浅淡具有STEM教育特色的通用技术课堂教学

张启军

（江苏省南京市金陵中学，210005）

摘要：STEM教育是美国应对21世纪国际人才竞争的一项国家教育战略，正在成为国际教育界的热点研究问题。STEM教育重视技术教育与科学、工程、数学学科群相结合的视角，为高中通用技术教育提供了一些启示。

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关键词 ：STEM教育 通用技术课堂 教学案例

人类进入21世纪后，整个世界的发展速度都飞快，科学技术的发展更是突飞猛进。几乎所有国家都重视科学和技术的发展，并将其作为经济发展前进的推动力，积极着手开拓建设更多的知识密集型经济社会，而STEM中的各类科目恰好是知识密集型经济所需的基本能力。因此，美国大力发展教育中的STEM课程，为以后的经济发展奠定基础。1986年，美国国家科学委员会发表《尼尔报告》，报告提出突出科学、数学、工程和技术的概念，被誉为STEM教育的开端。在2007年《美国竞争力法》中，纳入了一些主要的STEM教育立法建议，在第110届国会会议中通过，并于2007年8月9日签署生效。奥巴马上台后，对教育进行了一系列的改革运动，其中包括斥巨资培训理工科教师等。《美国创新战略——确保我们的经济增长和繁荣》的政府报告指出，美国旨在培养最顶端的劳动力，并努力在2020年前再培养出10万名从事STEM教育的教师，为STEM教育奠定基础。与此同时，我国中小学也在进行基础教育课程改革，我们清醒地认识到美国STEM教育将对我国基础教育改革提供一定的方向和参照。

一、STEM教育的内涵

STEM为科学(science)、技术(Technolo-gy)工程(Engineering)和数学(Mathematics)英文首字母的组合，但并不是四个方面内容的简单相加。它的本质是在众多孤立的学科中建立一个新的桥梁来为学生提供整体认识世界的机会，是一个多学科教育的新范式。和以往分学科教学不同的是，它更强调交叉与融合，学科体系建立在集成其他学科知识并成为一个新的整体知识的基础上。它提供给学生的是接触整体世界的最佳结合点，而不同于以往的零碎片段式的教育方式。因此，从这个角度来看，它们分别代表了四类不同的学科群，如数学代表的是有确定性结果而方法不同的学科群（如物理、化学等）。

要理解STEM教育，首先需要了解各个学科教育在学生能力培养过程中所起到的作用。各个学科教育按照过程和结果的可知程度可用图1所示的坐标轴来表示。STEM分别代表了四类不同的学科群，如大家所熟知的数学是有效训练学生思考能力的学科，因为不同的学生可以灵活应用自己所掌握的方法去得到确定的结果。科学与数学相比则增加了不确定性，目的是激发学生对某一未知领域的兴趣以及科学探索的过程，而结果则可能会因为方法的不同或者条件的不同而出现差异。但是科学和数学的共同点都是其过程是未知的，对学生的基本能力要求较高，即学生之间会出现较大的差异。因此，在对中美基础教育进行比较时可以发现，同等学生层次中，美国的基础教育对数学、物理等学习能力的要求低于我国，而他们更加强调的是科学推理能力的培养。

如图1所示，左半部分的科学和数学代表了学生学习和获取知识的能力，而右半部分的工程和技术则代表了应用知识的能力。从图1中可以看到，与数学、物理学科相比，技术有更加固定和成熟的方法，且它是面向实际的应用类学科，因此不同的学生只要通过适当的训练即可达到一定的能力要求。从STEM系统培养学生能力的角度来看，工程方面的内容在基础教育中并未得到足够重视，甚至有时会将它和技术相混淆。工程强调的是利用已知的过程和知识解决未知的问题，但是结果则可能是不确定的。工程可以简单地定义为在特定的约束条件下，寻求满足客户需求的设计方案，而这些约束条件是自然定律。因此，工程设计要解决三个方面的问题：一是符合人的需求或者愿望；二是能够解决特定的问题；三是在恰当的约束条件下满足前两项要求，如成本、时间、技术的可实现性、环境保护和政策等。

STEM教育在基础教育阶段的培养目标是什么呢？美国基础教育学者Morrison对STEM教育的培养目标给出了一个概述，她认为学生最终应该具备以下几种能力：(1)解决问题的能力——能够清晰地定义和设计问题，有效地收集并组织数据，得出结论，理解并最终运用到实际情况或新的问题中。(2)创新的能力——创造性地运用科学、数学和技术的概念及其原理，并运用到工程设计领域中。(3)培养发明家的能力——了解世界的需求，学会运用设计、测试、再设计、最后实现解决问题的这一过程的能力。(4)培养自力更生的能力——通过主动、自我鼓励地设定工作进程，来增加信心，并能够在特定的时间内完成工作。简单地说，基于STEM教育思想的基础教育应该培养学生的科学精神和科技理工素养。

二、具有STEM教育特色的通用技术课

从我国基础教育改革的进程来看，现阶段我国教育的主要目的是取得“减轻学生负担”和“促进学生全面发展”之间的平衡，因此提高学生的创新思维和动手实践能力就被提上了日程。近些年，信息技术和通用技术能力的培养得到了重视，教育部在《中小学信息技术课程指导纲要（试行）》中提出了以应用技能为主的教育形式，并在《普通高中技术课程标准（实验）》（以下简称“课程标准”）中明确指出，高中通用技术课程是高度综合、立足实践、注重创造且科学和人文相融合的课程。从标准的要求也可以清楚地看到这一点，如两个必修模块都是和过程相关的，“技术与设计1”是为了让学生了解体现当代技术思想和方法的科技成果和先进文化，“技术与设计2”则是让学生理解技术实现所经历的一般技术设计过程，而选修模块则从结果导向的角度让学生通过成熟的方法得到可预期的结果。我们不难发现从技术角度来讲，高中通用技术课程目标与STEM教育培养目标相比，从问题的认识、信息的收集与整理、设计与测试、问题的解决以及实现技术的过程等方面有很多相似之处，是技术与工程教育实现的有效手段。如果能与数学、科学相结合，那么也能走STEM教育的大方向。近年来，我结合高中通用技术课程，在校本课程开发、教师的培养、学科的交叉与融合方面做了一些尝试，使我们的高中通用技术课程慢慢地有了一点STEM教育的味道。下面我以一个教学案例来说说我理解的STEM教育。

“光敏电阻的识别与应用”是普通高中通用技术选修教材《电子控制技术》第二章第一节的内容。课程标准要求“认识常见的传感器，能用多用电表检测传感器（常见的传感器有光敏传感器、热敏传感器、磁敏传感器、声敏传感器、气敏传感器、力传感器和位移传感器等）；知道传感器的作用及其应用（不同的传感器可以用来收集不同的信息，并把它转变为电信号）”。在教学载体上，我选择了CDS光敏电阻，沿着STEM教育的方向，由生活中遇到的实际问题导出新课，结合科学、物理、数学、技术以及工程的知识最终解决问题。同时，学生经过知识和方法的洗礼，提出自己的问题，通过设计、制作、测试、完善、交流等完成自己的工程获得知识与能力的提高。以下是几个教学片段：

（一）课堂导入

师上周，一位物理老师给了我一段LED灯带，他希望我能帮他把这段灯带装进一个暗箱里，当暗箱门关上的时候，灯带能自动亮起来。于是，我们聊了一些关于灯和灯的控制问题，我们发现，随着人们对光线的要求和视觉的追求不断提高，灯的种类越来越多，而灯的控制依旧那么经典。今天，我们一起来帮这位老师解决灯带的问题。

师 教室或者家里的灯一般怎么来实现控制？

生开关。当有需要的时候打开或者关闭开关来实现对灯的控制。

师 这位物理老师的需要是什么？

生 暗箱门关上的时候灯亮，开着的时候灯灭。

师 门开或者关，对暗箱内部来说，是什么发生了变化？

生光线。

师 很好。那我们能借助什么样的元器件来改变光线进而实现对灯带的控制呢？生光敏电阻。

师今天，我就带着大家来探索下光敏电阻对灯带的控制问题。

新课导入的方法很多，良好的导入也是上好课的关键。STEM教育强调培养学生解决问题的能力，如能够清晰地定义和设计问题，有效地收集并组织数据，得出结论，理解并最终运用到实际情况或新的问题中。想要提高学生解决问题的能力，必须预设适度的问题让学生去解决。因此，在新课导人部分采用问题引入法，预设一个实际问题，一个与生活息息相关的实际问题，这是STEM教育所希望的。在预设问题以及后面可能出现的处理上，在充分考虑知识点的同时，也体现了各学科知识的交叉与融合。灯、光敏电阻属于数学学科群所代表的物理知识；灯的种类、光线变化、视觉追求属于科学范畴；灯的控制、灯带的光控、暗箱属于技术范畴；而帮助物理教师实现问题的解决又是一个工程问题。当把这些知识点放到一起时，彼此之间只有相互融合才能达到最终目的。这种以实际问题人手，通过多学科的交叉与融合解决实际问题的思路与STEM教育的精神相一致。

（二）教学过程

1．了解光敏电阻阻值的变化规律。

师请大家仔细观察，并说说光敏电阻的结构是怎样的。

生两根引脚连着电极，中间被一条弯弯曲曲的红线隔开。

师对，光敏电阻有两个电极，电极下面有两个导线，就是同学们所说的引脚，电极与电极之间由一段CDS光导电膜隔开，这层光导电膜是光敏电阻的关键部位，它是一种半导体材料，在光线辐射作用下其导电率会发生改变。导电率发生变化，是什么物理量发生了变化？

生 电阻。

师怎么得来的？

生R=ρL/S，光导电膜的长度和截面积始终保持不变，当它的导电率发生变化时，它的电阻也就发生了变化。

师很好，那究竟会发生什么样的变化？有没有规律？下面我们一起来探究。

这段内容是用来介绍光敏电阻的技术结构与物理参数之间关系的一段内容，相应地是数学知识群和技术知识群的交叉与融合。STEM教育强调培养学生独立解决问题的能力，因此在教学设计上，也摆脱了传统的教师教、学生听的模式，采用引导一观察一引导一分析一探究的形式，让学生通过观察，知道CDS光敏电阻的内部结构；通过分析知道CDS光敏电阻的工作原理以及物理参数变化的形成。这对学生主动参与问题、自主解决问题有一定的积极意义。

【活动1】不同环境下，利用万用表测量光敏电阻的阻值（同桌合作，记录测量数据）。

环境1：教学光源环境。

环境2：关闭光源的情况。

环境3：模拟黑暗环境的情况。

如下表所示是四组学生在上述三种光源环境下测量光敏电阻阻值的记录情况。

师我们来观察一下刚才几组同学的汇报结果，大家看看，有没有哪两组或者哪几个对照数据相同？

生没有。

师为什么？

生 因为教室里每个点的光线都不一样。

师 刚才我特意找了几组光照明显不一样的同学上来做了汇报。教室里各个点的关照都不一样，所以光敏电阻的测量结果一般都会不一样。我们再来看看环境1、2、3的光线变化情况和光敏电阻的阻值变化情况，有哪些规律？

生环境1、2、3光线是越来越暗，光敏电阻的阻值也是越来越大。

师不错，那相应的光线变化和光敏电阻的阻值变化有什么样的关系？

生光线越亮，电阻越小。

师很好，光敏电阻的阻值大小随着光线越亮，其阻值越小；反之越大。那我们来看看能不能直接来控制灯呢？

这段教学内容是了解光敏电阻的阻值变化与光线之间关系的，本来简单的一句话“光敏电阻的阻值大小随着光线越亮，其阻值大小越小；反之越大”。在教学处理上，我相应地把它“复杂化”了，将物理知识与技术操作相结合，让学生通过操作、观察、分析得出相应结论。具体考虑有三点：一是直接给出结论和让学生自己探究得出结论是有区别的，就如“授人以鱼不如授人以渔”，想要培养学生独立解决问题的能力，学生必须掌握相应的方法才有可能。二是采用同桌合作学习的方法，让一名学生将万用表表棒与光敏电阻接触，让另一名学生换挡，改变环境光线。要想得出准确的结论，离不开他们的合作与配合，可以提高学生团结、合作学习的精神。三是因为这是一个知识点，也是一个测量操作活动，对学生工具的使用、动手能力的培养有一定的促进作用。

2．光敏电阻的试验应用。

师教室里的灯是由一个220V的交流电源和接触开关来实现控制的。那么，我们能不能直接利用光敏电阻替代接触开关，让它实现自动控制呢？

生不能。

师为什么不能？

生光敏电阻跟开关不一样，它有内阻，有功耗以及额定的电压和电流要求，串联到电路里会被烧坏的。

师对，光敏电阻确实有自身的参数要求。我们再假设一个极端，假如在光照强的情况下，光敏电阻阻值小，并且能小到0；在没有光线的情况下，光敏电阻的阻值大，并且能达到∞，这个时候能不能达到对灯的自动控制呢？

生能。

师能实现什么样的控制？是不是我们想要的自动控制？

生有光，灯亮；没光，灯灭。不是我们想要的控制。

光敏电阻的应用不等同于开关量的应用，它的两个极端不是理想的“O”或者“∞”，不可能简单地串联到电路中去。即使我们将它理想化，它也实现不了我们预设的要求。这是从数学学科群的知识与技术学科群的融合和交叉的开端。一方面要让学生意识到物理理论与技术处理之间的区别，光敏电阻的物理量一般只考虑电阻的变化，有光的时候是多少，没有光的时候又是多少。而实际上还要考虑光敏电阻的额定功耗、电流和电压。另一方面，光敏电阻阻值变化的量不能简单地转化成开关量。这是一个假设，是一个不正确的假设，可能也是学生正常的一种思考方式，是让学生寻找正确解决方法的一个过程。这种问题一假设一验证的过程，也是STEM教育需要经历的过程。

3．光敏电阻的测试。

师我们来看个曾经交流过的三极管的开关电路，如图所示，当电阻Rp变大时，6点的电压会升高，当Vb≥0.7V的时候，三极管就会处于导通状态，LED灯就会亮；当Vb≤0.3V的时候，三极管就会处于截止状态，LED灯就不亮。可变电阻发生变化时，就能实现对LED灯的控制。光敏电阻在不同的光线下，其电阻发生变化，这种电阻的变化能不能通过三极管的开关电路实现控制？

生好像可以。

师怎么理解？

生可变电阻变大，LED灯亮。光线变暗，光敏电阻变大，变大能让灯亮；反之，可变电阻变小，LED灯不亮。光线变亮，光敏电阻变小，变小能让灯不亮。两者匹配，可以用光敏电阻直接替代可变电阻实现控制。

师我们替换试试。

三极管的开关电路，是把电阻量变化转化成开关量的“开”与“关”最常见的电路。这是个技术问题，也是解决工程问题的根本。这里让学生掌握的不是单纯的如何利用光敏电阻来实现对LED灯的控制，而是要让学生掌握三极管开关电路的应用方法，从而让学生从掌握单纯的知识点转变为掌握解决问题的方法。

【活动2】计算偏置电阻值。

条件：光线暗Vb≥0.7V，Rl已知测量值，U=3V；光线亮Vb≤0.3V，Rl已知测量值，U=3V，求：R的范围。

这是一个技术难点，对技术人员来说，偏置电阻一般都是靠经验和尝试来选择一个合适的电阻；对数学和科学学科范畴的学者来说，如果没有技术学科基础也是无从下手。经过光敏电阻的测量，我们知道光敏电阻在光线亮与暗的情况下的阻值大小，经过对三极管的开关电路的分析，也知道三极管“开”与“关”状态下的条件。把这些条件结合起来，利用数学的方法，我们就可以找到电阻R的范围，再利用经验，就很容易确定偏置电阻的值。这也是典型的学科交叉与融合。由于时间有限，所以让学生课后完成，帮助学生形成一般的选择元器件的方法。

【活动3】 根据原理图安装调试“光控灯”电路，有两步：(1)根据原理图安装元器件；(2)调试。

这段教学内容是纯粹的技术学科范畴的问题。对于高中生来说，技术是学生陌生而感兴趣的问题。正确的方法、严谨的过程，合理的引导是帮助学生实现技术成功的基础。教师在此过程中，要适当帮助学生解决问题，使他们获得成功，建立起学生实现技术，解决问题的信心，这是STEM教育所期望的。

4．应用光敏电阻改进电路。

师 现在我们利用光敏电阻可以控制LED灯带，要解决物理老师的问题，我们要把LED灯带换成220V的灯带该如何改进电路？要解决的问题是什么？

生需要的电压变大，而且需要交流电。

师物理中，有什么元器件能利用小的电压或者电流控制大的电流或电压呢？

生继电器。

师很好，我们用继电器替代LED，再利用继电器控制灯带，这样我们就能解决物理老师的问题了，那我们来试试能不能成功。

这是帮助物理教师解决问题的终点，也是数学学科群与技术学科群的一个交叉点，正确引导学生进行知识的交叉融合，使他们能通过自己的思考找到问题解决的方法，并通过实践获得最终的成功。

（三）教学拓展

为了拓展知识、开阔学生眼界，我又提出2个讨论题。

讨论1：光敏电阻控制LED灯的亮与灭，有光的时候三极管开关电路保持原状态，没光的时候三极管电路处在通的状态，实现对LED的控制，是一种没有光实现控制的电路。假如，我们需要有光实现控制，在开关电路的设计里有什么不同？如何实现？

讨论2：光敏电阻还可能应用到哪些场合？谈谈你们的创意？

讨论1是把问题再提升一个高度，是对物理教师提出的问题的解决。要想让学生自己用光敏电阻解决问题，需要更进一步引导学生转换思考问题的角度，并形成相应的技术方法。这是知识积累和技术形成的必要过程。讨论2是承上启下，让学生找到并形成新问题，为学生单独通过STEM学科的交叉与融合，获取成功做铺垫。

布置作业：设计一个自动控制的小产品方案。

这是一个新的开始，也是学生独立完成自己项目的一个过程。在此过程中，学生会形成自己感兴趣的问题，独立清晰地定义和设计问题，通过收集和组织，应用前面的知识与方法，理解并最终运用到实际情况或新的问题中，形成独立解决问题的能力；在这过程中，他们将有机会创造性地运用科学、数学和技术的概念及其原理，并最终运用到工程设计领域中，完成自己的工程设计，培养他们的创新能力；学生在解决问题的同时，了解世界的需求，学会运用设计、测试、再设计、交流等，形成自己的解决问题的方法。

科学、数学、物理、化学亦或是技术与工程，任何一个单一的学科，它的知识都是单向度的，而生活中的真实问题、真实情境是复杂的、多维度的。所以，当把单向度的知识应用到多维度的真实的生活问题或者情境中时，学生的思维路径才可能变得多元。高中通用技术课程强调学生利用技术去解决真实的问题，是一个把单向度的知识应用到多维度的真实的生活问题或者情境的途径。教师正确地选择教学内容，恰当地梳理与其他学科群的融合与交叉，通过工程的实现完成教学目标，是学生形成多元的思维的有效路径，也是我们教育的期望。这种课堂，就是我所追求的具有STEM教育特色的高中通用技术课堂。