基于“腦靶向教學(xué)法”的STEAM課程的實(shí)施策略
——以《百變投石機(jī)》為例

□ 項(xiàng) 珍

約翰·霍普金斯大學(xué)教育學(xué)院院長瑪利亞·哈迪曼創(chuàng)立的“腦靶向教學(xué)法”在認(rèn)知發(fā)展理論的基礎(chǔ)上融入了腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域的研究成果。它基于科學(xué)，落腳于藝術(shù)，有六大目標(biāo)：好玩、新鮮、全局、強(qiáng)化、實(shí)踐、多元，以期真正破解“激發(fā)學(xué)生的興趣”“讓學(xué)習(xí)有效且持久”的難題。

STEAM教育就是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)于一體的綜合教育。它倡導(dǎo)將各個領(lǐng)域的知識通過STEAM課程結(jié)合起來，讓學(xué)生在綜合的環(huán)境中學(xué)習(xí)，在項(xiàng)目活動中應(yīng)用多個學(xué)科的知識解決問題。

由此可見，在STEAM課程中運(yùn)用“腦靶向教學(xué)法”，通過《百變投石機(jī)》等項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和探究，探索無邊界課程的實(shí)施路徑，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。

一、創(chuàng)造積極情感體驗(yàn)——好玩

華中師范大學(xué)楊麗華教授在《“腦靶向教學(xué)法”的六個“腦目標(biāo)”》一文中提出：據(jù)神經(jīng)科學(xué)研究顯示，大腦的邊緣系統(tǒng)是人類產(chǎn)生情感的反應(yīng)區(qū)域，不良的情緒反應(yīng)是導(dǎo)致邊緣系統(tǒng)不肯向認(rèn)知中心伸出“橄欖枝”的原因之一。相反，積極的情緒體驗(yàn)會促使大腦產(chǎn)生某些化學(xué)物質(zhì)或神經(jīng)遞質(zhì)，有助于神經(jīng)元的連接和鞏固長期記憶。

因此，教師要積極創(chuàng)造良好的課堂氛圍，促使學(xué)生產(chǎn)生積極的情感體驗(yàn)——好玩。以《百變投石機(jī)》為例，在導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師利用自行設(shè)計的小型派送機(jī)，準(zhǔn)確地將糖果派送至一位學(xué)生面前，由此引發(fā)“投石機(jī)”的話題。投石機(jī)是兒童比較感興趣的一種玩具，部分學(xué)生通過樂高積木或者機(jī)器人課程的學(xué)習(xí)積累了類似經(jīng)驗(yàn)，但對于它的工作原理卻很少研究。教師通過創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，把教學(xué)目標(biāo)變成學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。這也成為STEAM課程有效的起點(diǎn)。

二、創(chuàng)造良好物理環(huán)境——新鮮

瑪利亞·哈迪曼在創(chuàng)造良好的物理環(huán)境中提出，可以通過照明、聲音、擺設(shè)等創(chuàng)造出與以往不一樣的感覺，讓學(xué)生覺得有趣、新鮮，來激發(fā)學(xué)生主動探究的欲望。

在《百變投石機(jī)》學(xué)習(xí)中，教師積極營造新鮮的環(huán)境氛圍和真實(shí)的問題背景。首先，研究小組由學(xué)生自己命名并通過席簽公示，如牛頓組、愛迪生組、錢學(xué)森組、祖沖之組、張衡組等。濃濃的科學(xué)研究氛圍，激發(fā)了學(xué)生參與、合作、分享和創(chuàng)新的主動性和積極性。其次，要求研究小組完成一件真實(shí)作品——投石機(jī)。問題背景的真實(shí)性是指建立在真實(shí)需要基礎(chǔ)上的，這種真實(shí)性更容易被學(xué)生理解和接受，更容易讓學(xué)生快速“入境”。因?yàn)橛辛苏鎸?shí)的問題背景，學(xué)生立即與自己的經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生聯(lián)結(jié)，產(chǎn)生了解決問題的興趣與需要，學(xué)習(xí)就自然發(fā)生。

三、設(shè)計體現(xiàn)整體概念——全局

“腦靶向教學(xué)法”認(rèn)為課程設(shè)計要遵循大腦神經(jīng)元“相互連接、一起激活”規(guī)律，體現(xiàn)整體概念，由此勾畫知識大圖景，促進(jìn)學(xué)生對概念的深層次理解。

教師在《百變投石機(jī)》的課始就出示大型投石機(jī)的圖片并設(shè)置投擲任務(wù)，要求學(xué)生利用已經(jīng)掌握的杠桿原理制作投石機(jī)，以投準(zhǔn)為要求從而對投石機(jī)加以改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)投石機(jī)的投準(zhǔn)功能。這樣，就幫助學(xué)生把目前所學(xué)的知識嵌入到已有的知識網(wǎng)絡(luò)中，加強(qiáng)學(xué)習(xí)活動之間的聯(lián)系。投石機(jī)是利用杠桿原理制作的拋射石彈的人力遠(yuǎn)射兵器，它的支撐點(diǎn)在杠桿的1/8或1/9處，比數(shù)越大，用的力量和達(dá)到的速度就越大，相對的石頭的重量就越小。如果教師直接將投石機(jī)的秘訣傳遞給學(xué)生而未經(jīng)運(yùn)用，神經(jīng)元之間的強(qiáng)勁連接也就無法形成，新知識只是一種“過眼云煙”。

因此，教師緊緊抓住核心問題，并將核心問題分解成幾個小活動、小問題，引發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，有層次地推進(jìn)。具體如圖1所示。

圖1 反饋評價層次性示意圖

教師要求以桌子的一端為起點(diǎn)，用自制投石機(jī)將糖果投射進(jìn)桌子另一端的水槽內(nèi)。學(xué)生每人操作投石機(jī)三次，用圖示法記錄糖果投射的第一落點(diǎn)位置。教師針對學(xué)生投射記錄就“三次有一次投中的”“第一次就投中的”兩個問題進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生自制的投石機(jī)能做到“三次有一次投中的”，但只有少數(shù)學(xué)生能做到“第一次就投中的”。教師就此提出核心問題“影響投石機(jī)投中目標(biāo)的因素”，使學(xué)生明確自己的任務(wù)目標(biāo)。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生從橡皮筋的數(shù)量、用力的大小、支架的高度、支點(diǎn)的位置等方面對投石機(jī)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。教師在引導(dǎo)學(xué)生解決問題的過程中充分理解學(xué)生思考和學(xué)習(xí)方式，以新融舊，即將新的知識點(diǎn)整合到學(xué)生既有的知識網(wǎng)絡(luò)中，使學(xué)生獲得了成功的喜悅。這種積極的情感體驗(yàn)強(qiáng)化了他們完成任務(wù)的愿望，促使學(xué)習(xí)真正發(fā)生，刺激更深層次的學(xué)習(xí)的發(fā)生。

四、多種手段反復(fù)演練——強(qiáng)化

哈迪曼指出：“大腦必須經(jīng)過反復(fù)的、強(qiáng)烈的信息輸入的刺激，才能形成永久鏈接。為此，對于同一基礎(chǔ)概念，學(xué)生必須一練再練，教師能做的就是提供不同的學(xué)習(xí)活動，以避免枯燥和效率低下?！?/p>

大多數(shù)學(xué)生都認(rèn)為投石機(jī)的投射距離與力量有關(guān)，卻忽視了橡皮筋的作用。教師通過投射演示，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注橡皮筋的彈力和投射距離有關(guān)。但是該如何證明呢？

在解決任務(wù)的過程中，教師并沒有規(guī)定制作投石機(jī)的材料和方法，而是以開放的方式，期待探究過程和結(jié)果能百花齊放。教師建議每個學(xué)生投射三次，記錄投射落點(diǎn)位置，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，歸納投石機(jī)的工作原理，以調(diào)整和改進(jìn)投射方法。無論是學(xué)生自己投射，還是觀看他人投射，每一次投射都是一次演練，學(xué)生通過記錄投射數(shù)據(jù)、求平均值以及分析數(shù)據(jù)等方式，促使大腦不斷重組、修改和加強(qiáng)神經(jīng)元之間的連接方式和程度，既保持前后知識的連貫性，又產(chǎn)生了新的認(rèn)識，加深學(xué)生對科學(xué)概念和科學(xué)探究的理解，促進(jìn)工程問題的解決。通過實(shí)驗(yàn)的方法使觀察更仔細(xì)，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，思考更深入，設(shè)計更嚴(yán)謹(jǐn)。解決任務(wù)的過程成為人人參與、人人記錄、人人觀察、人人思考、人人動手的過程。學(xué)生通過小組合作，不斷嘗試，反復(fù)練習(xí)。學(xué)生練習(xí)的次數(shù)越多，使用的方法越多，越有利于同一概念信息被處理和加固，更新已有知識網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)新認(rèn)知模式。

五、促進(jìn)對知識的應(yīng)用——實(shí)踐

“腦靶向教學(xué)法”認(rèn)為，因?yàn)椴煌X區(qū)之間是互相對話、互相連接、互相影響的。知識獲取只是有效教學(xué)的第一步，學(xué)生只有將知識應(yīng)用于實(shí)踐，通過高階思維完成解決問題的任務(wù)后，才算是真正掌握了知識。

在學(xué)生研究投石機(jī)彈力與投射距離的關(guān)系后，教師播放了微視頻《憤怒的小鳥》，又出示了四種不同材料、不同類型的投石機(jī)的圖片，學(xué)生以小組合作的方式研究這些投石機(jī)分別靠什么力量投石。學(xué)生通過觀察，模仿圖示選用不同的材料，制作不同結(jié)構(gòu)、不同用途的投石機(jī)，從而發(fā)現(xiàn)“投石機(jī)可以運(yùn)用重力、拉力、物體本身的彈力等投射物體，而投石機(jī)的材料和結(jié)構(gòu)差異是產(chǎn)生不同力量的因素”（見圖2）。

圖2 不同材料、不同結(jié)構(gòu)的投石機(jī)

實(shí)踐出真知。學(xué)生制作一架真正符合要求的投石機(jī)，需要調(diào)動和學(xué)習(xí)關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的背景知識，用適當(dāng)?shù)姆绞綄⑿芦@得的知識與技能運(yùn)用到問題解決的過程中去。實(shí)踐激活了大腦各腦區(qū)之間的對話，將學(xué)習(xí)活動推向深入，促進(jìn)學(xué)生對知識的運(yùn)用，培養(yǎng)了學(xué)生綜合學(xué)習(xí)的能力和解決問題的能力，鍛煉了學(xué)生更高階的認(rèn)知能力。

六、實(shí)施全程學(xué)習(xí)評估——多元

“腦靶向教學(xué)法”認(rèn)為，評價與學(xué)習(xí)過程同等重要，每個階段都包括學(xué)習(xí)評估，尤其是即時評價可以增強(qiáng)學(xué)生的記憶和學(xué)習(xí)效果。因此，STEAM課程的評價應(yīng)貫穿教學(xué)活動的始終且形式多元，既要關(guān)注知識技能的習(xí)得，也要關(guān)注過程的若干要素，如開放式的問題解決方案、活動指導(dǎo)及評價要素等。

以《百變投石機(jī)》為例，教師根據(jù)STEAM課程的要求提早設(shè)計了評價量表。學(xué)生在討論設(shè)計方案前，先認(rèn)真閱讀所給的評價量表，用量表中的評價標(biāo)準(zhǔn)去指導(dǎo)自己的設(shè)計，就此明確活動任務(wù)和評價標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

表1 “投石機(jī)”設(shè)計制作的評價量表

從表1可見，《百變投石機(jī)》的評價方式多元化。例如，每個小組會領(lǐng)到一張材料清單，如使用過某種材料，則寫明數(shù)量；如未使用，則寫0；如使用了不在提供范圍內(nèi)的其他材料，也須注明。通過了解活動所需材料的成本，幫助學(xué)生形成控制工程成本的意識。該評價表既有對投石機(jī)穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度、創(chuàng)新度、美觀度的整體評價，也有對制作投石機(jī)成本及性價比的單項(xiàng)評價，更包含提升學(xué)生設(shè)計文案和演講匯報等能力的綜合評價。在競賽和比較中增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)探究的興趣與信心，提升鑒賞能力。

當(dāng)然“腦靶向教學(xué)法”對傳統(tǒng)類型的評估進(jìn)行了擴(kuò)展，除了使用口頭和書面的評估、測量量表、學(xué)生成績和反思外，還可以通過藝術(shù)手段建立評估方式，如表演、展覽等。

“腦靶向教學(xué)法”，是通過對“大腦如何學(xué)習(xí)的”研究形成的一種新型教學(xué)法，破解了“激發(fā)學(xué)生的興趣”“讓學(xué)習(xí)有效且持久”的難題?；凇澳X靶向教學(xué)法”的STEAM課程，充分把握了小學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和需求，將知識與技能、理解與實(shí)踐很好地結(jié)合在一起，通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和積極性，進(jìn)一步詮釋了STEAM課程跨學(xué)科、趣味性、體驗(yàn)性、協(xié)作性、設(shè)計性、實(shí)證性等核心特征，有效地提升小學(xué)生的綜合素質(zhì)，達(dá)成STEAM課程的教育目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)其教育價值。