STEM課程在科技館的實踐與探索

徐瑞芳

摘 要 STEM教育是基于科學、技術(shù)、工程和數(shù)學的跨學科整合教育，近年來受到全球教育研究者們的高度關(guān)注，也為我國課程改革及創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供了啟示。以上?？萍拣^“STEM科技館奇妙日”系列課程為對象，重點剖析科技館STEM課程的教學模式并提出優(yōu)化建議，以期對今后我國科技場館STEM課程的開發(fā)實施有所啟發(fā)和裨益。

關(guān)鍵詞 STEM 上?？萍拣^ 非正式教育

0 引言

當今社會競爭異常激烈，迫切需要擁有創(chuàng)新能力的杰出人才。“為何近現(xiàn)代科技與工業(yè)文明沒有誕生在當時世界科技與經(jīng)濟最繁榮的中國？”“為什么我們的學?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出人才？”李約瑟難題、錢學森之問讓中國的教育界不斷反思并探索教育改革的方向。美國STEM教育理念無疑給我們提供了新的思路。其名稱來源于四門學科的英文首字母：科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）。它不僅體現(xiàn)了跨學科的課程整合理念，更是將工程教育放在了突出位置，要求學生具備在真實生活情境中學習、運用知識的能力。

STEM教育甚至已經(jīng)上升為美國的國家戰(zhàn)略。2016美國財年預(yù)算顯示，對聯(lián)邦政府各部門的STEM教育計劃共投入了30多億美元，比2015年實際支出上升了3.8%，并將投資重點放在聯(lián)邦政府STEM教育五年戰(zhàn)略計劃中的五個關(guān)鍵領(lǐng)域，即K-12階段教育（即中小學及學前教育）、本科教育、研究生教育、擴大女性及少數(shù)族裔等人群在STEM領(lǐng)域的參與度、在課堂外進行的STEM教育活動，特別強調(diào)提高非正式STEM教育的普及程度。

雖然我國還未將STEM教育理念正式引入課程改革，但是部分學校已經(jīng)開始嘗試以興趣班的形式開設(shè)STEM課程。另外，許多企業(yè)、社會機構(gòu)和研究人員都嘗試從不同角度，采取多種形式對其展開探究。

科技館作為社會重要的非正式教育場所，是校外科普教育的主要陣地，其最大的優(yōu)勢就在于大量展品和藏品實物資源，這是科技館的立館之本、教育之基，也是它區(qū)別于學校、青少年活動中心等教育機構(gòu)的優(yōu)勢和特色所在?？萍拣^STEM課程偏向于“活動課程”，以學生為中心，尊重學生的興趣和認知發(fā)展需求。其與分科課程相對，不僅打破了學科界限，更以綜合性學習為主要內(nèi)容，以學生的主體活動及經(jīng)驗為主要形式，以促進學生的認知、情感、行為統(tǒng)一協(xié)調(diào)發(fā)展為主要目標。當然，課程的最終目標并不是為了把每位學生都努力培養(yǎng)成STEM領(lǐng)域的專家，最重要的是要幫助他們掌握獲取科學知識的方法，幫助他們發(fā)現(xiàn)生活中的“STEM”。

1 課程概述

2015年7月16日起，由上?？萍拣^、上海STEM云中心、上海青少年科學社共同打造的“STEM科技館奇妙日”系列課程正式亮相上海科技館。活動每周開展一次，為所有崇尚科學、富有探究精神的青少年提供融合科學、技術(shù)、工程、數(shù)學的科學內(nèi)容，注重通過實踐解決問題.。由于這是上海科技館首次開展STEM課程，為了尋找最適合的實施路徑不斷進行摸索、改進、優(yōu)化。

筆者利用問卷調(diào)查法針對2015年和2016年課程進行抽樣調(diào)查，分別采集樣本150個，累計產(chǎn)生300份問卷樣本。同時還采用了參與式觀察法、半結(jié)構(gòu)式訪談法等多種研究方法對課程進行了為期一年多的連續(xù)性跟蹤調(diào)查，通過觀察記錄、總結(jié)分析，嘗試找出適合科技館STEM課程的實施路徑。

2 課程實施調(diào)整

上?？萍拣^“STEM科技館奇妙日”系列課程的實施主要分為兩個階段：第一階段為2015年7月至2015年12月；第二階段為2016年1月至2016年12月。期間，課程的主題內(nèi)容、實施流程、教師結(jié)構(gòu)均有不同程度的調(diào)整，主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）課程主題?！癝TEM科技館奇妙日”每期課程主題均來源于生活實際問題。課程重點培養(yǎng)學生多學科融合思維和實踐能力。如表1所示，2015年課程共涵蓋了7個主題，主要由上海STEM云中心負責課程的完整開發(fā)與實施；2016年課程共涵蓋了10個主題，主要是在2015年課程基礎(chǔ)上優(yōu)化刪減并新增了上?？萍拣^原創(chuàng)課程。

主題調(diào)整的原因，一是由于2015年的部分課程場館資源利用率低。場館再現(xiàn)了真實世界中的現(xiàn)象，可以激發(fā)學生科學興趣，通過知識的有效構(gòu)建進行有意義學習。如“諜影重重——密碼學初探課程”，學生可以通過參觀上?？萍拣^“信息時代”展區(qū)，身臨其境地了解從古至今信息傳遞的方式，并可以實際操作模擬信息編碼、解碼等過程，這對于課程實施的情境引入有著極大的推動作用。為推出具備科技館特色的STEM課程，我們梳理了所有2015年課程，優(yōu)勝劣汰、反復(fù)打磨，在保留部分優(yōu)秀課程的基礎(chǔ)上，通過自我原創(chuàng)開發(fā)，2016年對外投入實踐10個主題課程（見表2）。

二是充分尊重學生興趣愛好，滿足學生認知需求。如圖1所示，通過對2015年參與課程的學生進行問卷調(diào)查，其中60.40%的學生表示更喜歡以“機器人”為主題的課程。因此，在新課程的開發(fā)上也有所傾斜，如“迎賓小車”、“機器情報員”等都涉及機器人領(lǐng)域知識。

（2）課程實施流程。2015年STEM課程的全部授課時間為6個課時，于1天內(nèi)完成。共包括四個主要流程：第一部分，場館探索，即以任務(wù)驅(qū)動方式讓學生完成科技館展區(qū)探究，主要以小組合作形式完成課程配套的STEM學習任務(wù)單；第二部分，教師授課，即由教師進行理論介紹并引入課程知識點；第三部分，實踐探索，即學生設(shè)計構(gòu)想，動手實踐完成屬于自己的作品；第四部分，總結(jié)反思，即學生作品展示并進行活動總結(jié)。

2016年STEM課程實施流程中取消場館探索，全部授課時間調(diào)整為3個課時，約2 h。最初課程設(shè)計的場館探索任務(wù)，要求學生組成臨時探究小組，相互配合共同完成探索任務(wù)。通過展館探索任務(wù)，一方面可以培養(yǎng)學生的探究能力，另一方面更有效加強了學生的團隊協(xié)作意識。在之后的課程中亦會沿用此小組形式完成其他環(huán)節(jié)。通過對2015年STEM課程的學生調(diào)查問卷發(fā)現(xiàn)，有54.46%的學生就“今天的活動中你最感興趣的是哪個環(huán)節(jié)？”一題中選擇了“場館探索”選項，足可窺其價值所在。但由于時間成本、安全成本以及人力成本的多方面考量，2016年的課程實施流程將此部分任務(wù)刪除。

（3）授課人員。為了達到更好的課程實施效果，2015年課程主要由上海STEM云中心的專職老師現(xiàn)場授課。上海科技館的科學老師們?nèi)梯o助并觀摩學習，特別是場館探索任務(wù)需要科技館科學老師協(xié)助學生共同完成，一是為了保證安全性，二是可以給予輔助教學和引導。2016年的課程縮減了場館探索任務(wù)，科技館的科學老師們也通過統(tǒng)一培訓，具備了授課資格，實現(xiàn)了課程的自主管理。

3 案例分析

根據(jù)上?？萍拣^STEM課程報名參與度排名，“水火箭的空氣動力學”是“STEM科技館奇妙日”系列課程開展以來最受學生、家長及老師歡迎的課程之一，本文以此為例展開具體分析。

3.1 課程設(shè)計

課程主題：水火箭的空氣動力學

課程時間：3課時

課程目標：學生使用廢棄飲料瓶等材料制作水火箭，利用壓縮空氣發(fā)射，使之沖上云霄。通過水火箭放飛過程，解釋牛頓第一、第二、第三定律（作用與反作用、慣性、能量守恒定律），從而讓學生了解基本的空氣動力學和飛行力學等方面的知識。

課程實施流程：

（1）教師授課階段

首先，講解實驗倫理安全規(guī)范。STEM課程注重實驗倫理和實驗安全，教師在課前會著重指出此課程中使用的美工刀、502膠水等實驗工具的安全隱患，要求學生在實踐的過程中務(wù)必佩戴護目鏡制作水火箭，防止膠水誤入眼睛。

然后，介紹實驗器材。實驗器材包括STEM配套材料工具盒1個（內(nèi)含火箭尾翼、噴嘴、火箭頭、護目鏡、美工刀、502膠水等）、發(fā)射架、打氣筒、定位號碼貼、百米卷尺、水桶、警示帶等（館方統(tǒng)一準備）；同款飲料瓶2個（由學生自備）。

再進行基于情境式問題導入理論知識。通過近期熱點話題引入問題，如“天宮二號”發(fā)射等事件來構(gòu)建問題情境，將完成火箭發(fā)射任務(wù)作為課程任務(wù)布置給學生。STEM課程應(yīng)以學生為中心，基于問題情境展開學習，而不是理論的直接灌輸，我們可以通過提問“火箭為什么能飛行？”、“火箭飛行需要的能源是什么”等逐步引入理論知識點。

最后，探索科學問題。教師鼓勵學生以小組為單位展開“頭腦風暴”，對水火箭的結(jié)構(gòu)和動力來源進行討論，探索水火箭飛行的原因，設(shè)計水火箭專用的動力系統(tǒng)。

（2）實踐探索階段

第一步，設(shè)計模型，并使用材料制作屬于自己的水火箭。

第二步，設(shè)計實驗測試方案，用控制變量法進行研究，選取不同的變量進行對比。影響水火箭發(fā)射的因素包括自變量如火箭結(jié)構(gòu)、燃料重量、燃料性質(zhì)、角度、氣壓以及因變量如飛行高度、飛行穩(wěn)定性、飛行距離。

第三步，團隊分工。四人為一組進行任務(wù)分工，其中一人擔任組長（安全員），一人擔任安裝員，一人擔任發(fā)射員，一人擔任測量記錄員。

第四步，水火箭發(fā)射，記錄數(shù)據(jù)。來到室外進行水火箭的發(fā)射準備，確保場地開闊，以警示線為界。安裝發(fā)射架后，每兩個小組一輪一同進行發(fā)射，觀察測量水火箭飛行高度、距離和平衡性，并記錄數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。

第五步，根據(jù)發(fā)射數(shù)據(jù)及原理，改進火箭設(shè)計。改變相關(guān)變量，記錄水火箭的發(fā)射數(shù)據(jù)，并進行優(yōu)化改進，填寫STEM課程記錄表。

（3）活動總結(jié)階段

在課程的最后，應(yīng)幫助學生反思失敗原因或總結(jié)規(guī)律經(jīng)驗，并指導學生整理現(xiàn)場。

3.2 效果分析

“水火箭的空氣動力學”課程注重培養(yǎng)學生的多種STEM素養(yǎng)。一是培養(yǎng)科學素養(yǎng)，即運用科學知識來理解自然界的能力。學生通過對水火箭的制作和發(fā)射，了解動量守恒、氣壓、作用力與反作用力等空氣動力學的知識，并學會利用這些物理知識對水火箭的發(fā)射效果進行優(yōu)化。二是培養(yǎng)技術(shù)素養(yǎng)，即理解、運用技術(shù)的能力。學生通過該課程的學習，了解到火箭相關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程，并且用相似的原理技術(shù)制作出水火箭并成功進行發(fā)射。三是培養(yǎng)工程素養(yǎng)，即對技術(shù)的工程設(shè)計與開發(fā)過程的理解能力。課程中，教師用工程問題的解決方法對課程進行了設(shè)計，并讓學生運用簡單的材料制作水火箭，從而拉近了火箭這個高科技、高難度的知識領(lǐng)域和學生之間的距離，有效激發(fā)學生學習熱情。四是培養(yǎng)數(shù)學素養(yǎng)，即運用邏輯運算、推理、變量控制等方法進行計算、判斷、分析的能力。該課程中，學生對水火箭的發(fā)射角度，加水量（水充當燃料）、打氣量都可以進行測算。學生還學習使用控制變量法，并以此來觀察改變某些變量后出現(xiàn)的現(xiàn)象并認真做好數(shù)據(jù)記錄。

筆者通過參與式觀察法和問卷調(diào)查法對“水火箭的空氣動力學”這一課程進行了觀察和記錄，從課程實施過程中反映出以下幾個現(xiàn)象：

（1）課程內(nèi)容存在一定難度，但學生進步明顯。如圖2所示，通過問卷調(diào)查及訪談溝通，筆者發(fā)現(xiàn)學生對于空氣動力學、飛行力學的相關(guān)知識理解存在困難，僅有24.75%的學生覺得課程知識點容易理解，大多學生存在部分問題難以理解，甚至有約1%的學生表示幾乎完全沒有理解。不過值得肯定的是，通過課程學習，有92.17%的學生表示學習到了新知識。比如，學生們以往對于火箭的理解停留在只有科學家才可以參與制作并進行發(fā)射的階段，但是課程利用身邊材料制作的水火箭拉近了學生和火箭之間的距離。雖然部分知識點過于專業(yè)化，但是通過老師引導，學生們對相關(guān)知識有進一步的理解，有效地培養(yǎng)了學生的動手實驗?zāi)芰?、科學探究能力和學習熱情。

至于學生無法理解課程內(nèi)容的原因主要有以下兩個方面：一是課程難度缺乏精細化劃分。“STEM科技館奇妙日”系列課程的學習對象主要是三年級至六年級學生。事實上，關(guān)于課程中涉及的力的知識在初中階段才會詳細且系統(tǒng)化的學習。因此對于三、四年級的學生而言存在一定的認知困難。建議可以根據(jù)學習對象的認知發(fā)展水平，設(shè)計不同難易程度的課程內(nèi)容和要求。二是教師專業(yè)性程度不夠。STEM教育要求教師有扎實的學科知識、專業(yè)的教育學背景和靈活的教學能力，才能夠在復(fù)雜的情境中培養(yǎng)學生的問題解決能力。然而，科技館的科學老師并非都是教育背景出身。中國以往單科教學的模式，使得科學老師對于跨學科的知識整合缺乏必要的靈活性和專業(yè)性。

（2）課程參與度飽和，學習對象性別比例懸殊。自“科技館奇妙日”系列課程推出以來，線上微信報名、線下團隊預(yù)約火爆且出勤率遠高于其他館內(nèi)課程?？上У氖?，參加課程的學生性別比例懸殊，男生比例達到63.37%，而女生僅為36.63%。

事實上，不論從水火箭制作質(zhì)量和飛行效果來看，女生表現(xiàn)甚至超越男生。“水火箭的空氣動力學”和上?？萍拣^其他STEM課程一樣，要求學生基于工程設(shè)計方法來解決實際問題，需要嚴謹?shù)膽B(tài)度和嚴密的邏輯。在我國的社會認知和學校教育中，通常認為男女生學習方式、性格特點存在差異，存在女性較為感性，而男生偏好邏輯和實踐學習的刻板印象。

（3）不善于運用數(shù)學工具、工程設(shè)計方法解決問題。筆者通過參與式觀察法發(fā)現(xiàn)，學生在課程中遇到困難時，往往更傾向于尋求老師、同伴的直接幫助，自我探究能力較差，不善于通過記筆記、繪圖、運用公式計算等方式解決問題。這在學生的調(diào)查問卷中也有體現(xiàn)。

如圖3所示，問卷調(diào)查表明學生較為缺乏自我探究精神。STEM課程要求學生靈活運用各類解決問題的“工具”，如利用邏輯運算得出水火箭加水量的多少，通過繪圖初步構(gòu)建水火箭的模型，通過筆記來進行水火箭的飛行記錄等。但我國學生因“填鴨式教學”的習慣往往更依賴老師和書本直接獲取“答案”，這就需要老師在課程中更多的將機會給予學生，鼓勵學生勇于提出假設(shè)、反復(fù)實驗，盡可能通過自我探究解決問題。

4 優(yōu)化建議

通過一年多的實踐，“STEM科技館奇妙日”系列課程不斷優(yōu)化，但是仍有較大的提升空間。

一是基于科技館各類教育資源，打造場館特色STEM課程?？萍拣^的非正式教學環(huán)境，不拘于學校課堂的刻板與規(guī)范，將科學知識以真實的情境展現(xiàn)在學生面前，讓學生自然而然地產(chǎn)生對科學的興趣和求知欲。在科技館實施的STEM課程，應(yīng)充分利用場館資源進行整體規(guī)劃設(shè)計與實施，打造具有科技館特色優(yōu)勢的課程。課程實施前，可以通過網(wǎng)絡(luò)分享STEM任務(wù)學習單、參觀手冊等便于家長或者學校老師引導學生課前開展場館探究活動；課程實施中，教師基于學生對于相關(guān)展品展項的參觀經(jīng)歷構(gòu)建真實的學習情境；課程實施后，學生可進一步參與體驗相關(guān)展項，在實踐中鞏固課程習得的知識。

二是基于學生認知發(fā)展水平，對STEM課程內(nèi)容進行精細化分類設(shè)計，全面考慮兒童的認知發(fā)展水平。皮亞杰將兒童心理或思維的發(fā)展分為感知運動階段（0～2歲）、前運算階段（2～7歲）、具體運算階段（7～12歲）和形式運算階段（12～16歲）。通過問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)參與上?？萍拣^STEM課程的學生年齡段主要集中在10～13歲，基本處于具體運算階段和形式運算階段這兩個認知發(fā)展水平間。針對不同學習對象進行課程設(shè)計時，可以按照其認知發(fā)展水平來進行劃分，同一主題可以設(shè)置小學低年級、中高年級和初中以上學生的不同版本。只有進行精細化設(shè)計，才能使課程的實施效果最大化。

三是基于真實問題情境引導，激發(fā)學生探究熱情和團隊合作能力。實際上，教師在課程中創(chuàng)建了一個真實生活的“實習場”，學生在此遇到的問題與進行的實踐，可能會在今后現(xiàn)實生活中再次遇到。STEM課程不僅需要教師設(shè)計一個來源于真實生活的問題情境，將學生導入課堂教學中，更是通過一個個真實復(fù)雜的情境問題為線索，逐步深入引導學生以小組合作的形式進行探究，進而完成復(fù)雜的STEM課程任務(wù)。作為課程情境設(shè)計者和引導者，教師需要整體規(guī)劃和實施，專業(yè)性要求較高。

四是基于工程設(shè)計方法，建立以科學探究和工程設(shè)計相結(jié)合的STEM教學模式。摩爾等提出，將工程實踐或工程設(shè)計作為情境會可以很自然地將學生引入整合性STEM學習中。通過工程設(shè)計的思路進行教學，有助于培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)及實際問題的解決能力。工程設(shè)計流程包括識別問題、研究、構(gòu)想、分析想法、構(gòu)造原型、測試和完善、交流和反思。結(jié)合工程設(shè)計流程和探究式課程中的5E教學模式，我們設(shè)計出更適合科學探究和工程設(shè)計相結(jié)合的場館STEM教學模式，共分為6步：（1）明確問題：為學生預(yù)設(shè)課程情境，明確課程主題；（2）展開探究：問題導向，鼓勵學生展開場館探究；（3）解釋遷移：引入理論知識點，進行解釋、遷移和拓展；（4）構(gòu)想設(shè)計：鼓勵學生采用“頭腦風暴法”進行小組討論，團隊共同設(shè)計方案；（5）實踐完善：讓學生制作屬于自己的STEM作品，并引導其反復(fù)測試、優(yōu)化完善；（6）總結(jié)評價：對課程內(nèi)容進行總結(jié)，并對學生新知識的掌握度進行評價。

5 結(jié)語

STEM教育作為美國教育改革的重點，是國際教育改革的風向標。上?？萍拣^嘗試推廣的“STEM科技館奇妙日”系列課程在學習國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合館情和實際授課情況，反復(fù)調(diào)整課程模式，從非正式教育角度出發(fā)進行STEM教育實踐，不失為一條絕佳的研究路徑。

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