小学科学STEM教育案例《小小电路工程师——楼道篇》教学实录与评析

陈燚

随着课程改革的加快发展，我国教育理念逐渐国际化。STEM教育是时下最热门的教育理念之一。STEM教育源于美国，是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四个英文首字母的缩写，不过它并不是指四门学科的简单机械组合，而是一种以项目学习、问题解决为导向的跨学科式學习方式。

不过，目前小学阶段STEM课程还处于探索阶段，课程鱼龙混杂，良莠不齐，很多学校或教育机构将机器人等高科技设备与STEM课程画上等号。江苏省省教科院副院长王国强曾提道：“如果能将STEM教育理念融入小学科学的教学中，融入课堂活动中，既不改变科学教学现有的知识体系，也不用额外花费时间和精力去开发新的活动，还能利用课堂教学这一主阵地，让每位学生在综合性的项目活动中学习科学知识、培养各项能力，真正发挥科学课程中科学、工程、技术相融合的综合性、实践性特征。”作为一线科学教师，在不断开发相关的STEM课程外的同时，还应思考如何将STEM教育理念与实际科学课堂、科学知识进行有效融合。《小小电路工程师——楼道篇》就是在这个问题驱动下，对苏教版小学科学五年级上册《简单电路》一课进行改编拓展，让学生像科学家一样去探究未知，经历科学家解决问题的方式和路径，在具体的情境中不断发现问题，设计并修改、完善电路。教学环节层层递进，激发学生深入思考，促进学生思维能力的提升。

一、教学过程

1.教学片段一：聚焦问题

师：生活中很多地方都运用到简单电路，比如，小明家正在建一栋两层小别墅，一楼是会客厅，二楼是卧室，学了简单电路后，他自己给一楼到二楼的楼道间设计了一个这样的简单电路。你觉得这个电路安装在这楼道间合适吗？

生：合适。

师：晚上，小明想从一楼去二楼卧室休息，谁能结合这个情境说说这个电路如何操作使用？

生：不行，小明回卧室休息后，楼道的灯还亮着呢。

师：看来这个电路安装在楼道间确实存在一定问题。那今天就请同学们来当小小电路工程师，来设计这楼道间的电路。

【设计意图】STEM活动注重与生活的联系，注重问题的解决。课堂伊始，以一个现实问题导入，将问题放到学生非常熟悉的背景下，在具体的情景中引导学生发现电路示意图存在缺陷，激发他们探索的欲望。

2.教学片段二：初步设计

师：哪位同学来说说你的解决方法？

生：在二楼的地方再加一个开关。当小明在一楼时，拨动一楼的开关形成通路，小灯泡就亮了，小明就可以走到二楼，再拨动二楼的开关，形成断路，小灯泡就灭了。

师：他的设计解决问题了吗？那这个电路安装在楼梯间还有没有其他问题？

生：没有问题。

师：在同学们的帮助下小明终于关掉楼道的灯，回卧室休息了。此时两个开关分别处于什么状态？这时，小明的爸爸回来了，他下班比小明晚。你发现问题了吗？

生：发现了，爸爸开不了灯。

师：爸爸为什么开不了灯？

生：因为二楼的开关处于断开状态，是断路。

师：这时爸爸拨动一楼的开关会怎么样呢？看来同学们刚刚设计的这个电路只服务了小明自己，并不方便其他人。我们还得再想想办法。

【设计意图】解决二楼无法关灯这个问题是非常简单的，给学生以成功的经历，营造轻松的氛围，缓解他们对抽象电路知识的恐惧心理，同时在情境中再发现问题，告诉学生考虑问题的全面性。

3.教学片段三：修改设计

生：重新设计一条电路，里面那条给小明用，外面那条给爸爸使用。

师：有人对他们的设计有疑问吗？

生：如果这时妈妈回来了呢？

师：对啊，总不能有几个人上楼就安装几条电路吧？看来这个电路有点局限性。我们还得再想想是不是？

生：在两个开关之间连接一根杠杆，闭合一楼开关，二楼开关也会被闭合，灯就亮了;到二楼时，将二楼开关断开，一楼开关也会相应被断开，灯就熄灭了。

师：他们组用的机械原理解决了前一组出现的只能使用一次性的问题。这个电路家里几口人都能重复使用吗？同学们有什么想评价的吗？

生：不美观，也不太现实。

师：是啊，确实解决问题了，不过考虑实际安装的情况，还有些困难，还有其他更好的办法吗？

生：在两个开关之间连接一根导线。

师：你们的设计图好像和上一组的设计图差不多嘛！

生：不一样，我们在两个开关间加的不是杠杆，是导线。小明上楼时走的是①号电路，到二楼将二楼的开关切换到②号接触点，灯就熄灭了。

师：那爸爸上楼怎么操作呢？

生：将一楼的开关闭合到②号电路接触点，灯就亮了;到了二楼再将二楼的开关切换到①号电路接触点，灯就熄灭了。

师：灯灭了吗？那妈妈上楼呢？这个设计怎么样？和你自己家楼道间的开关使用方法是不是一样的？

【设计意图】学生的思维随着情境的推进而发散开来，学生的想法是多样的，任何一个想法都值得鼓励。学生们在组与组间的交流互动中，不断发现问题再解决问题，思维不断发散，设计的电路图也不断地完善。

4.教学片段四：设计元件

师：同学们很厉害，这个设计图就是我们电路工程师所设计的电路图，但是我们所认识的这个开关能实现这个操作吗？你觉得需要一个什么样的开关？

生：可以控制两条电路的开关。

师：给你一块木块、3个图钉、3根导线、1枚回形针，你能把这个开关制作出来吗？

（学生制作单刀双掷开关。）

师：哪位同学能说说这个开关是如何操作使用的？我们以前有没有见过类似的开关？（红绿灯）

【设计意图】学生在思考设计电路图的过程中，已经明确了问题所在，只是欠缺解决这个问题的工具，而将问题与课本上红绿灯的开关联系起来会发现，红绿灯是一个开关控制两盏灯，楼道电路是一个开关控制两条电路，将知识迁移过来就很好地解决了问题。

二、教学评析

1.情境贯穿活动始终

无论是从科学课程本身特点考虑，还是从新课程标准中的基本理念出发，情境的创设是小学科学课堂必不可少的一部分。STEM教育活动一般都是按照这样的进程推进的：先是聚焦问题，然后围绕问题或任务开展探索，在探究的基础上进行工程设计、产品制作或解决问题，这个过程可以反复进行，通过测试和评议反馈信息，不断改进，直到完成项目并进行项目评价。不管是哪个环节，生活情境位于中心位置，是贯穿始终的。本节课设计以夜晚上下楼道开关灯的现实情境贯穿活动始终，主要基于这几点考虑。（1）在情境中，激发学生的探究欲望。电路知识对于小学生而言有些枯燥乏味，将其与实际生活相结合，才能使课题变得更有趣味性，学生参与度更高。（2）在情境中，缓解学生的恐惧心理。两地控制一盏灯的电路对于只学过简单电路的五年级学生而言难度还是挺大的，但是将这问题放到一个学生非常熟悉的背景下时，学生与知识之间的距离被拉近，此时学生联系实际需求去解决问题，难度也会有所降低。

2.问题推动思维发展

STEM教育，就是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，从活动背景的导入，到技术支撑的学习，再到工程问题的解决，让学生在发现问题与解决问题间不断循环，最后求得最佳解决方案。本节课以设计楼道间的电路为主线，由简单的电路开始：“二楼关不了灯怎么办？”到学生初步设计两个开关后：“小明断开二楼开关回卧室休息后，爸爸回来了也要开灯上楼怎么办？”再到学生完善电路设计图后：“以前认识的这种开关能满足今天这个电路中開关的需求吗？”随着情境发展，一个又一个现实问题在层层递进，将学生的思维一步一步推向更高处。在此过程中，学生习得了结果性知识，更重要的是获得了项目问题解决中的过程性知识。

3.过程培养科学精神

通过本节课的学习，从初步设计到最后的成果展现，学生体会到科学知识并不遥远，就在我们身边。两地控制一盏灯的电路是如何设计出来的？电路工程师的设计过程和同学们一节课所经历的活动过程是相似的，包括自制的单刀双掷开关，都在告诉同学们，科学知识并不高深，人类的好奇心和社会需求是科学技术发展的根本动力。

【参考文献】

刘忠学.“技术与工程”领域教材设计[J].湖北教育，2019（06）：11-14.