，創設情境，讓學生暴露錯誤，形成沖突，再在辨析、實驗中形成正確的認知的過程。三是“探項目”。這里，我們設計了一個STEM項目——設計、制作動力船?；顒訛閷W生提供泡沫材料、美工刀、尺子、風車、橡皮筋、氣球、礦泉水瓶子、吸管、膠帶，讓學生利用“力的作用是相互的”原理，設計并制作一艘動力船。四是“秀風采”，讓學生當堂展示“動力船”作品，用“力的作用是相互的”原理解釋設計思路，然后比同類型船的航程和速度，由學生評價得失。
由于動力船的動力源較多，我們將全班分為9組，3組為一個方陣，共有甲乙丙三個方陣。甲方陣提供的器材是氣球、泡沫材料、小刀、膠帶、吸管、繩子;乙方陣提供的器材是橡皮筋、風車、泡沫材料、小刀、膠帶;丙方陣提供的器材是礦泉水瓶、吸管、泡沫材料、小刀、膠帶。然后，根據給定的器材，開展小組協作，匯聚集體智慧，設計制作動力泡沫船。
最后，開展全班比賽，比賽規則是同一方陣即同一動力源進行比賽，比外形設計、船速度、船航程、船的穩定性。具體是讓一個學生介紹原理及設計的亮點，另一個操作展示，同時給他們設置了障礙，每個小組都沒有水缸，只有展示時，講臺上提供水缸，這樣學生在制作船時，就一定要考慮周全，不斷論證設計是否可行、結構是否穩定、動力是否充分發揮等問題。
課堂STEM項目教學片段
甲方陣第一組展示，介紹的學生說：“我們小組的動力船的動力是氣球，讓充氣的氣球反向固定于船上，然后氣球松手后，向后噴氣，氣球對氣體向后施力，氣體就會對氣球給出向前的力。由于氣球輕，我們的動力船就做得比較小，船速應該很快?！?
說完，由另一位學生展示?？墒?，那位學生的手一松開，大家就聽到“噗”的一聲，氣沒了，動力沒了，船只走了一點就停了，大家都笑了。顯然，氣球噴氣太快。同組的同學立刻站起來說：“我們應該在氣球噴嘴處裝一個吸管，讓氣體慢慢噴出，這樣動力就持久些?！闭f完，便上來改裝，裝上吸管，再次測試。結果，船從水缸的一邊行到另一邊。
甲方陣第二組設計和第一組一樣，船行走的距離和第一組相當。但第三組的設計就不同了，第三組是將吸管的噴嘴放在水面下，介紹的學生說：“我們的船動力原理和他們不太一樣，我們的氣嘴在水里，氣球向后噴氣時會對水產生向后的力，這時，水就對船有向前的反作用力，我們的船應該比前面兩組的船走得更遠更快。”測試結果也驗證了他們的說法。 乙方陣第一組展示的學生說：“我們是利用風車向后吹風，空氣對風車向前用力?！比缓笳故荆瑢⑦B接橡皮筋的風車先轉動足夠多的圈數后，固定于泡沫船上，之間用雙面膠連接，測試效果很好，而且比甲方陣的船都要快些。第二組、第三組作品設計和第一組外形差不多，但都是將風車置于水下，測試結果表明，船的航程、航速都優于第一組。
丙方陣第一組展示的學生介紹道：“我們船前進不是利用氣球，不是利用風車，而是利用液體水，我們將礦泉水瓶下方開口，插一根吸管，然后瓶中裝水，利用瓶子向外噴水形成反作用力使船前進。”說完便測試，將裝水的瓶子放于船上，結果瓶子不是向左倒，就是向右倒，很難找到合適的位置。經過不斷尋找，終于找到合適位置，然后，打開吸管開口，船緩緩地前進了。雖然船速不如前面兩種，但學生都露出驚訝、贊許的笑容。
第二組展示時，就完全失敗了，因為泡沫船太小了，裝水的瓶子放上之后，船就沉下去了。第三組看到了前面失敗的原因，因此設計的船體較大，同時又將瓶子中的吸管的開口置于船體下方，這樣噴出來的水不是在空中而是在水下方，結果船速和船的航程都發生了變化。
STEM項目活動極大地激發了學生探究、創新的積極性，通過設計、制作、展示、評價等環節，不僅加深了學生對所學知識的理解，而且，讓學生通過實踐發現，理論怎樣與實踐結合才會成功，經驗在什么樣的情況下實踐會遭遇失敗，這使所學知識產生了真實意義，從而完成對所學“力的作用是相互的”的意義建構。學生展示原理圖如上頁圖所示。
結語
由于采用微課程教學法，學生課前學習扎實有效，課堂中就有了從事STEM項目學習的條件，可以有更多的時間來運用所學知識解決實際問題。這是微課程教學法提煉的微項目學習的精華。
我們選擇用泡沫制作動力船，可以充分發揮學生的想象力，讓學生先期在紙上進行船的外形設計，然后用小刀制作出泡沫船，體現工業設計思想。
我們按照動力源將學生分為三個方陣，每個方陣只提供一個動力源，可以讓學生專注于分頭設計，并且在展示的時候更加注意觀察和評價兄弟組的作品，汲取兄弟組的智慧，共同吸取失敗組的教訓。
我們只提供一個測試平臺——大水缸，激勵學生在進行設計時，更加謹慎而充分地作產品論證，有利于促進學生深度思考、深度學習。
課堂學習結束之后，我們發現，不少學生放學回家后，還在自發地繼續研究制作，這使我們倍感欣慰，這不就是教育所期待的嗎？
參考文獻：
[1]金陵.翻轉課堂與微課程教學法[M].北京：北京師范大學出版集團，2015：207-221.
[2]段煉，張靜.基于STEM教育模式的高中物理教學設計[J].物理教師，2018（05）：13-15.
基金項目：本文系江蘇省教育科學“十三五”規劃專項課題“STEM教育視野下綜合實踐課程校本化實踐研究”的階段性研究成果。課題編號：C-a/2018/02/05。
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