夏啟妙

一、體驗學(xué)習(xí)視角下的STEM教育活動

泡泡在生活中十分常見，也十分有趣，深受廣大兒童和青少年的喜愛。但市場上的泡泡溶液一般只能吹出很小的泡泡，且玩法單調(diào)，所以當(dāng)筆者無意中看到巨大泡泡的相關(guān)配方與花樣玩法時，心中無比激動并且躍躍欲試。在查詢資料之后，發(fā)現(xiàn)泡泡涵蓋了物理、化學(xué)和工程等多個方面的知識。近幾年來，強調(diào)跨學(xué)科整合和“在做中學(xué)”的STEM教育受到了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注并在我國的多個地區(qū)得到了推行，但研究生群體作為未來教師的中堅力量卻很缺乏STEM教育活動的體驗經(jīng)歷和教學(xué)經(jīng)驗。因此，筆者希望能以“趣味泡泡”為契機，設(shè)計一個針對研究生群體的STEM教育活動，讓參與者可以完整經(jīng)歷STEM活動的探究過程，以此引發(fā)參與者關(guān)于STEM教育的一些思考。

STEM教育整合了科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)學(xué)科，強調(diào)從現(xiàn)實問題出發(fā)，讓學(xué)生靈活運用各學(xué)科知識和技能動手實踐、動腦思考，培養(yǎng)學(xué)生解決問題和創(chuàng)造性思維等多元能力。STEM教育以杜威的“在做中學(xué)”理念為指導(dǎo)，強調(diào)學(xué)習(xí)者在體驗的過程中積極主動地建構(gòu)知識，這與提倡“把學(xué)習(xí)看作是體驗的轉(zhuǎn)換并創(chuàng)造知識的過程”的體驗學(xué)習(xí)理論不謀而合。體驗學(xué)習(xí)理論的集大成者大衛(wèi)·庫伯提出了“體驗學(xué)習(xí)圈”(如圖1所示)，包括具體經(jīng)驗、反思觀察、抽象概括和行動應(yīng)用的“螺旋式上升”的學(xué)習(xí)過程。學(xué)習(xí)者通過感知(即具體體驗)和領(lǐng)悟(即抽象概括)兩種不同的體驗獲得模式，經(jīng)由內(nèi)涵轉(zhuǎn)換和外延轉(zhuǎn)換兩種不同的體驗轉(zhuǎn)換的加工方式，在體驗的轉(zhuǎn)換過程中創(chuàng)造知識[1]。STEM教育與體驗學(xué)習(xí)理念十分吻合，基于此，筆者以庫伯的“體驗學(xué)習(xí)圈”為指導(dǎo)思想，設(shè)計“趣味泡泡”主題的STEM教育活動，使參與者能夠通過具體體驗與反思觀察不斷地發(fā)現(xiàn)問題，并經(jīng)由抽象概括提出合理的問題解決方案，進一步圍繞問題開展科學(xué)探究、解決問題，然后在新的情境之下展開新一輪的體驗學(xué)習(xí)，不斷完善工程設(shè)計。以下詳細(xì)記錄了本次活動的開發(fā)過程和實施過程，希冀能為廣大教師，尤其是職前教師提供STEM教育活動開發(fā)的新視角。

圖1 體驗學(xué)習(xí)圈

二、將趣味泡泡活動設(shè)計為體驗學(xué)習(xí)視角下的STEM 教育活動

科技館中泡泡活動的趣味性雖較之前有所提高，但參與者在體驗的過程中仍缺乏創(chuàng)造與反思的機會。如何將泡泡活動設(shè)計成一個既有趣，又能促使研究生群體積極創(chuàng)造并引發(fā)深度思考的STEM活動是一大難題。

活動前期的工作主要包括相關(guān)資料的查找、活動方案的設(shè)計、材料的準(zhǔn)備、泡泡液的配置與趣味泡泡經(jīng)典項目的開發(fā)。前期實驗時，筆者根據(jù)參考配方進行操作：在容器中分別加入自來水5 L、黎明濃縮洗潔精200 mL、酒精和甘油各50 mL、瓜爾豆膠粉末10 g、食用小蘇打30 g。其中加入洗潔精是為了降低溶液的表面張力促使泡泡產(chǎn)生，甘油作為保濕劑可以減緩水分的蒸發(fā)，瓜爾豆膠粉末用于增加泡泡溶液的黏稠度和泡泡彈性，小蘇打用于中和泡泡溶液，使其與弱酸性的泡泡溶液反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳，酒精作為有機溶液可以適當(dāng)降低溶液的表面張力，同時促進配料充分溶解。充分?jǐn)嚢韬笮纬傻呐菖萑芤悍浅Ｈ菀灼鹋?，但形成的泡泡比較容易破碎而且隔夜放置后效果會變差。

泡泡的韌度和泡泡溶液的穩(wěn)定性與什么因素有關(guān)？趣味泡泡活動中有哪些問題值得展開探究？帶著這些疑問，筆者將泡泡液帶到了研究生物理教學(xué)設(shè)計課堂上展示，并圍繞這些問題進行討論。得出的結(jié)論是，泡泡易破碎的原因很可能在于液體的表面張力較大，而各種試劑的量、空氣濕度和溫度等因素都可能影響溶液的表面張力，所以實驗時應(yīng)該嚴(yán)格遵循控制變量法并做好實驗數(shù)據(jù)記錄，這樣才能改善泡泡液的配方。為了增加活動的開放性，提供更多探究和創(chuàng)造的機會，筆者設(shè)計了參與者配置泡泡液、制作泡泡模具的比拼環(huán)節(jié)，讓其在體驗學(xué)習(xí)的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，逐漸完善泡泡液配方與泡泡模具制作。

三、玩轉(zhuǎn)趣味泡泡，展開科學(xué)探究

本次活動包括在室外進行的體驗與創(chuàng)新環(huán)節(jié)，以及在室內(nèi)開展的反思交流環(huán)節(jié)，各占2小時。

1.體驗與創(chuàng)新環(huán)節(jié)

(1)主持人發(fā)放活動方案書，介紹活動目的、主要安排、準(zhǔn)備材料和注意事項之后，首先進行的是泡泡的趣味經(jīng)典項目展示，具體包括以下三項：用棉繩系在PVC管上圍成三角形拉出巨大泡泡，用纏著棉繩的鐵絲圍成三角形、五角星、圓形和小兔子形狀的模具拉出長泡泡，用自制的呼啦圈軌道容器挑戰(zhàn)《泡泡套人》游戲(如圖2、圖3所示)。不僅組內(nèi)成員躍躍欲試，廣場上的學(xué)生和居民也紛紛被吸引過來，主動參與探究。

圖2 用螺旋形模具拉出泡泡

圖3 成功挑戰(zhàn)《泡泡套人》游戲

(2)現(xiàn)場制作與比拼環(huán)節(jié)。研究生隊伍和教師隊伍根據(jù)個人興趣選擇配置泡泡溶液(第一組)或制作泡泡模具(第二組)，進行1小時的現(xiàn)場制作，廣場上的群眾則自發(fā)地利用提前配置好的泡泡液和其他材料主動體驗與探究。分組完成之后，兩組成員相互提出要求：第一組需要改善泡泡液配方，突破《泡泡套人》游戲中的泡泡能達到的高度記錄；模具制作小組至少完成4種泡泡模具，并從不同維度對模具的設(shè)計加以說明。明確任務(wù)之后，兩組成員分工合作、相互協(xié)調(diào)，活動現(xiàn)場忙碌起來。

(3)在參與過程中，第一組成員產(chǎn)生了許多困惑：泡泡的韌度究竟與什么因素有關(guān)？為什么不加水的洗潔精很難起泡，而加水稀釋后的洗潔精溶液很容易起泡？酒精和小蘇打是不可或缺的嗎，它們的具體作用是什么？鐵絲的粗細(xì)和棉繩的密度是否會影響泡泡韌度？第一組成員圍繞疑惑展開探究，最終改進了泡泡的配方，突破之前《泡泡套人》游戲中所能達到的最佳高度，能將大泡泡拉至與成人齊高！

(4)第二組利用現(xiàn)場提供的材料充分發(fā)揮想象，借助鉗子等工具動手創(chuàng)造。泡泡的經(jīng)典項目演示激發(fā)了大家的一些想法：能否制作一個模具實現(xiàn)大泡泡里套住小泡泡？能否同時拉出連串的長泡泡？能否同時吹出很多泡泡？接著以1～2人為一組進行探究，并不斷修正與改善個人作品。最終模具制作小組做出多個十分有趣的泡泡模具，完成最初定下的目標(biāo)。有人巧妙地利用樹枝、鐵絲組合制成模具，實現(xiàn)大泡泡套住小泡泡；有人將鐵絲圍成怪獸、花朵的模樣，實現(xiàn)同時拉出連串的長泡泡；有人用挖多個洞的胡蘿卜吹出一連串的泡泡；有人借助胡蘿卜將牙簽搭建成立方體，將其浸入泡泡液中，發(fā)現(xiàn)并不能制成方方正正的“泡泡魔方”，泡泡的各個面會向內(nèi)聚攏；還有人將鐵絲圍成螺旋形模具，發(fā)現(xiàn)拉出的泡泡除前面一小段有兩個圓柱體外，整體部分都與圓形、三角形和五角星的泡泡模具拉出來的泡泡一樣，接近于圓柱體。這些創(chuàng)意與發(fā)現(xiàn)都十分令人驚喜！

2.反思交流環(huán)節(jié)

(1)在反思環(huán)節(jié)，大家圍繞“體驗學(xué)習(xí)圈”回顧活動過程中遇到的問題與解決路徑，填寫個人反思清單并展開討論。許多參與者都注意到活動中有兩個十分相似的有趣現(xiàn)象：《泡泡套人》游戲中可以明顯觀察到泡泡膜有向內(nèi)收縮的趨勢，用牙簽搭建的立方體浸入泡泡液后泡泡也會向內(nèi)聚攏，這兩個現(xiàn)象都說明泡泡膜受到了向內(nèi)拉扯的力，這個力正是液體表面張力的宏觀體現(xiàn)。為了更好地了解表面張力，一位中學(xué)物理教師播放了室外活動中錄制的一個小實驗：將用紙疊成的小船放入清水當(dāng)中，在船頭滴入兩滴洗潔精，小船立即向洗潔精一側(cè)移動，這正是因為洗潔精中的表面活性劑降低了部分水的表面張力，小船后部未滴入洗潔精的水的表面張力更大，因而小船受到了向前的驅(qū)動力。這幾個有趣的實驗讓大家直觀地感受到了液體表面張力的作用和物理學(xué)的奧妙。

(2)為什么形狀各異的泡泡模具吹出的泡泡都接近球形，不同形狀的泡泡模具拉出的長泡泡都接近于圓柱體？這個問題也引發(fā)了大家的思考。當(dāng)泡泡離開模具一定距離后，除重力外沒有任何約束，泡泡薄膜各個方向的表面張力和內(nèi)壓力相同，外界阻力相同，并且球體和圓柱體表面積最小，整體系統(tǒng)能量最低，該狀態(tài)下最為穩(wěn)定，所以呈現(xiàn)為球形或圓柱體。大家都未曾想過，小小的泡泡居然可以引發(fā)一系列的探究和反思，甚至還可以進一步拓展，開發(fā)成一系列的科學(xué)探究活動。

(3)對本次活動的整體設(shè)計與實施過程進行反思，并探討對STEM跨學(xué)科教育的理解與設(shè)想。本次活動最成功之處在于準(zhǔn)備工作比較充分，給大家提供了很好的創(chuàng)造與交流的機會，但同時也存在一些不足：例如由于時間限制，分組展開探究，沒能讓每個人都完整體驗全過程；還可以增加活動的開放程度，例如只提供材料不提供泡泡的參考配方，在小組成員遇到瓶頸之后再提供參考配方等。STEM教育中，教師應(yīng)該創(chuàng)設(shè)一個可以自由創(chuàng)造、展開探究的活動體驗平臺，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者提出問題、解決問題，逐步完善方案并進行反思和交流，梳理收獲，幫助他們在體驗中享受快樂并且有效地展開學(xué)習(xí)進程。

四、結(jié)語

本次STEM教育活動基于體驗學(xué)習(xí)視角進行設(shè)計，強調(diào)在新情境之下不斷修正和完善作品，充分調(diào)動了參與者的創(chuàng)造性和團隊合作精神，為參與者帶來了一次彌足珍貴的STEM教育活動體驗。這次活動的成功開展還證明，STEM教育活動的開發(fā)不必過分依賴激光切割或編程等先進技術(shù)，生活中就有許多值得深度探究的事物，只要善于發(fā)現(xiàn)、善于挖掘，并給予學(xué)生足夠的信任和鼓舞，學(xué)生必將給教師帶來驚喜。