基于6E學習模式的生物學STEM課程開發(fā)
——以“教室空氣生態(tài)凈化裝置設計與使用”為例*

石進德 謝雪錦

（1 福建省廈門市杏南中學 福建廈門 361024 2 福建省廈門市松柏中學 福建廈門 361012）

美國國際技術與工程教育學會提出的6E 設計型學習模式是有效落實STEM 教育的活動模式之一。開發(fā)與實踐以6E 學習模式理論指導的生物學STEM 課例，能充分體現(xiàn)STEM 教育理念，通過創(chuàng)設新情境觸發(fā)學生探究問題的欲望。利用技術運行，鏈接科學與數(shù)學知識，學生完成自主設計的工程項目活動任務，利于進行科學探究、提升工程設計能力、促進技術和數(shù)學方法學習，融合STEM 教育科學、技術、工程、數(shù)學4 個模塊，更好地推動生物學STEM 課程的深入開展。

基于6E 設計型學習模式開發(fā)生物學STEM課例［1］，創(chuàng)設跨學科活動的新情境，以項目活動為載體，發(fā)揮學生的主體性，引導學生通過自主探究構建拓展創(chuàng)新思維，運用跨學科知識進行科學探究，完成工程設計實踐，創(chuàng)造性地解決項目挑戰(zhàn)任務，形成對科學概念的理解，是STEM 教育中較為適切的課程設計模式（圖1）。

本文以“教室空氣生態(tài)凈化裝置設計與使用”課程開發(fā)為例，探討基于6E 模式的生物學STEM課程開發(fā)程序。

圖1 6E學習模式的生物學STEM課程開發(fā)的基本流程

1 參與（engage）→預設目標、明確任務

STEM 課程開發(fā)應能引起學生對社會熱點的關注。創(chuàng)設一定的STEM 項目問題情境，啟發(fā)學生通過思考將項目相關問題所需的知識背景及其蘊含的核心概念，與已有的知識儲備和生活經驗相匹配，并與預設的STEM 學習目標建立連接通道，通過合作學習產生一定的組織架構體系，確認項目研究內容和學習任務。

1）創(chuàng)設STEM 情境，激發(fā)學習動機。學校教室因人員密集度高，存在空氣質量差等問題，尤其是臨街學校。學生長時間在教室學習,室內空氣質量問題不容忽視。目前絕大部分學校因各種原因未安裝空氣凈化裝置。如何保持教室空氣清新、安全？以此作為STEM 課程設置的問題情境，易引起學生興趣，激發(fā)學習動機。

2）了解核心概念，掌握必備知識。根據(jù)項目需求，確認項目核心概念（表1）。

表1 STEM 因素與核心概念細目表

實施項目必備知識：造成教室空氣污染的污染源成分、來源與危害；教室空氣污染物的降解技術；植物生態(tài)吸附室內空氣污染物的過程和特點；室內空氣凈化比較。

3）分析STEM 因素，預設學習目標（表2）。

表2 STEM 因素與學習目標細目表

4）主動參與思考，明確STEM 任務。教師發(fā)放活動手冊，引導學生明確項目學習目標與學習過程、學習活動手冊的使用方法；指導學生掌握生物學STEM 學習模式，強調活動中應注意的安全問題；學生組建項目活動合作小組并做好分工。

明確職責和任務如下：嘗試制作智能化的生態(tài)空氣凈化裝置，打造一個集智能、景觀和科普、探究型一體的教室空氣生態(tài)凈化裝置；制定生態(tài)循環(huán)方案，通過創(chuàng)客活動制作教室空氣生態(tài)凈化裝置，體驗創(chuàng)客的樂趣，探索生命奧秘（教室空氣生態(tài)凈化裝置的創(chuàng)意設計評比，空氣凈化生態(tài)循環(huán)過程的調整,大氣污染物的收集和處理）。

2 探索（explore）→探究問題、初擬方案

課程設計中教師為學生提供一定的學習材料并指導理論探究活動，以問題串的形式引導學生進一步了解和明確項目活動任務，引導學生將已有知識和解決問題所需新知識進行整合，建立學科間的聯(lián)系，并展開頭腦風暴，提出解決問題的方案；鼓勵學生的首創(chuàng)性和奇思妙想，提示學生圍繞問題及設定的條件開展組內和組間討論并及時記錄，初步擬定項目活動方案。

本案例中，教師提供論文《室內空氣污染現(xiàn)狀及防治策略研究》《室內空氣污染現(xiàn)狀及其防治研究》，以及專利《室內空氣生態(tài)凈化循環(huán)花盆》《一種養(yǎng)魚養(yǎng)花生態(tài)系統(tǒng)》等資料，并將設計和制作教室空氣生態(tài)凈化裝置過程中的難點和條件要求設計問題如表3。

3 解釋（explain）→發(fā)散思維、確定方案

根據(jù)組內和組間討論的初步方案，學生分組解釋探究過程的必備條件、可能存在的問題、預期的研究思路和研究技術路線，并說明后續(xù)研究的可持續(xù)發(fā)展思路。教師引導學生運用新知識進一步闡述和說明方案，啟發(fā)發(fā)散思維，并通過思辨建立事物之間的聯(lián)系、規(guī)律、識別變量［2］，最終明確項目活動方案。

在本案例中，根據(jù)探究的多種方案，在活動小組或指導教師的引導下，學生對教室空氣生態(tài)凈化裝置的設計及生態(tài)循環(huán)養(yǎng)護方案逐步達成共識，最終選擇最行之有效的方案。

4 工程（engineer）→工程設計、制作原型

STEM 項目完成以工程設計、產品的制作而實現(xiàn)。本階段設計由學生了解工程設計的一般步驟，根據(jù)明確的項目工程制作程序開展制作活動，教師提供必要的工程程序支架、制作產品的使用方法及注意事項，強調設計的概念，注意引導學生運用所學知識和工程思維［3］，優(yōu)化設計結構，并對學生的工程制作進行全程監(jiān)控，使學生能根據(jù)設計的工程方案初步順利完成工程設計原型。

表3 教室空氣生態(tài)凈化裝置焦點問題

在本案例中，學生開始嘗試設計“教室空氣生態(tài)凈化裝置”原型，依據(jù)工程學原理繪制模型構建流程圖和結構模式圖，設計好生態(tài)養(yǎng)護方案；利用身邊的簡易材料，初步制作完成作品的原型。在此過程中，學生可根據(jù)實際活動對方案進行修訂和完善，也可另行設計再創(chuàng)作。

5 深化（enrich）→檢測反饋、二輪成型

本階段的課程設計是對前述方案和原型的進一步深化和完善。各組經歷科學實踐、數(shù)據(jù)分析，構建理論支持和聯(lián)系，整合學科間的知識，初步將作品應用于實踐，采用量化和口頭評價相結合的方式，由學校師生測評原型是否滿足原有的預設標準，能否達到預期目標，小組及時收集反饋意見，并結合實際測試加以綜合分析，對產品原型進行檢測和反饋，確認如何改進原型、重新訂正和修改，最終完成作品。此過程重點在于關注如何提高現(xiàn)有設備的功能，根據(jù)新要求提出新方案（或重新設計或改造）。構建二輪工程設計模型，可體現(xiàn)STEM 教育的實踐性學習：倡導動手實踐，運用直接經驗，在做中學習。

6 評價（evaluate）→共享交流、拓展延伸

在STEM 課程開發(fā)中，針對預設的學習目標和達成度，應設計一定的評價標準，從自主性、探究性、挑戰(zhàn)性、創(chuàng)新性等方面，及時對項目的實施過程和結果進行自評、互評、師評三維度的學習評價。

教師指導學生保留項目活動研究原始資料，并根據(jù)展示方案，形成文字材料，撰寫活動報告。各組交流與分享研究成果，并收集意見和建議，為該項目的后期進一步完善和拓展提供設計延伸空間。

基于6E學習模式的生物學STEM課程開發(fā)，圍繞新情境，通過項目問題的科學探究，6 個環(huán)節(jié)層層推進又相互交融，以工程設計實踐活動開展，在任務解決過程中學習技術的應用，融合數(shù)學與科學知識，促進學生主動、積極地投身STEM 項目活動完成探究任務，能很好地落實STEM 項目能力目標的達成，多層次滿足社會發(fā)展和學生需求［4］。