朱江　谭凰　耿淑玲

[摘 要] 当前，STEM在全球已成燎原之势，但是国内对STEM的研究多停留在理论探索层面，缺乏真正意义上的实践研究。有研究表明，基于STEM理念的教学，有助于加深学习者对数学和科学等内容的理解，同时将知识应用在生活中的能力也得到提高。简单介绍了STEM的内涵和发展，以《自制孔明灯》为例进行了STEM教育理念指导下的中学校本课程内容设计，以期对基于STEM教育本土化的实践研究添砖加瓦。

[关 键 词] STEM；校本课程开发；自制孔明灯

[中图分类号] G632 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）32-0178-02

近年来，STEM教育已经成为国际科学教育的发展趋势，促进了各国科学课程的改革。STEM教育强调多学科交叉融合培养全面发展的创新型科技人才，与我国近期提出的核心素养的核心“培养全面发展的人”不谋而合。目前，中学最广泛应用的课程模式是分科教学模式，即数学、物理、化学等学科教师负责教授各自科目，很少重视学科之间的联系，并且中学阶段对工程教育和技术教育的重视不够，学生缺乏自主解决问题的能力。

一、STEM教育理论

STEM教育（STEM Education）是科学（Science）、技术（Tech-nology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调在问题解决或项目设计的过程中将科学、技术、工程、数学四门独立的学科交叉融合在一起，提高学生的学习兴趣和实践创新能力。

STEM教育始于1986年美国《本科的科学、数学和工程教育》报告，是美国为其科学技术发展储备综合性人才，保障其在国际上的领導地位而提出的，历经三十多年的发展，已趋进成熟。从STEM的提出至今，美国政府出台了一系列政策，并且持续加大财政投入力度，为STEM的成功实施保驾护航。社会各界组织积极响应政府号召，建立了相对完善的STEM教育项目体系，如项目引路（Project Lead To the Way）、变革方程（Change the Equation）等机构。迄今为止，美国已建立了上千所STEM学校，培养了大量的STEM人才。截止2015年，每年的STEM学士和副学士毕业生约为30万。

国内对STEM教育的研究起步较晚。2008年，STEM教育才真正进入我国教育研究界，目前我国对STEM的研究还只停留在对STEM理论探索阶段，缺乏课程资源的实践研究。因此，课程资源是实施STEM必须解决的首要问题之一。

二、校本课程——《自制孔明灯》

鉴于中学生的抽象思维还未发展成熟，对物理知识“阿基米德原理”的理解较为困难，对化学与生产、生活的实质联系缺乏了解，本研究基于STEM教育理论，以中学生为学习对象，以项目设计为学习方式，选取了贴近学生生活、能引发学生兴趣且安全易操作的主题——《自制孔明灯》，将晦涩难懂的科学理论知识融合于生动直观的活动实践课程，使学生更快、更好地理解科学知识，学会应用知识解决实际问题。符合STEM的跨学科、趣味性、体验性、情境性等核心特性。

（一）设计思路

以“制作孔明灯”“放飞孔明灯”两个活动组织课程，将科学、技术、工程、数学等学科相关知识均包含在内，让学生“动手做”，在“做中学”。活动中涉及的STEM各领域学习内容见下表。

（二）课程内容编写

每逢春节、元宵节等一些比较有特殊意义的节日，人们喜欢在孔明灯上写下美好的心愿，放飞到空中，象征着顺利与成功，美好与幸福。你知道孔明灯里蕴含的学问吗？

【孔明灯的原理】

液体和气体对浸在其中的物体有竖直向上的托力，物理学中把这个托力叫做浮力。

阿基米德原理：浸在液体或气体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体所受到的重力。

表达式：F浮=G排=ρ液gV排

孔明灯受到两个力，一个是竖直向上的浮力，一个是竖直向下的重力。燃料燃烧使周围空气温度升高，根据热胀冷缩原理，孔明灯中气体分子之间的间隔增大，气体体积增大，从而排出孔明灯中部分原有空气，孔明灯中气体重力减小。只有满足空气对孔明灯的浮力大于孔明灯中气体重力与孔明灯的自身重力之和，即F浮>G总=G热空气+G灯（1）时它才能上升。

F浮=G排=ρ空气gV灯（2）

G热空气=ρ热空气gV灯（3）

G灯=m灯g（4）

将（2）（3）（4）代入（1）中，推出

m灯<（ρ空气-ρ热空气）V灯（5）

也就是说，当孔明灯的质量（m灯）、孔明灯的体积（V灯）、室温下空气密度（ρ空气）、孔明灯内热空气密度（ρ热空气）四个物理量满足（5）式时，孔明灯才能起飞，且孔明灯的质量越小，就越容易上述条件，孔明灯就越容易起飞。

【一起动手吧 制作孔明灯】

1.材料的选择

竹篾、细铁丝、拷贝纸（500*700 mm）、硅酸钠、固体酒精（约20g）、剪刀、胶水。

2.制作步骤

（1）配制硅酸钠的饱和溶液。

（2）取3张拷贝纸，将其在上步操作中配制好的硅酸钠的饱和溶液中浸泡，片刻后小心取出，放在通风处自然晾干。

（3）用晾干的拷贝纸，将孔明灯设计成你喜欢的形状，比如圆柱形，方形、心形等。

（4）用竹篾扎一个圆圈，将竹圈放在你设计好的孔明灯下端作底，使边沿近于重合，用胶水粘住。

（5）取两根铁丝，固定呈十字交叉状在竹圈内，再将固体酒精固定在两铁丝的交叉点上。如下图所示。

友情提示：操作中勿弄破、弄皱拷贝纸，且拷贝纸黏合处不能留有缝隙。

你已经做好了孔明灯，设计你喜欢的图案让孔明灯更加与众不同吧。

【放飞孔明灯】

在一个天气晴朗无风的夜晚，你和伙伴们带着已经做好的孔明灯来到一个没有高压线、没有建筑物的空旷开阔场地一起放飞孔明灯。其中两人拿住灯底的左右侧，另一人点燃固体酒精，灯内温度升高使孔明灯慢慢膨胀，当感觉孔明灯有上升趋势时一起放手。

假设当晚的室外温度为25℃，空气密度为1.17kg/m3，你的孔明灯所受到的空气浮力是多少呢？

假设你们的孔明灯重量约为100g，忽略燃料燃烧过程中质量的变化，你推算一下，当孔明灯飞起的时候，灯内空气的温度大致是多少度。你们上网查得空气密度与温度有关，具体相关性如下：

温馨提示：

放飞之前检查好孔明灯是否完好，不要在有树木、高压线路、居民区、机场5公里范围内、仓库、加油站等存在安全隐患的地区进行燃放。

资料卡片：

硅酸钠（Sodium silicate），化学式为Na2SiO3，通常为白色至灰白色块状物或粉末状，易溶于水，其水溶液俗称水玻璃。有很好的耐热性，是制备硅胶和木材防火剂的原料。

【思维拓展】

1.试分析将制作孔明灯的薄白纸在Na2SiO3的饱和溶液浸泡片刻的目的。

2.出于環保的角度，怎样可以回收放飞的孔明灯呢？

3.结合所学知识和生活经验，思考除了用固体酒精作为燃料之外，还有哪些适合作为燃料的物质。

三、结语

本研究设计了以《自制孔明灯》为例的中学STEM校本课程，将碎片化知识相整合，提高了学生综合运用知识解决问题的能力。课程内容取材于生活，以小组合作展开教学，在一定程度上提高了学生的学习积极性，同时也培养了学生的合作意识和创新能力。STEM课程多学科融合的特点对教师的要求很高，这就要求教师不能故步自封，只研究自己所从事的学科专业知识，更应该多与其他学科教师交流，不断学习新课程背景下的教育理论，更新教育理念，提高自身的综合素养。

参考文献：

[1]朱学彦，孔寒冰.科技人力资源开发探究：美国STEM学科集成战略解读[J].高等工程教育研究，2008（2）.

[2]钟柏昌，张禄.项目引路（PLTW）机构的产生、发展及其对我国的启示[J].教育科学研究，2015（5）.

[3]钟柏昌，张丽芳.美国STEM教育变革中“变革方程”的作用及其启示[J].中国电化教育，2014（4）.

[4]龙玫，赵中建.美国国家竞争力：STEM教育的贡献[J].现代大学教育，2015（2）.