中小学 STEM 教学案例 甘肃省教科院 STEM 项目组 兰州华侨实验学校李广平 ( 案例包括 :1 案例设计文本 ;2 教学 PPT;3 教学实录视 频 ) 案例名称 : 青蛙的生长变化 ( 基于乐高机器人的 STEM 教学设计 ) 适合年级 : 小学中年级 小学高年级均可, 不同年级探究深度与实验收 获不同 ; 教师可以灵活把握 课时安排 : 一至两个课时 : 主题探究式学习, 一至两个课程完成主题研究, 完成简单的实践探究课题 多个课时均可 ; 作为学期主题研究活动, 通过长期的观察实践探究, 多次课堂集中交流学习, 完成形成更加详实的考察 养
殖探究学习课题 ( 注 : 本案例的具体教学过程设计, 是按 1--2 个课时设计的项目 式学习案例 ) 课程链接 : 小学科学课程标准 有关具体内容: 生命世界 1. 多样的生物 (3) 多样的生物之三 : 常见的其他生物 1.2 经历饲养小动物的过程, 描述动物生长的大致过程 1.3 了解不同生物的生命过程是不一样的, 感受不同生物生命过程的复杂多样 2. 生命的共同特征 (1) 生命的共同特征之一 : 动植物的一生 (2) 生命的共同特征之二 : 生物的繁殖 2.1 知道繁殖是生命的共同特征 2.2 列举常见的几类动物的不同生殖方式 3 关注与生物繁殖有关的生物技术问题 (5) 生命的共同特征之五 : 遗传现象 5.1 知道生物的很多特性是遗传的 5.2 了解遗传和变异也是生物的特性之一 3. 生物与环境 (1) 生物与环境之一 : 生物对环境的适应
1.3 列举同类生物在形态方面适应环境的具体事例 1.5 列举一些动物适应环境的事实, 如冬眠 保护色 拟态等 1.6 知道环境对生物生长 生活习性等多方面有影响 1.7 懂得食物链的含义 1.8 能认识到人类是自然的一部分, 既依赖于环境, 又影响环境, 影响其他生物的生存 教学目标 : 1 通过学习与实验, 鼓励和激发学生对科学 工程 生活学习与探究的兴趣 2 通过动手实践与体验, 帮助学生树立学习信心, 培养敢于发现问题 提出问题 思考和解决实际生活问题的能力, 从而提升学生的创新能力 ; 3 通过团队合作探究学习, 提高学生学习的参与性和学习动机 ; 促进学生 STEM 学科能力 综合解决问题能力的发展与提升 课程设计思路 : 在科学的背景的背景下, 使用描述 绘画 搭建模型模拟现实 ( 生活 ) 中的事物 : 展示事物 ( 青蛙生长发育 ) 变化的过程, 发现它们每个阶段的 ( 体貌 ) 特征 1 学生使用语言描述 涂画 积木搭建等来展示和描述对
青蛙生长变化认识以及他们的想法 ; 2 学生可以通过搭建模型来现实模拟青蛙生长变化各个阶段的特征 虽然这只是对现实模拟的展示, 但模型里包含有对科学现象的认识和理解 3 在开展模拟实验时, 鼓励学生将创造力放在对现实的精准表现上 为此, 学生需要发现并解释模型的局限性 教学主要实验实践环节 : 1 提出并明确问题; 2 建构模型, 运用数学和计算思维 ( 搭建与编程 ) 揭示问题 原理 特征或解决问题 ; 3 分享交流展示学习探究成果 4 获得评估并沟通信息 教学资源准备 : 材料准备 : 乐高积木 笔记本或 ipad 5 号电池, 教师准备 :1 青蛙生长变化几个主要阶段的视频和照片( 卵 蝌蚪 青蛙 );2 课前测试乐高 wedo 集线器 马达, 确保正常良好 ;3 预览实验, 并实践操作有关实验 学生指导与组织准备 : 2 人一组一套设备为最佳,3 人一组或 1 人 1 组亦可, 多人一组时, 注意学生的角色 ( 搭建者 编程者 测量记录者 展示
者 小组长, 每位学生可以担任一个至数个角色 ) -------------------- 教学过程 一 联系 :5--10 分钟 以学生学习过的课文故事 小蝌蚪找妈妈 情景引入主题
使用青蛙的生长变化视频以及准备其他图像 视频或材料, 师生谈论青蛙的生长变化, 以青蛙的生命周期为例对生物的生命周期进行了介绍 让学生将所学到的知识运用到生物的生命周期学习中 播放视频来开始实验 : 了解青蛙的生长的各个阶段小组讨论 : 小组讨论 :( 谈论话题 ) 问题 : 1 青蛙是卵生还是胎生? 2 蝌蚪 幼蛙和成年青蛙之间的体貌特征有什么不同? 3 青蛙的生命周期中有几个阶段?
二 建构 :30-40 分钟 设计小组讨论, 确定设计探究主题 首先确定小组研究问题或者确定小组研究 设计 展现的模型 尝试设计青蛙某个阶段的模型, 注意该阶段运动的特点以及
如何通过积木实现 ( 每组小组只搭建某个阶段, 注意该阶段的 特点, 尝试用积木表达出该特点 ) 搭建根据小组学生在探究阶段的讨论结果搭建青蛙 搭建青蛙的模型, 并尝试编程 ( 不能独立设计的可以参考搭建指导, 完成第一个基础模型 ; 根据编程样本, 尝试编程 ) 搭建一个幼蛙, 编程让他移动, 并与同伴交流
三 反思与延续 ( 深层创造 )10 20 分钟 ( 此阶段教师灵活把握 ) 将你的幼蛙修改成为成年青蛙 ; 或者搭建青蛙的另外一个阶段的模型 ( 注意揭示其特征 ) 教师注意搭建和编写程序上给予指导 ; 1 如何将后腿做得更长, 如何搭建前腿 2 如何通过改变蛙眼来改变青蛙的外形 3 让你的模型动起来, 展示这个阶段的用运动特性 ( 如 : 尾巴摇动 四肢跃动等 ) 此部分可根据课程内容及学生需要进行选择性教授 四 分享展示 :10-20 分钟展示本小学的模型设计, 并解释他们是如何通过自己的模型来突出青蛙成长过程的变化的 ( 特征 )
1 演示并解释你是如何通过模型来突出青蛙成长过程的特征 2 让学生展示他们的实验及模型, 展示包括 : 解释青蛙的生命周期 : 每个生长周期的解释 ; 与其他动物或昆虫的生命周期做比较等 3 让学生表述自己实验或模型的缺点( 不足 ) 附 1: 教学实施参考与建议联系阶段 : 学生通过预览图片 视频, 了解大致的实验内容, 并对其进行讨论 介绍青蛙与哺乳动物不同, 青蛙的一生需要经历变态过程 1 青蛙的一生从蛙卵开始 不是所有的蛙卵都会存活, 部分会被捕食者吞食 2 当卵孵化后, 小蝌蚪会开始寻找食物 3 小蝌蚪慢慢长出腿来, 成为幼蛙 4. 在十二周后, 某些青蛙物种已经发育完全, 可以进行跳跃 捕食飞虫和繁殖 一般典型的青蛙从出生到长成需要十六周的时间 当青蛙进入成熟期后, 就可以开始繁殖 青蛙的生命周期一般在两年内, 某些可以活到十五年以上
讨论问题 1. 青蛙是卵生还是胎生动物? 青蛙属于两栖动物, 成体无尾, 卵产于水中, 体外受精, 孵化成蝌蚪, 用鳃呼吸, 经过变异, 成体主要用肺呼吸, 兼用皮肤呼吸 青蛙一向被认为是卵生动物, 不过科学家发现, 一种生活在印度尼西亚苏拉威西岛雨林的青蛙能够产下蝌蚪 这种青蛙是全球 6000 多种青蛙中唯一一种能够 下蝌蚪 的青蛙 2. 从蝌蚪到成年青蛙, 青蛙的身体特征有什么变化? 下颚形状变化, 尾巴变短, 舌头的发育 ( 为捕捉飞虫 ), 四肢变得强健, 肺部开始发育, 鳃开始退化 这只是一个青蛙成长变化的大致概括, 而不是变化的详细描述 3. 青蛙的生理特征的变化与生活环境有什么联系? 动物的变形是为了在新环境中生存下来 蝌蚪从水里发展到陆地, 进食 呼吸和移动的方式都在向着成年青蛙改变
其他问题的探究 1. 植物或类似动物的生命周期是怎么样的? 植物的生命周期与青蛙类似 因为它们体貌特征都有变化, 幼年与成年都不相同 ( 蝌蚪 - 青蛙 ; 种子 - 植物 ) 2. 青蛙有哪几个生命阶段? 蛙卵 - 蝌蚪 - 幼蛙 - 成年青蛙 其他动物的生命阶段与此不同 3. 青蛙是否是唯一需要进行变态发育的动物? 不是, 很多两栖动物都需要进行变态发育, 如 : 大鲵和无尾目等 4. 人类需要进行变态吗 人类的身体会成长, 但不会变态 建构阶段 1. 搭建一个蝌蚪模型 ( 幼体 ) 学生首先搭建一个只有眼睛和长尾巴的蝌蚪 ( 没有腿 ) 在搭建之前, 要求学生画出青蛙生长变化的各个阶段简图, 设计本小组计划搭建的阶段模型结构草图
2. 搭建一个幼蛙模型 学生通过搭建指导, 将蝌蚪变为通过程序可以移动的幼蛙 让学生描述模型的变化 幼蛙最重要的变化是长出了两条后腿 移动模块使用的是齿轮, 通过齿轮使青蛙后腿移动 学生为幼蛙拍照或画素描 3. 为幼蛙模型编写程序 程序会向一个方向启动马达, 为第 8 档, 持续 3 秒钟后, 会停止 建议 : 在学生修改模型前, 让他们试着修改参数, 以便其更好地理解实验 从幼蛙到成年青蛙的变化在搭建完幼蛙后, 学生应该自行修改他们的模型 需要修改的方面有很多, 具体如下 : 1. 改变前后腿 幼蛙时期, 前后腿会长出 学生可以搭建两条长长的后腿和短前腿 学生也可以改变蛙腿的位置, 展示出成年青蛙的移动方式 学生可以修改现有的程序或编写一个新程序, 使四条蛙腿能够移动 2. 外貌的其他变化 拆下尾巴, 添上舌头, 更改眼睛的位置, 然后在皮肤上加上条纹, 使模型看起来更像一个成年青蛙 3. 模仿成年青蛙的行为 学生可以通过声音或运动传感器来改变青蛙的行为 比如 : 可以将运动传感器安装在蛙头上, 在传
感器检测到物体 ( 如 : 手 ) 时, 蛙头可以向后移动 注 : 由于搭建的方式完全取决于学生的设计, 所以上述实验不提供搭建指导或程序样本 反思与延续阶段反思与延续是选择性的拓展教学内容 其中的探究内容是为高年级或高级别的学生所设计的 运用模型做深层探究 : 青蛙是两栖动物, 对周围环境非常敏感 如 : 青蛙的皮肤有呼吸孔, 水中或空气中的化学物品会影响它们的发育 让学生研究外界因素对青蛙生命周期的损害, 如 : 1 环境的改变: 青蛙无法找到配偶 不能自由移动或没有它们所需要的食物 ;2 污染或疾病: 青蛙变异, 多长出一条腿, 或腿部发育不良 ;3 人类的捕杀: 大肆捕杀青蛙, 影响青蛙的繁殖 让学生使用模型来模拟青蛙在以上情况下的行为 深层次探究的其他建议 : 让小组比较他们的模型, 并交流他们的发现和关于影响青蛙
数量的外界因素 科学教育的框架强调, 植物 昆虫与动物在生长过程中都有显著特点 它们都会继承上一代的体貌特征 可以拓展模型试验, 尝试其它的植物 昆虫或动物 分享展示阶段 : 1 完成实验记录: 让学生用不同的方式记录他们的实验, 建议包括以下内容 : (1) 用拍照的方式记录实验结果 (2) 比较拍摄的图片与现实的印象 (3) 让学生用视频的方式记录下对实验的描述 2 展示实验结果学生应展示他们的探究设计制作结果 学生在演示小组设计的模型, 展示还包括 : (1) 解释青蛙的生命周期 ; (2) 模型展示的阶段的特征 ; (3) 用文字和图片的方式来展示青蛙的变化过程 (4) 描述本组设计与建构模型的局限性 附 2: 教师评价与反馈教师评估 : 发展学生的科学和工程实践能力, 需要充足的时间和及时的反馈, 就像在设计环节, 学生要知道 失败乃成功之
母 一样, 评估也应该向学生提供有效的反馈, 包括 : 实验中做得出色的和需要改进的方面 学习的基本问题, 不只是成功和失败 它包括成为一个主动的学习者, 不断地探究和尝试新的想法 评估表可以帮助老师记录下所观察到的有关学生的任何重要信息, 为学生提供有效的学习反馈 学生实验观察评估表年月日 组别 : 实验名称 : 青蛙的生长变化学生姓名探究创造分享科学家 ( 工程师 ) 1 2 3 4 5 6 初级 / 中级 / 熟练 / 高级 栏评估与反馈内容等级参考 : 1 初级( 科学家 / 工程师 ) 学生正处于初级阶段, 尝试着理解实验内容 应用知识内容, 以及或连贯思考实验主题 2 中级( 科学家 / 工程师 ) 学生能够表现出对基础知识, 如专业术语的理解, 但不能应用知识内容或者完全理解概念
3 熟练级( 科学家 / 工程师 ) 学生对实验内容及概念, 有具体的理解, 能够充分展示所学习的实验 内容或概念, 并能够讨论和应用实验要求以外的知识 4 高级( 科学家 / 工程师 ) 学生可以将学到的概念和自己的想法提升到一个新的水平, 可以将学到的知识应用到其他方面, 并且可以将知识综合 应用和拓展到讨论 ( 包括延伸想法 ) 当中 具体评估参考 : 联系阶段在联系阶段, 学生应积极参与讨论, 提出疑问和回答问题, 记录所做出的回答, 并可以用自己的话回答关于实验内容的问题, 如 : 青蛙的生命周期分为几个阶段? 1. 学生无法参与探究阶段的实验问题讨论, 也无法做记录 2. 学生极少参与探究阶段的实验讨论, 并只能记录做出的部分回答 3. 学生能够参与探究阶段的实验讨论, 并记录所做出的回答 4. 学生能够积极地参与探究阶段的实验讨论, 并完整地记录所做出的回答 建构阶段在建构阶段, 学生能够通过计划 设计 设计修改, 积极地探究解决方案 如果需要, 学生还能够利用模型对青蛙生命周期做出解释
1. 学生无法通过创造一个青蛙模型来展示对青蛙生命周期的理解 2. 学生能够创造一个青蛙模型, 并展示对青蛙生命周期的理解 3. 学生能够创造一个形象的青蛙模型, 并能清楚地解释青蛙的生命周期 4. 学生能够创造一个形象的青蛙模型, 并能通过模型完全且清楚地解释青蛙的生命周期 分享阶段在分享阶段, 学生能够解释青蛙的生命周期以及其间的变化, 分享模型的局限性 ( 哪些贴近实际, 哪些与实际不符 ) 1. 学生无法讨论青蛙模型的限制或青蛙的生命周期, 无法利用信息完成最后的实验分享展示交流 2. 学生在帮助下, 能够讨论青蛙模型的限制和青蛙的生命周期, 并利用一些信息来完成最后的实验分享展示交流 3. 学生能够讨论青蛙模型的限制和青蛙的生命周期, 并利用信息来完成最后的实验分享展示交流 4. 学生能够积极地讨论青蛙模型的限制和青蛙的生命周期, 并利用所需要的信息来完成最后的实验分享展示交流 --------------- 附 3: 学生自我评估
观察评估表格用于学生实验实践, 对学生及小组评估 : 1 评估学生每一个进步的表现; 2 给予学生实验实践创建反馈, 帮助学生进步 生自我评估 : 学生可以再实验实践结束后, 反思他们他们的实验工作, 鼓励学生反思并为以后的实验实践设定新的目标 学生自我评估表年月日 1 姓名 小组 实验名称 探究 创造 分享 我对相关问题做出了最好的回答, 并做了记录 我竭尽全力探索设计 搭建和修正, 最终解决了问题 我记录下了实验过程中的重要想法和证据, 并在分享展示中做到了最好 2 3 4 我这次有进步, 做的好的方面或内容 : 实验反思 我下次需要改进的内容 :