基于STEM理念的課堂教學實踐

林燕

摘要：本課例將 STEM 理念引入到教學中，以真實情景入手，引導學生根據需要自主探究，一步一步解決問題，動手成功制作紅綠燈變換裝置。并進一步思維進階發散，開發設計水位警報器等項目。

關鍵詞：STEM 教育;電磁繼電器;真實情景

STEM 是一種科學、技術、工程、數學的多學科融合教育，注重思維和能力的培養。目前，運用 STEM 教育的理念，培養具備創新能力的人才，是教育領域的熱門話題。[1]

一、STEM 理念應用的必要性

當前國家提倡“雙減政策”，“雙減”是要減學生的負擔，更也需要提升學生的學習效率。教師不斷提升自身的修養，將STEM 理念引入到課堂中，有助于打造高效課堂，有效提升學生創造性的思維品質，更好地實現“減負提質”。

二、教學設計與實踐過程

1.創設情景引出新課

引課播放電磁起重機工作的短視頻，并說明電磁起重機要吸引這么多的鐵制品，需要工作電壓380V。提問。

師：電磁起重機中有強大的電流，工人師傅能直接操作開關嗎？

生：不能。

師：那有什么辦法解決？

生：用電磁鐵來控制。

師：為什么可以用電磁鐵控制？怎樣控制？

生：開關上有鐵片，只要把電磁鐵放在鐵片的下方，給電磁鐵通電就有磁性.吸引開關閉合，電磁起重機工作，吸引鐵制品。

師：開關閉合了，它能自動彈開，停止工作嗎？

生：可以在開關處加上一個彈性片或彈簧。

師：這種利用電磁鐵的通斷電來控制觸點接通和斷開，間接實現控制其他電路的裝置就叫作電磁繼電器。

設計意圖：電磁繼電器是因為現實的需要被發明創造出來的，最早的繼電器是用來控制高電壓強電流的另一電路的開合，了解由來能更好地明白它的工作情況和特點，為接下來的項目化學習打好鋪墊。

2.設計環節項目學習

設計“創設情景引入問題”“基于需要自主探究”“問題引導逐步完善”“思維發散增加項目”4個環節進行，如圖1。

2.1創設情景引入問題

問題情景：交通信號紅綠燈的轉換，請你幫他想一個解決的方案（可參考桌上實驗器材，設計出電路圖）。

學生活動：基于生活經驗和科學知識，提出方案一：用單刀雙擲開關，通過撥動開關就可以改變紅綠燈的變換（如圖2的電路圖）;方案二：用電磁繼電器，通過給電磁鐵通斷電，實現紅綠燈的變換（如圖3的電路圖）。

設計意圖：基于真實的生活場景，激發出學生的求知和展示欲。利用建模思想，畫出電路圖。

注意：為降低難度，方案二的電路圖需事先在活動單上畫好框架，可展示錯誤學生的圖加以糾正，以提問的方式強調紅燈與綠燈并聯，工作電路電源始終與動觸點相連。

2.2基于需要自主探究

活動：提供普通紅燈、普通綠燈、紅色二極管、綠色二極管、導線、單刀雙擲開關、電池、電磁繼電器等實驗器材，學生自選器材組裝電路，實現紅綠燈的轉換。

學生活動：通過動手實踐探究，根據已有的生活經驗和探究結果，經過比較，多數同學討論認為：方案一依靠用手撥動操作紅綠燈的才能變換。（如圖4）而紅綠燈實際是自動切換的，方案二依靠對電磁鐵通斷電可控制紅綠燈，也就是不需要在路邊直接按，而是在辦公室里可以遠距離操控。（如圖5）方案二最為合理。

設計意圖：學生自主探究，動手實踐，通過比較找到合適的器材，容易歸納出電磁繼電器實質是由電磁鐵控制的自動開關。

2.3問題引導逐步完善

問題引導1：電磁繼電器所在電路接通后，使用過程中發現銜鐵無響應或無法完全吸下，導致動觸點與下方靜觸點不接觸？怎樣解決？

問題引導2：交通信號燈應該是什么燈泡？為什么？

問題引導3：二極管未發光怎么回事？怎樣解決？

學生活動：根據老師啟發式問題鏈，一步一步地優化，直到開發出一個性能良好的紅綠燈轉換器.

問題1：電磁鐵的磁性不夠強，解決辦法：①增大電流②增加線圈匝數，根據現有的器材，可以增加電池的節數，實現銜鐵快速緊密吸合。

問題2：交通信號燈應該是二極管，因為二極管不容易壞，使用壽命長，發光可達10萬小時。

問題3：二極管是半導體，具有單向導電，電流必須要按箭頭流進。

設計意圖：通過做中學的方式，使學生更好地了解控制電路和工作電路的工作情況，實現思維的進階發展。解決問題后，看到自己改進的電路，學生體驗到了成就感，積極性異常高漲。

2.4思維發散增加項目

活動：在自然銜接下，搭建問題階梯，再一次啟發：如何自動遠程控制各種警報器？電磁繼電器所在電路中，替換哪些元件就能實現報警效果？

師：那水位警報器是控制電路中的哪個部位被替代才能完成報警？

生：在控制電路的開關處換成水位，水會導電，到達水位相當于開關閉合。

師：那溫度警報器呢？

生：在控制電路的開關處放溫度計。

學生活動：開展小組活動制作水位警報器。先討論畫出電路圖（如圖6甲），利用水、燒杯和觸頭，完成制作，展示匯報（如圖6乙）。

布置課后延伸任務：規劃項目組，如壓控組、溫控組、災害預警組等，利用電磁繼電器，分組設計各類警報器。

設計意圖：在自然銜接下，搭建問題階梯，開發新項目，實現思維的溝通生長。項目規劃有效地培養學生小組合作的能力，通過各個小組之間的交流與評價，感受知識獲得的快樂。

三、教學反思

常規電磁繼電器教學，教師介紹儀器的結構及其工作原理，只重視對學生知識與技能的培養。教師一味枯燥地講授，學生容易理解不到位。每年中考涉及電磁繼電器題目又不少，而且往往有大題，導致學生成績不理想。

本課例結合了 STEM教育理念，首先以現實生活真實的需求，如何發明電磁繼電器引入新課。緊接著以紅綠燈為生活原型，從學生視角組織，在教師的層層引導下，應用討論、探究式學習，一步一步解決問題，直到開發出一個可實現紅綠燈轉換的模型。并進一步思維發散，開發新產品，制作水位報警器。最后課后開展小組活動，規劃項目，分組設計各類報警器。將STEM 理念引入到課堂中，將知識的提升化解為階梯式的，不僅培養學生解決問題和工程思維能力，體會到成功制作產品自豪感，而且拿下考查學生核心素養中考題不在話下下。在雙減背景下，應用STEM教育理念，為我們初中科學教師找到創新教學的突破口。

參考文獻：

[1]肖化、郭曉敏、曾輝區、楚瑜.基于STEM教育理念培養高中生科學探究素養[A].理教學探討 2021年第4期Vol.39 No.4.