融合STEM教育的校本課程開發(fā)

劉祺 何京妮 武志偉

摘?要：通過梳理已有的STEM課程開發(fā)和研究成果，明確了適合我國STEM課程的整合形式，即科-工和科-技整合，再結(jié)合我國基礎(chǔ)教育情況進(jìn)行分析，提出了利用自制教具作為STEM課程開發(fā)資源的構(gòu)想.根據(jù)該構(gòu)想并結(jié)合作者的工學(xué)本科教育背景，確定使用以工程設(shè)計(jì)為主軸的6E課程設(shè)計(jì)模式，以人教版“離心現(xiàn)象及其應(yīng)用”的自制教具“棉花糖機(jī)”為課程設(shè)計(jì)的主題 ，給出了具體的課程設(shè)計(jì)案例.

關(guān)鍵詞：自制教具;STEM;課程設(shè)計(jì);棉花糖機(jī)

文章編號(hào)：1008-4134（2019）21-0052?中圖分類號(hào)：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：劉祺（1994-），男，四川綿陽人，碩士，研究方向：中學(xué)物理教育與科學(xué)教育;

何京妮（1995-），女，廣東廣州人，碩士，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新;

武志偉（1991-），男，山西大同人，碩士，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）的概念最早由美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）于上世紀(jì)90年代提出.科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)，相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的學(xué)科是科技的基礎(chǔ)，是高素質(zhì)創(chuàng)新性人才所必備的核心技能，被認(rèn)為是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本動(dòng)力，是增強(qiáng)一個(gè)國家競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段[1].

STEM教育理論與實(shí)踐的研究在我國的高等師范院校間已取得一定的成果，但是成果轉(zhuǎn)化還不理想.我國在基礎(chǔ)教育階段還沒有建立起完整的 STEM 教育體系，也沒有專門的STEM中學(xué)[2].但是，我國愈來愈多的學(xué)校開始嘗試開設(shè)STEM綜合活動(dòng)的校本課程，校本課程結(jié)合STEM開發(fā)課程資源已成為一種趨勢(shì).

本文將從探討適合我國的STEM課程整合形式出發(fā)，闡明選擇自制教具作為STEM課程資源的理由，選擇6E課程模式的依據(jù)，以及確定“棉花糖”機(jī)為課程設(shè)計(jì)主題的原因，最后給出詳細(xì)的課程設(shè)計(jì).

1?適合我國的STEM課程整合形式

STEM 整合類型眾多，可指向同時(shí)包含兩個(gè)或兩個(gè)以上 STEM 學(xué)科內(nèi)容的教學(xué)活動(dòng)，較為常見的有科-數(shù)整合、科-技整合、科-工整合，以及以項(xiàng)目為“珠”串起數(shù)學(xué)、技術(shù)、科學(xué)與工程設(shè)計(jì)理念的珠-線整合模式[3].我國的基礎(chǔ)科學(xué)教育有著良好的科-數(shù)整合傳統(tǒng)，但是在科-技整合和科-工整合上存在一定的缺失[4].因此，我國在STEM的整合發(fā)展中，重心應(yīng)向科-技和科-工整合模式傾斜.同時(shí)，需要注意的是，科-技整合不只是計(jì)算機(jī)技術(shù)的使用，還應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)技能和通用技術(shù).

2?自制教具是合適的STEM課程資源

從STEM課程倡導(dǎo)的真實(shí)問題情景的理念出發(fā)，筆者認(rèn)為物理課程中的自制教具是理想的資源，主要有以下兩個(gè)原因：

一是自制教具蘊(yùn)含了STEM的四個(gè)基本組成部分.

教具在設(shè)計(jì)時(shí)就蘊(yùn)含了基本的科學(xué)原理，具有良好的科學(xué)性（S）;制作教具又需要制作者擁有一定的通用技術(shù)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ夹g(shù)（T）蘊(yùn)含其中;依據(jù)自然科學(xué)原理，使用一定的技術(shù)手段，達(dá)成目標(biāo)的過程是一個(gè)簡(jiǎn)單的工程（E）項(xiàng)目;高中物理學(xué)習(xí)對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)要求較高，數(shù)學(xué)工具的使用貫穿了整個(gè)高中物理課堂，科-數(shù)（M）整合潛移默化地完成了.

二是以自制教具為STEM課程資源符合我國基礎(chǔ)科學(xué)的教育現(xiàn)狀.

就我國中學(xué)物理教育現(xiàn)狀來看，不是所有學(xué)校都能在STEM課程上投入額外的教學(xué)資源.自制教具制作成本較低，可以減少學(xué)校額外的教學(xué)資源投入.新課改鼓勵(lì)物理教師們利用身邊的材料做實(shí)驗(yàn)，這有效地推動(dòng)了自制教具的發(fā)展，大量的優(yōu)秀案例是理想的STEM課程資源，利用這些優(yōu)秀案例進(jìn)行STEM課程設(shè)計(jì)，可以減輕物理教師的課程開發(fā)負(fù)擔(dān).

3?課程設(shè)計(jì)主題和課程模式的選擇

3.1?課程設(shè)計(jì)主題選擇

“離心現(xiàn)象及其應(yīng)用”是現(xiàn)行人教版高中物理必修二第五章第八節(jié)的內(nèi)容，課本給出了多個(gè)與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系緊密的例子.除了課本上的例子外，棉花糖機(jī)也是生活中常見的離心現(xiàn)象及其應(yīng)用的裝置.筆者在一次大學(xué)生創(chuàng)新課堂中，展示了自制教具棉花糖機(jī)，課堂反響非常好，文史類專業(yè)同學(xué)也都對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象充滿了好奇，不斷地咨詢棉花糖機(jī)的工作原理和制作方法.這正是STEM課程需要的真實(shí)而又有趣的問題情境.

當(dāng)然更重要的是棉花糖機(jī)蘊(yùn)含了STEM的基本組成成分.作為教具，首先其蘊(yùn)含了物理知識(shí)，而且制作過程需要通用技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技能.因此，該教具的制作可作為一個(gè)簡(jiǎn)單的STEM項(xiàng)目，供學(xué)生運(yùn)用工程、實(shí)驗(yàn)技術(shù)將抽象的科學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際作品.

基于以上兩個(gè)原因，筆者選擇棉花糖機(jī)為STEM校本課程設(shè)計(jì)的主題.

3.2?課程設(shè)計(jì)模式的選擇

6E模式是美國國際技術(shù)與工程教育學(xué)會(huì) （ITEEA）于2014年提出的設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式，是近年來廣受推崇的、以工程設(shè)計(jì)為主軸的課程設(shè)計(jì)模式[5].該模式主要有6個(gè)階段，分別是：1.參與（Engage）;2.探索（Explore）;3.解釋（Explain）;4.工程（Engineer）;5.深化（Enrich）;6.評(píng)價(jià)（Evaluate）.

根據(jù)前文的論述，本文的STEM課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)整合方向是科-工和科-技方向，因此選用較為成熟的6E課程模式.由于學(xué)生在新授課已經(jīng)接觸了自制教具棉花糖機(jī)，形成了一定的思維定勢(shì)，所以在工程設(shè)計(jì)模式的選擇上采用逆向設(shè)計(jì)模式，順應(yīng)學(xué)生的思維定勢(shì).

4?自制教具棉花糖機(jī)的制作

4.1?所需材料

直徑6mm銅管、鋁合金聯(lián)軸器2個(gè)、標(biāo)準(zhǔn)軸550電機(jī)、熱熔膠、電烙鐵等.

4.2?制作方法

（1）在易拉罐上部和下部四等分點(diǎn)打4個(gè)孔，下部4個(gè)孔用十字型細(xì)鐵絲穿過，并在外部預(yù)留有一定余量.而上部4個(gè)孔，則需要使用V字型細(xì)鐵絲對(duì)稱交錯(cuò)排布，同時(shí)也應(yīng)在易拉罐外部預(yù)留一定余量，如圖1所示.

（2）銅管下部裝上聯(lián)軸器，穿過交叉放置的V型鐵絲中間空隙，確保其在中心位置，隨后收緊V型鐵絲，使得易拉罐懸掛于聯(lián)軸器上.針線纏繞后再使用熱熔膠固定V型鐵絲和聯(lián)軸器.

（3） 對(duì)于預(yù)留在易拉罐外的部分鐵絲余量，用4根長(zhǎng)細(xì)鐵絲連接穿過易拉罐上部和下部，用銅絲固定.連接方式上，下部用電烙鐵焊接，上部用熱熔膠連接.之后，從易拉罐底部開始打小孔，如圖2所示.

（4）在易拉罐中部纏繞散熱銅絲，用電烙鐵焊接，如圖3所示.

（5）使用4根長(zhǎng)細(xì)鐵絲交錯(cuò)布置在銅管上部，并使用針線和熱熔膠連接固定，如圖4所示.

（6）用聯(lián)軸器連接銅管和電機(jī)，置于鐵架臺(tái)上，并以串聯(lián)電路的形式連接電路.這樣，一個(gè)自制的棉花糖機(jī)就完成組裝了，如圖5所示.

（7）自制教具蘊(yùn)含了STEM學(xué)科知識(shí).

筆者依據(jù)4節(jié)課時(shí)列出的成功方案以及兩個(gè)重點(diǎn)：技術(shù)和工程，總結(jié)了自制教具涉及的STEM學(xué)科知識(shí)，見表1.

5?課程設(shè)計(jì)的教學(xué)流程

根據(jù)表1的STEM學(xué)科知識(shí)，使用6E模式進(jìn)行課程設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在了科-技和科-工兩個(gè)整合方向，即教師提出相關(guān)核心問題，推動(dòng)學(xué)生完成逆向設(shè)計(jì)過程.根據(jù)課程內(nèi)容，課程時(shí)長(zhǎng)為6節(jié)，具體教學(xué)流程見表2.

6?結(jié)束語

要讓STEM課程真正地融入中學(xué)的課程體系，不僅需要高等院校研究者的研究與推動(dòng)，更需要中學(xué)一線教師在教學(xué)中充分實(shí)踐與創(chuàng)新.但是，我們又不能回避一線教學(xué)教師工作壓力大、對(duì)STEM課程接受度參差不齊、對(duì)技術(shù)和工程相關(guān)知識(shí)認(rèn)知不足的問題.鑒于此情況，我們可以不急于推行對(duì)教師綜合能力要求較高的STEM課程，轉(zhuǎn)而利用我國物理教育積累的優(yōu)質(zhì)資源，進(jìn)行“因地制宜”的STEM課程開發(fā).

在筆者的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，該課程難度適中，成功的關(guān)鍵因素在于裝置的制作與安裝的精度，學(xué)生動(dòng)手能力與團(tuán)隊(duì)合作能力得到了很大的發(fā)展.教師應(yīng)該重視最后的“深化與評(píng)價(jià)”環(huán)節(jié)，尤其是作為課程學(xué)習(xí)主體的學(xué)生的意見，推動(dòng)課程的循證優(yōu)化.

參考文獻(xiàn)：

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

[2]周禮，章亞楠，朱悅衛(wèi)等.基于STEM理念的校本課程——以制作“天氣瓶”為例[J].化學(xué)教學(xué)，2016（10）：12-15.

[3]B. Y. White. Intermediate Causal Models：A Missing Link for Successful Science Education？[J]. Advances in Instructional Psychology，1993（4）：177-252.

[4]唐小為，王唯真.整合STEM發(fā)展我國基礎(chǔ)科學(xué)教育的有效路徑分析[J].教育研究，2014（9）：61-68.

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

[6]Committee on K-12 Engineering Education.Understanding the Status and Improving the Prospects[M].Washington D.C.：National Academies Press，2009.

（收稿日期：2019-08-10）