基于STEM理念引导学生制作秒摆

王东

基于STEM教育理念及以工程设计整合跨学科学习的思想，我们对苏教版四年级《摆》一课的内容进行拓展、改造，自编了《制作秒摆》一课。本课的基础任务是探究摆的等时性，其挑战性任务是尝试制作一个秒摆。

问题与聚焦——明确制作秒摆任务

课的开始教师向学生介绍道，从古老的摆钟到小巧的手表，尽管式样繁多，却都有个摆。在人类计量史和物理学史中，摆的发明是个重大的历史事件。

在学生充分交流对摆的了解与问题后，教师引导他们观察教室里的座钟，发现：座钟的钟摆每分钟都摆动30次，并且在相同时间里摆动次数是相等的，揭示出秒摆的概念——每2秒钟摆动1次的摆。

在了解了秒摆的概念和特点后，教师调动学生探究热情，明确本课的主要任务：制作一个秒摆。

调查与研究——探究摆的等时性

为什么要设计“探究摆的等时性”的探究活动？引导学生探究发现摆的等时性，相机渗透科学史教育，就是让学生重复科学家的探究过程，让他们意识到科学研究需要坚持不懈、严谨求实的科学态度，从而体验科学技术改变了人类生活。

科学强调学生动手、动脑学科学。STEM学习重视科学思维的培养，强调在掌握相应经验的基础之上进行思考或设计，之后再动手实践，最后检验设计的可行性和合理性。

首先，教师引导学生观察同一个摆1分钟的摆动次数，经过3次观察和测量活动，学生发现同一个摆每分钟摆动的次数是相同的。

然后，观察同一个摆在不同时段的摆动次数。学生发现同一个摆在连续摆动时，摆动幅度会越来越小，速度会越来越慢，产生“前一段与后一段的相同时间内，摆动次数会不会改变”的疑问，从而激发学生继续探究的热情。学生经过分组实验后得出结论：同一个摆在连续摆动过程中，每摆动一次的时间都是相等的，即单摆的等时性规律。

在上述观察和测量活动中，要做到准确计量并得到有效的数据，涉及很多因素，如学生的操作能力、观测能力、合作能力、器材装置的改进等，体现了技术在实验中的重要性。

设计与制作——尝试制作一个秒摆

科学课要使学生学会科学地看问题和想问题，意识到对事物不仅要有质上的认识，更要从量上分析得出结论。教师要善于运用数学方法引导学生采集数据、统计、计算、分析整理数据，进而发现规律。让学生在动手制作之前进行整体性的思考和设计，是工程思维的具体体现之一。

1.探究摆的快慢规律，掌握设计的方法

各组用于研究等时性的摆的摆长确定并测量后，将不同摆长的摆挂到黑板上，记下各组的摆长和1分钟摆动的次数，观察这些不同的摆，学生发现摆的快慢与摆长有关，摆长越长，摆得就越慢，反之摆得越快。摆长和摆动次数之间有没有一定的规律呢？教师引导各组对数据进行观察和分析（如表1）。

对四年级学生来说，发现数据之间的关系具有比较大的难度，教师通过课件辅助，用直观形象的方式，把相对应的数据用同样的颜色标注出来，并且将对应的数据生成条形图，引导学生对这些数据进行比较观察。学生经过小组讨论、交流后，发现了如果摆长是原来的4倍，1分钟摆动次数就减少为原来的一半——教学实现了信息技术与科学学习的有机整合。

设计秒摆是对教材《摆》部分活动的深化探究，是在学生已经认识到“摆的快慢与摆锤轻重、摆角的大小无关，与摆线长短有关”，并具备了较好的测量摆在单位时间内摆动次数的技能的基础上，通过测量和比较的方法，进一步探究摆的快慢规律。如果教学还停留在教材中“反复调整摆线长短做出秒摆”的能力水平上，其意义和价值不大。综合运用数学、工程等跨学科知识解决问题，从“反复调整”变为“根据发现的数据之间的规律”来设计摆长，不仅体现了科学与数学的融合学习，也符合“重视过程中数据资料的搜集与积累”的学习要求。

2.根据发现的数据关系，尝试制作秒摆

要想制作1分钟摆动30次（即每2秒钟摆动1次）的秒摆，能不能从刚才发现的数据关系入手设计秒摆的摆长呢？

学生根据摆长和摆动次数变化之间的数量关系，就能设计出用“1分钟摆动60次的摆的摆长乘4”的方案，即秒摆的摆长应该为1米。

接下来，学生可以根据发现的数据关系制作秒摆。

测试与改进——制作符合标准的秒摆

学生对制作的秒摆进行测试，对数据进行分析整理，得出实验结论。在实验的过程中，学生细致地调整实验装置上的摆绳长短并测量、改进和优化，制作出符合要求的秒摆，发展了技术能力和工程迭代思维。学生通过测量验证、汇报交流后发现，秒摆的摆长为1米时，每2秒钟摆动1次，再来测量教室里座钟钟摆的摆长，发现其摆长也为1米。

科学研究常常会运用到大量的数据分析，科学家善于把隐藏在一大堆看似杂乱无章的数据背后的信息提炼出来，总结出研究对象的内在规律，从而改进生活、造福人类。科学探究中的数据处理、模型建立离不开数学，在探究过程中，教师要尽可能引导学生应用数学知识和数学思维。

小结与反思——激发继续探究的兴趣

科学教育开始重视STEM，我认为至少有以下几点积极的变化：

1.关注深度学习

STEM不仅是一种新的课程形态，也是一种新的学习方式，其建立在现代学习理论基础上，以学习者为中心，基于项目学习，基于问题解决学习，基于综合学习，是需要较高水平的学习策略作为支持的深度学习样式。项目创作、课题研究是深度学习的两种基本方式。在设计、制作秒摆的学习任务中，学生需要灵活提取科学、数学、工程、技术等各学科知识，经历科学探究和工程实践的学习过程。这有利于培养学生创新精神和实践能力，有利于学生学科核心素养的形成，能促进学生深度学习。

2.关注工程设计取向

STEM教育和以往的科学教育相比，更关注学生综合运用知识解决真实世界中的问题，通常需要制作出完整的作品或设计出方案。STEM学习通常开始于一个可测量的目标，设计任务包含了明确、可知的规格或标准。

STEM学习是将任务置于丰富情境下并提出明确目标，要求学生解决若干问题，通过学生完整的作品展示，来考量学生对STEM所涉及的各个学科概念的掌握情况。工程设计是STEM学习的基石，有利于发展学生的整体性思维，有利于提高学生解决问题的能力。教师进行STEM课程设计时，要了解工程设计中“识别问题和制约因素—调查研究—形成概念—分析观点—建立模型—测试和优化—沟通和反思”的基本步骤，了解工程师们是怎样设计解决问题的方案和控制设计风险的，从而让学生了解工程设计的流程和思想。

3.关注课程开发

长期以来，一线教师只关注如何教，怎样教好，很少去思考为什么教，普遍缺少课程开发意识。STEM教育重视培养学生的创新精神和实践能力，但STEM项目从哪里来？本课制作秒摆就是对国家课程的合理改造和设计，涉及课程资源的开发和设计问题。

基于STEM理念的小学科学教学设计，需要教师熟悉STEM教育理念，了解项目学习的历史背景、实施原则和主要途径，熟悉问题解決学习的基本模式和主要形式等，这样才能去拓展、改进、完善教学内容和教学设计。这就要求教师树立课程意识，关注课程开发，更多地从课程开发的视角审视科学教育、现有科学课程学习、学生科技活动、学生日常生活等。