本文基于A-STEM教育理念及其特性，以“超聲波檢測(cè)平均速率”為跨學(xué)科教導(dǎo)學(xué)例，提出學(xué)科融合創(chuàng)新策略，促進(jìn)跨學(xué)科課程發(fā)展，培養(yǎng)中學(xué)生綜合能力。
項(xiàng)目目標(biāo)
知識(shí)與技能：
1.理解超聲波傳感測(cè)速的工作原理（科學(xué)）；
2.搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)M場(chǎng)景以及測(cè)速器件系統(tǒng)（工程、藝術(shù)）；
3.運(yùn)用嵌入式編程手段控制超聲波傳感檢測(cè)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)可視化（技術(shù)）；
4.按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算出平均速率，加深對(duì)平均速率的理解（數(shù)理）。
過(guò)程與方式：
1.把握超聲波傳感的使用（科學(xué)、技術(shù)）；
2.感受設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)操作、記錄數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的完整過(guò)程（技術(shù)、數(shù)理）。
情感心態(tài)與價(jià)值觀：
1.通過(guò)利用開(kāi)源硬件及軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，迸發(fā)學(xué)習(xí)興趣測(cè)量平均速度教學(xué)設(shè)計(jì)，提高信息素質(zhì)；
2.培養(yǎng)認(rèn)真仔細(xì)、不斷改進(jìn)的科學(xué)心態(tài)，以及正確、實(shí)事求是檢測(cè)和記錄數(shù)據(jù)的良好作風(fēng)。
重難點(diǎn)剖析
遵守A-STEM教育理念，本實(shí)驗(yàn)以數(shù)學(xué)公式v=s/t為學(xué)科核心基礎(chǔ)，以超聲波傳感為工具，結(jié)合編程思想，設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)踐方案，進(jìn)而達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)療效和能力提高。從這一理念出發(fā)，筆者對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了梳理，并剖析了重難點(diǎn)的突破策略。
一、項(xiàng)目重點(diǎn)
本次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重點(diǎn)是理解超聲波傳感測(cè)速、測(cè)距的工作原理，模仿并具象出實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)技巧、記錄和整理數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因而進(jìn)一步把握物體運(yùn)動(dòng)的平均速率的涵義和求解方式。
二、項(xiàng)目難點(diǎn)
本次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的難點(diǎn)是按照搭建的場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)方案，運(yùn)用嵌入式編程手段控制超聲波傳感檢測(cè)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的可視化。
三、重難點(diǎn)突破策略
1.生活經(jīng)驗(yàn)與數(shù)學(xué)公式相結(jié)合
在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，班主任為中學(xué)生提供高速道路上測(cè)速儀的工作視頻，激起中學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，再將生活中電子測(cè)速儀的工作形式具象為化學(xué)方式的簡(jiǎn)單動(dòng)漫，以便中學(xué)生理解和模仿怎么依據(jù)公式v=s/t實(shí)際檢測(cè)一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的平均速率。
2.制做超聲波傳感的使用指南
這本使用指南針對(duì)超聲波傳感的連線方法以及編程模塊進(jìn)行了詳盡的講解，并為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了相關(guān)表格。中學(xué)生參照指南中的講解輔助實(shí)驗(yàn)過(guò)程，逐漸填寫(xiě)表格，可減少實(shí)驗(yàn)難度，但不會(huì)增加實(shí)驗(yàn)拓展深度。
3.異質(zhì)分組，合作探究
課前班主任對(duì)中學(xué)生進(jìn)行了充分的學(xué)習(xí)進(jìn)度和能力調(diào)查，分組時(shí)，班主任在尊重中學(xué)生意愿的前提下，保證小組各班委間能力有別，才能有針對(duì)性的任務(wù)分工，同時(shí)也提供了中學(xué)生間互相學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。
4.采用信息化手段優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，班主任鼓勵(lì)中學(xué)生運(yùn)用筆記本解決碰到的問(wèn)題、進(jìn)行資料拓展收集以及代碼注釋等。在評(píng)價(jià)方面測(cè)量平均速度教學(xué)設(shè)計(jì)，班主任注重過(guò)程性反饋和評(píng)價(jià)，對(duì)中學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程給與反饋，并做好記錄。
項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施行
基本次跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要是為了引導(dǎo)中學(xué)生跨學(xué)科解決問(wèn)題、研究性學(xué)習(xí)，體驗(yàn)完整的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，解決生活中的真實(shí)問(wèn)題。項(xiàng)目施行流程包含“四階段、十環(huán)節(jié)”（如圖）。
一、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，確定實(shí)驗(yàn)器材，搭建實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景
中學(xué)生初步擬定的實(shí)驗(yàn)方案為：在斜面上搭建兩個(gè)超聲波傳感，按照貨車(chē)與超聲波傳感的距離，采集被測(cè)試貨車(chē)接觸時(shí)間和離開(kāi)時(shí)間，經(jīng)估算將運(yùn)動(dòng)時(shí)間顯示在屏幕上。
須要的實(shí)驗(yàn)器材有：斜面、刻度尺、小車(chē)、超聲波傳感、UNO主控板、顯示屏、電池盒。
二、編程實(shí)現(xiàn)具體功能及數(shù)據(jù)可視化
按照實(shí)驗(yàn)方案，中學(xué)生借助編程手段獲取須要的原始數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理后的有效數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，以便讀取記錄。
三、分層次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并真實(shí)記錄數(shù)據(jù)
本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為兩個(gè)層次，為保證數(shù)據(jù)確切性，每位層次進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。貨車(chē)從底部出發(fā)，中學(xué)生分別檢測(cè)通過(guò)斜面全程（0.30m）和斜面下半部份（0.15m）的時(shí)間，進(jìn)一步依照公式估算出二者的平均速率。
按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)偏差基本控制在0.01s左右。中學(xué)生總結(jié)出的初步推論為：全程貨車(chē)的平均速率是0.57m/s，下半段路程貨車(chē)的平均速率是0.82m/s。
四、分析數(shù)據(jù)，延展總結(jié)
基于A-STEM教育理論的跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)不僅僅局限于表面現(xiàn)象，而是要進(jìn)一步從現(xiàn)象找規(guī)律，能夠全面提高中學(xué)生的綜合素養(yǎng)。中學(xué)生再度剖析數(shù)據(jù)，得到延展推論：貨車(chē)在斜面上做的是變速直線運(yùn)動(dòng)，貨車(chē)從斜面頂端滑下，運(yùn)動(dòng)速率越來(lái)越大。
五、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)一步減少偏差
本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)放度很高，利用超聲波傳感有多種方案都可檢測(cè)出平均速率，上面的方案中使用了兩個(gè)傳感，除了耗材還減小了偏差。提出問(wèn)題后學(xué)生自主收集資料，經(jīng)過(guò)充分思索討論后提出兩種新方案。
方案一：多降低一個(gè)車(chē)體厚度數(shù)據(jù)，將超聲波傳感放置于斜面?zhèn)炔浚瑱z測(cè)貨車(chē)開(kāi)始經(jīng)過(guò)至完全經(jīng)過(guò)超聲波傳感的時(shí)間，速率可以表示為v=L車(chē)長(zhǎng)/（t’-t’’）
方案二：將超聲波傳感放置于斜面頂部正對(duì)貨車(chē)，檢測(cè)貨車(chē)由遠(yuǎn)距離點(diǎn)s1到近距離點(diǎn)s2的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，速率可以表示為v=（s1-s2）/（t’-t’’）
通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，只使用一個(gè)超聲波傳感測(cè)試時(shí)間，這樣在降低傳感使用的同時(shí)也降低了偏差，讓中學(xué)生從細(xì)節(jié)處養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究心態(tài)。
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