楊雨軒 樊燕 謝麗

摘?要：課程是教學活動的載體，是培養(yǎng)國家科技人才的重要舉措.源于美國的STEAM教育作為一種培養(yǎng)未來綜合性人才的跨學科整合教育模式，以提升學生的科學素養(yǎng)與人文素養(yǎng)為目標，強調(diào)培養(yǎng)學生終身學習意識、問題解決能力、科學探究能力與創(chuàng)新能力.因此，設(shè)計具有探究與工程取向的STEAM課程對我國基礎(chǔ)教育改革具有重要指導意義.以“蒸汽機演示儀的制作”為項目主題，在6E設(shè)計型學習模式基礎(chǔ)上，進行了STEAM物理課程設(shè)計的探討.

關(guān)鍵詞：STEAM教育;6E設(shè)計型學習模式;物理課程設(shè)計

文章編號：1008-4134（2020）05-0041中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

基金項目：教育部人文社會科學研究青年基金“指向21世紀核心素養(yǎng)的STEAM課程群的構(gòu)建與實踐研究”（項目編號：18YJC880094）.

作者簡介：楊雨軒（1994-），女，四川廣元人，碩士研究生，研究方向：物理學科教學.

通訊作者：謝麗（1980-），女，湖北潛江人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：物理課程與教學論.

在全球化、信息化和知識經(jīng)濟的背景下，各國之間競爭日益激烈，這種競爭歸根結(jié)底是教育與人才的競爭.各國在人才培養(yǎng)上，都出臺了相應(yīng)的核心素養(yǎng)框架，強調(diào)培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì).而作為STEM教育延伸與發(fā)展的STEAM教育正是培養(yǎng)學生這些“明日所需素養(yǎng)”的教育理念和實施路徑.STEAM教育強調(diào)跨學科知識的整合性，要求學生圍繞生活中的問題與情境進行探究學習，能夠培養(yǎng)學生綜合解決問題的能力、溝通協(xié)作能力、科學探究與創(chuàng)新能力.因此，本文以STEAM教育為切入點，基于6E設(shè)計型學習模式，以“蒸汽機演示儀的制作”為項目主題，進行STEAM課程設(shè)計，希冀為教師開展STEAM教育提供參考.

1?STEAM教育理念

美國提出的STEAM教育將科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）、數(shù)學（Mathematics）的學科內(nèi)容進行整合，并進行創(chuàng)新性教育，以達到培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)與人文素養(yǎng)的目的.該模式強調(diào)課程設(shè)計的延展性，要求學生主動參與活動和項目設(shè)計，通過科學探究來解決問題，旨在培養(yǎng)學生的知識遷移能力和創(chuàng)新能力[1].同時STEAM教育要求學生將碎片化知識進行整合，以多視角、多維度的方式進行學習，不僅能培養(yǎng)學生的理性思維邏輯、科學探究能力與合作交流能力，還能幫助學生養(yǎng)成終身學習的意識.總言之，STEAM教育致力于將學生塑造成具有創(chuàng)造和革新精神的全面發(fā)展的人，支持學生成為未來主導各行業(yè)的綜合型人才[2].

2?6E設(shè)計型學習模式

6E設(shè)計型學習模式是美國國際技術(shù)與工程教育學會于2014年提出的落實STEM教育的活動模式，包括六個環(huán)節(jié)：參與、探索、解釋、工程、深化、評價[3-4].關(guān)于六個環(huán)節(jié)的具體描述如下：

（1）參與環(huán)節(jié)（Engage）：教師通過情景導入并預(yù)先告知相關(guān)學習任務(wù)，使學生將過去與現(xiàn)在的學習經(jīng)驗聯(lián)系起來，設(shè)置問題激發(fā)學生對后續(xù)學習內(nèi)容的興趣，吸引學生參與到教學活動中來.

（2）探索環(huán)節(jié)（Explore）：通過基于項目或問題的探究活動，學生有機會直接參與活動現(xiàn)象與材料，通過探究性科學教學提高學生學習的積極性，整個過程學生可以提問、分析數(shù)據(jù)并思考，培養(yǎng)學生自我建構(gòu)知識的能力.

（3）解釋環(huán)節(jié)（Explain）：學生運用概念或原理來解釋探究過程，以此反思、細化所學知識.教師通過提問，引導學生討論交流，糾正其迷思概念，從而將知識與情景更好地聯(lián)系起來.

（4）工程環(huán)節(jié)（Engineer）：教師向?qū)W生介紹設(shè)計的相關(guān)概念與所需資源，并向?qū)W生提供實際應(yīng)用機會.學生在探究過程中學習，進行裝置相關(guān)制作與測試，并以此改良設(shè)計方案.

（5）深化環(huán)節(jié)（Enrich）：教師通過向?qū)W生引入新的制作活動，引導學生將所學知識應(yīng)用到更廣泛的工程設(shè)計中，以此促進學生對知識的深度理解.

（6）評價環(huán)節(jié)（Evaluate）：教師利用過程性評價對學生制作的產(chǎn)品以及整個探究學習過程進行檢測與評價，了解學生學習中的需求與不足之處，并以此促進教師與學生、學生與學生之間的互動與交流.

6E設(shè)計型學習模式既強調(diào)“科學探究”思維又注重“工程設(shè)計”實踐，要求以學生為中心，教師作為協(xié)助者引導學生在具體情境中感知問題，并運用跨學科知識來解決挑戰(zhàn)性任務(wù)，是開展STEAM教育的有效課程設(shè)計模式[5].

3?基于6E模式的STEAM課程設(shè)計

本研究以高中二年級學生為教學對象，針對高中物理選修3-3“熱力學第一定律”的內(nèi)容，以“蒸汽機演示儀的制作”為項目主題，在6E設(shè)計型學習模式基礎(chǔ)上，進行高中物理STEAM課程設(shè)計.課程共7課時，最后通過學習過程記錄單、評價量表和小測驗三種方式對學生學習效果進行檢驗與評價，以期達到引導學生綜合運用學科理論知識，培養(yǎng)學生知識遷移能力和創(chuàng)造性思維的目的.為更好進行課程設(shè)計，需厘清蒸汽機演示儀知識、6E設(shè)計型學習模式以及STEAM模式之間的關(guān)系（見表1）.

具體教學過程如下：

教學活動1：參與（1課時）.

【教師指導活動】

（1）情景設(shè)置：播放蒸汽火車的視頻（如圖1），視頻介紹蒸汽火車工作結(jié)構(gòu)（如圖2）.

（2）提出問題：回顧所學熱力學第一定律的知識，思考蒸汽火車的工作原理是什么？蒸汽機在生產(chǎn)生活中有怎樣的應(yīng)用與地位？

（3）明確任務(wù)：提出“蒸汽機演示儀制作”的活動任務(wù).

【學生活動】

（1）觀看視頻，分小組討論回答前面的問題.

（2）確定自己已經(jīng)掌握和需要學習的內(nèi)容，清楚本次學習活動的目標與過程.

（3）熟悉掌握本次活動設(shè)計需使用的器材，操作練習相關(guān)軟件.

【設(shè)計意圖】在參與環(huán)節(jié)，主要是通過創(chuàng)設(shè)情景導入學習任務(wù)，激發(fā)學生的學習欲望和動機.就本節(jié)課而言，教師通過設(shè)置蒸汽火車工作這一真實的生活情景，激發(fā)學生的好奇心，從而調(diào)動學生對本節(jié)課的學習熱情.通過提問，將學生的學習目標聚焦到“蒸汽機演示儀的制作”這一活動任務(wù)上來.

教學活動2：探索（1課時）.

【教師指導活動】

（1）介紹建模的概念和過程.

（2）引導學生分析課前查閱的“蒸汽機演示儀”各部分（汽缸、活塞、曲柄連桿、飛輪等）的結(jié)構(gòu)組成與性能.

（3）引導學生思考在保證產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上如何使產(chǎn)品更加美觀.

【學生實踐活動】

（1）小組合作討論設(shè)計所需器材，確定“蒸汽機演示儀”各部分制作方案.

（2）利用幾何畫板畫出該設(shè)計的部分示意圖，對設(shè)計所需數(shù)據(jù)參量進行計算.

（3）小組自由分享自己對產(chǎn)品外觀的設(shè)想，比如顏色如何搭配，大小與形狀如何設(shè)計等.

【設(shè)計意圖】前面學生已經(jīng)清楚設(shè)計的目標，因此在探索環(huán)節(jié)，主要是通過小組討論，頭腦風暴等形式來設(shè)計任務(wù)方案.教師主要是幫助學生根據(jù)探究任務(wù)來確定探究支架，進行科學的探究活動，同時通過學生對產(chǎn)品外觀的設(shè)想，加入學生審美因素，培養(yǎng)學生自信心.

教學活動3：解釋（1課時）.

【教師指導活動】

（1）組織各小組上臺分享設(shè)計方案、設(shè)計思路以及涉及到的學科概念知識.

（2）重點關(guān)注學生對有關(guān)概念與規(guī)律知識的理解，通過提問方式來發(fā)現(xiàn)并幫助學生糾正迷思概念.

【學生實踐活動】

（1）展示幾何畫板畫的裝置結(jié)構(gòu)示意圖（如圖3），用相關(guān)概念規(guī)律來解釋方案各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，對幾何數(shù)據(jù)參量結(jié)果進行說明.

（2）各小組之間進行方案比較，交流與討論，以完善各自的設(shè)計方案.

【設(shè)計意圖】在解釋環(huán)節(jié)，主要是學生分享并闡述自己的探究思路與設(shè)計方案，通過解釋各部分結(jié)構(gòu)原理來暴露認知水平.教師幫助學生進行組間交流從而完善其設(shè)計方案，促進學生進行更準確、更深入的學習.

教學活動4：工程（2課時）.

【教師指導活動】

（1）重申設(shè)計的過程.

（2）所需器材與資源（玻璃試管、玻璃注射器、耐高溫硅膠管、PP板、酒精燈、軸承、曲軸、連桿、蒸餾燒瓶、飛輪、密封圈、直角支架、美工刀、熱膠槍）.

（3）針對學生在制作過程中的疑惑給予適當?shù)慕忉屌c建議，促進學生進一步完善與學習.

【學生實踐活動】

（1）運用相關(guān)理論，進行設(shè)計的制作，同時注重產(chǎn)品外觀呈現(xiàn).

（2）對制作的產(chǎn)品進行性能測試，并對相關(guān)測試結(jié)果進行記錄.

（3）根據(jù)產(chǎn)品的測試結(jié)果，進一步優(yōu)化方案.

【設(shè)計意圖】工程環(huán)節(jié)的目的是讓學生運用科學知識和技術(shù)來解決工程問題.主要體現(xiàn)在將理論設(shè)計方案落到實際操作上，讓學生經(jīng)歷工程設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，并在實踐過程中檢驗該理論方案.整個過程在工程學基礎(chǔ)上加強了學生對數(shù)學、科學以及其他核心學科的學習.

教學活動5：深化（1課時）.

【教師指導活動】

（1）教師設(shè)置新情景，引導學生將產(chǎn)品裝置升級，使飛輪在停下來后可以進行反向轉(zhuǎn)動.

（2）提出裝置升級的有關(guān)問題，引導學生在新情境下將知識與技能進行遷移.

【學生實踐活動】

（1）在新情境下，小組對有關(guān)問題進行討論分析，在考慮蒸汽機演示儀結(jié)構(gòu)和整體裝置穩(wěn)定性基礎(chǔ)上對原方案進行升級改進.

（2）針對新方案進行組間交流，通過詰問等方式深化認識.

（3）小組制作升級裝置，再次體會工程設(shè)計過程.

【設(shè)計意圖】在深化環(huán)節(jié)，教師主要通過提升任務(wù)難度，引導學生進行知識的拓展與延伸，加深他們對所學知識的理解以及將學習轉(zhuǎn)移到新情景的能力.該環(huán)節(jié)是對學生學習的整體提升.

教學活動6：評價（1課時）.

【教師指導活動】

（1）組織小組展示作品裝置（如圖4）.

（2）呈現(xiàn)并說明每階段的評價性量表，見表2.

（3）利用學習過程記錄單對學生各階段的學習表現(xiàn)進行實時填寫，記錄學生知識掌握情況和小組活動任務(wù)完成情況.

（4）組織學生進行自我評價與組內(nèi)評價.

（5）針對學生在整個探究過程中的不足表現(xiàn)，與學生進行交流與意見的指導.

（6）發(fā)放診斷性小測驗，考查學生知識學習與目標達成的情況.

【學生實踐活動】

（1）展示作品，并對設(shè)計進行解釋與說明.

（2）進行自我評價，聽取同學與教師的評價與建議.

（3）小組間進行互評，填寫評價量表，提出建議和鼓勵.

（4）完成小測驗，檢測學習效果.

【設(shè)計意圖】在評價環(huán)節(jié)，教師主要依據(jù)評價量表，以過程性評價為主，總結(jié)性評價為輔，對學生的問題解決能力、探究能力、工程制作能力以及創(chuàng)新能力等進行評價.目的是了解學生對概念和知識技能掌握情況.

4?小結(jié)

STEAM“跨學科”的教育理念符合我國物理課程改革要求與發(fā)展新方向，它不僅是對學科進行整合性的教育，也是一種課程設(shè)置的趨勢，更是一種教學方式的革新[6].該教育模式下進行的6E設(shè)計型教學對學生進行“做中學”的教育，不僅能培養(yǎng)學生“工程設(shè)計”與“科學探究”的能力，還能培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力.因此，基于STEAM教育理念進行課程開發(fā)，對我國物理課程改革具有重要指導意義.在進行STEAM課程設(shè)置時，不僅要強調(diào)教師引導學生基于情景感知問題，綜合運用跨學科知識解決問題，還要注重以學生為中心，教師為引導者，通過小組合作探究的形式進行項目設(shè)計與制作.

參考文獻：

[1]?王娟，?吳永和.?“互聯(lián)網(wǎng)+”時代STEAM教育應(yīng)用的反思與創(chuàng)新路徑[J].?遠程教育雜志，?2016，?35（02）：90-97.

[2]?Yakman?G，?Lee?H.?Exploring?the?exemplary?STEAM?education?in?the?U.S.?as?a?practical?educational?framework?for?Korea[J].?Journal?of?the?Korean?Association?for?Science?Education，?2012（06）：1072-1086.

[3]嚴文法，?蘆瑾，?金普軍.?基于6E設(shè)計型學習模式的STEAM活動設(shè)計——以青銅器文物除銹為例[J].?化學教學，?2018，?380（11）：63-67.

[4]Burke?B?N?.?The?ITEEA?6E?Learning?byDeSIGN[TM]?Model：?Maximizing?Informed?Design?and?Inquiry?in?the?Integrative?STEM?Classroom[J].?Technology?and?Engineering?Teacher，?2014，?73（06）：14-19.

[5]謝麗，?李春密.?整合性STEM教育理念下的課程改革初探[J].?課程·教材·教法，?2017（06）：64-70.

[6]謝麗，?李春密.?物理課程融入STEM教育理念的研究與實踐[J].?物理教師，?2017，38（04）：2-4.

（收稿日期：2019-10-03）