基于PBL理念的STEAM課程開發(fā)

欒富海

摘要：本文以“和鳴，穿越千年的禮樂STEAM課程”開發(fā)為例，基于問題學習和項目學習的理念，設置學習模塊，開發(fā)學習項目，用任務驅動的方式引導學生在設計實驗、科學探究、解決問題的過程中學習知識、提高技能，進而發(fā)展學生的科學思維等。

關鍵詞：PBL;STEAM;科學思維

為加強南京市與臺灣、香港、澳門地區(qū)中小學科技創(chuàng)新教育研究與實踐的交流互動，應對科技創(chuàng)新教育的新挑戰(zhàn)，探索新對策，推動中小學科技創(chuàng)新教育共同發(fā)展，四地聯(lián)合舉辦了中小學科技創(chuàng)新教育交流活動，活動中開設了主題為“穿越兩千年，奏響科技‘音”的創(chuàng)意制作挑戰(zhàn)賽，旨在在文化情境中設置工程任務，讓青少年在領悟中國數(shù)千年的傳統(tǒng)文化精髓、了解古代文明深厚的文化內(nèi)涵的同時，展開科學探究、實踐及人工智能和編程設計，

為有效組織學生參加此次活動，基于PBL理念，筆者以研究學習為主線進行探究活動，開發(fā)了一門STEAM校本課程，取名為“和鳴，穿越千年的禮樂”。PBL有兩種釋義，一種是基于項目的學習，另一種是基于問題的學習。無論是基于項目還是基于問題，都是以學生為中心的知行合一的體驗式和實踐式學習方法。

課程目標

科學（S）：了解古代編鐘的相關構造、歷史及作用;理解聲音產(chǎn)生的原理;了解各音階的振動頻率;掌握光電傳感器的工作原理。

技術（T）：掌握物體敲擊后諧振頻率的測量及調節(jié)方法;掌握利用光電傳感器進行機器人巡線的方法;知道木工制品的制作程序，初步掌握畫線、鋸割、打磨、榫連接、釘連接組合等一些基本的木工加工方法，能夠根據(jù)不同的材料選擇合適的連接方式。

工程（E）：在了解編鐘原理的基礎上，結合科學和技術知識，完成編鐘模型的設計;知道單、雙、三及更多光感巡線的優(yōu)勢與劣勢，能根據(jù)工程約束因素進行有效的選擇。

藝術（A）：能夠從美學出發(fā)，對人工智能的機器人樂手做裝飾;能夠將文化元素有效融入編鐘和機器人樂手的制作之中;了解一定的樂理知識，并應用于機器人樂手的演奏之中。

數(shù)學（M）：能夠結合材料的尺寸和配件的規(guī)格合理確定編鐘和演奏機器人的大小;能夠把編鐘和演奏機器人的空間結構分解成平面零件圖。

課程內(nèi)容

1.我是“調查員”

學習項目：古代編鐘的歷史及構造。

古代有哪些打擊樂器？編鐘和編磬有怎樣的區(qū)別？編鐘在古代社會有怎樣的作用和地位？編鐘的構造到底是怎樣的？帶著這些問題，教師引導學生開展線下編鐘學習活動。利用周末、節(jié)假日前往博物館等地尋找編鐘，此外，還可到學校圖書館等地借閱相關圖書，或者利用網(wǎng)絡搜索。

學習成果：此環(huán)節(jié)學習結束，學生要完成一篇線下學習記錄，呈現(xiàn)編鐘的歷史、構造、發(fā)音原理等，并制作相關介紹PPT，小組學習成果分享。（學生結合實際問題，多渠道收集資料，提升了信息獲取能力）

2.我是“調音師”

學習項目：諧振頻率的測量與調節(jié)。

聲音作為一種物理現(xiàn)象，它是由物體振動而產(chǎn)生，敲擊一個物體，人能聽到或清脆或沉悶的聲音。它能否作為“do re mi fa sol 1asi”中的一個音階？如果能，我們又如何評判這個聲音到底是哪個音？這樣的評判夠精準嗎？通過一連串的問題來開展本項目的探究實驗，教師借助相關工具軟件進行諧振頻率的精確測量，引導學生開展軟件操作的自主學習，測量聲源的諧振頻率。在熟練軟件操作后，針對問題，變換不同實驗對象，歷經(jīng)猜想、探究、驗證、結論和交流的科學探究過程，如變換敲擊物體和被敲擊物體的材質（竹棍、瓷器、玻璃瓶、金屬片、金屬管等），變換它們的大小、長短，以及變換敲擊位置（上方、中間和下方）等。

學習成果：此環(huán)節(jié)學習結束，學生對聲音、頻率等物理概念認知清晰，并完成對編鐘模型“鐘”以及“鐘錘”的制作材料選型，掌握音階的調整方法。

3.我是“小木匠”

學習項目：木工工藝初體驗。

木制品在我們的身邊隨處可見，人們對木材巧妙加工后用以裝飾生活。中國古建筑以木材、磚瓦為主要建筑材料，以木構架結構為主要的結構方式，由立柱、橫梁、順檁等主要構件建造而成，你知道它們各個構件之間是怎樣連接的嗎？這樣的連接有何優(yōu)點？由此問題入手，教師引導學生了解榫卯結構，了解我國木匠的祖先魯班，以及他發(fā)明創(chuàng)造的鋸、鑿木工制作工具等。木工工藝中除了榫卯連接，還有膠連接、釘連接等。在教師的帶領下，學生嘗試使用現(xiàn)代木工工藝中的電動工具（釘槍、電圓鋸、電鉆等），遵從木工制品的制作程序——畫線、鋸割、打磨等，體驗木工制作，制作過程中教師注意做好安全教育工作。掌握了基本的木工制作的方法后，再來分析編鐘架，現(xiàn)代材料中，除了木質外，還可以使用哪些材料來制作編鐘架？它們又可以進行怎樣的連接？嘗試使用生活中產(chǎn)生的可回收材料來實現(xiàn)自己的想法，完成“編鐘”的制作。

學習成果：此環(huán)節(jié)學習結束，學生初步掌握通用技術中的木工加工方法，手工繪制“編鐘”模型圖紙，并根據(jù)安裝圖紙動手制作一個編鐘架，懸掛上自己調音后的“鐘”，最終完成“編鐘”的實體模型。

4.我是“程序員”

學習項目：機器人巡線與敲擊。

以馬達前驅的機器人如何直行、后退、左拐及右拐？如何能夠獲取人所指定的軌跡信息，按指定路線行走？如何讓機器人敲擊物體？帶著這些問題，教師指導學生由易到難，逐步深入。教師引導學生開展探究實驗，討論各種速度設置及其適用場合，并提煉觀點。簡單運動實現(xiàn)后再到復雜運動——巡線，教師引入光電傳感器，帶領學生明白其作用和工作原理。隨后從簡單的雙光感巡線出發(fā)，結合圖示模擬過程，探究其算法，研討程序實現(xiàn)、調試等。有了機器人馬達驅動的基礎，最后再去解決讓機器人敲擊物體，即通過馬達來控制擺動角度，進而實現(xiàn)敲擊動作。在機器人巡線與敲擊的調試過程中，引導學生記錄問題，思考其原因，嘗試自我解決以及小組互助，做好常見問題的收集整理。

學習成果：此環(huán)節(jié)學習結束，學生會分析巡線算法，編寫程序，最終實現(xiàn)機器人復雜的巡線運動，并能控制馬達實現(xiàn)敲擊動作。針對兩個任務過程中出現(xiàn)的問題，學生分析并找到解決問題的途徑。此外，學生初步形成做工程筆記的意識，并與他人分享自己的問題解決觀點和經(jīng)驗。

5.我是“美容師”

學習項目：美化“編鐘”與機器人樂手。

中國有著數(shù)千年的傳統(tǒng)文化，你的“編鐘”和機器人樂手中有哪些傳統(tǒng)文化內(nèi)容的體現(xiàn)？如何圍繞主題“和鳴，千年的禮樂”及活動的組織地（如南京）等來進行設計、美化“編鐘”與機器人樂手？在問題的引領下教師組織學生開展討論交流，分享想法，并集體分析這些美化舉措的可行性。對可行性高的創(chuàng)意想法進行具體的操作，最終實現(xiàn)美化的目的。

學習成果：此環(huán)節(jié)學習結束，學生能結合自己對中國傳統(tǒng)文化的認識，運用美術知識、手工知識等讓“編鐘”與機器人樂手更美、更逼真。作品不僅展現(xiàn)了科技創(chuàng)意與創(chuàng)新，還展示了學生們“發(fā)展優(yōu)秀文化、創(chuàng)新傳統(tǒng)文化”的開拓精神。

課程評價

1.評價方法

考慮到課程內(nèi)容、學生基礎、STEAM課程的開放靈活性等，本課程分別針對個人和小組開展學習過程及學習效果評價，并采用多種方法和形式進行。本課程趨向于差異化和個性化的學習，最終項目成果沒有絕對的統(tǒng)一標準，極具多樣性。

2.評價內(nèi)容

針對個人的學習過程評價維度：①課堂上能積極思考，踴躍回答老師的提問;②能認真仔細觀察，發(fā)現(xiàn)問題，并提出自己的解決方案;③有工程筆記，筆記整理工整，內(nèi)容詳實;④能針對教師的問題，積極參與小組內(nèi)的討論，大膽發(fā)表自己的觀點。

針對個人的學習效果評價維度：①通過調查研究對古代編鐘有了全面的了解;②掌握了物體敲擊諧振頻率的測量;③知道木工制品的制作程序，初步掌握畫線、鋸割、打磨、榫連接、釘連接組合等一些基本的木工加工方法;④知道了光電傳感器的工作原理，并掌握了雙光感巡線以及電機（馬達）的使用方法。

針對小組的學習效果評價維度：①初步繪制了編鐘模型的設計圖;②完成了“編鐘”模型的制作與調音，成功組裝了具有人工智能的機器人樂手;③能自主編程，實現(xiàn)了具有人工智能機器人樂手的巡線、敲鐘，并不斷改進;④形成了“和鳴項目”完整的設計方案。

結束語

本課程的開發(fā)有效融合了語文、數(shù)學、物理、歷史、音樂、美術、信息技術、通用技術等多門學科知識，設置了五個子項目，每個子項目又分別以問題來驅動，使學生在解決問題的過程中從參與體驗到探究科學，再到探究技術、探究工程，在課程實施的過程中提升學生的科學研究技能，培養(yǎng)他們的科學研究方法、創(chuàng)新能力、科學思維以及計算思維等。