STEAM 教學(xué)活動設(shè)計與應(yīng)用研究
——以“智能模塊點亮未來生活”課程為例

仲嬌嬌

同濟大學(xué)第一附屬中學(xué)

一、 研究背景

新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式驅(qū)動的新經(jīng)濟發(fā)展，萬物感知、萬物互聯(lián)、萬物智能的智能化時代的到來都急切呼喚我國基礎(chǔ)教育變革［1］。近年來，STEAM 教育成為基礎(chǔ)教育改革的重要發(fā)展趨勢。2018 年1 月，教育部公布的《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》中個性化發(fā)展類課程和校本課程對STEAM 教育的發(fā)展提出了要求。

在教育政策和社會資源的支持下，我國STEAM 教育越來越關(guān)注如何將STEAM 理念轉(zhuǎn)化成可實施的課程與教學(xué)。祝智庭教授從國際總體發(fā)展視角出發(fā)，強調(diào)STEAM 課程教學(xué)實踐研究的必要性。而活動是STEAM 課程的有效組織形式，活動設(shè)計是STEAM 教育實施的關(guān)鍵［2］。眾多學(xué)者和一線教師意識到從微觀活動層面對STEAM 學(xué)習(xí)進行探究的重要性，推動STEAM 教育在中小學(xué)和社會機構(gòu)中落地。

二、 問題的提出

通過文獻資料和實踐研究發(fā)現(xiàn)，在將STEAM 教育轉(zhuǎn)化成教學(xué)實踐的過程中容易出現(xiàn)一些問題，導(dǎo)致STEAM 教學(xué)偏離其培養(yǎng)目標［3］。以技術(shù)工具驅(qū)動的STEAM 課程和教學(xué)，限制了STEAM 學(xué)習(xí)的內(nèi)容深度和多學(xué)科融合度，以手工操作為主的學(xué)習(xí)活動在強調(diào)動手實踐的同時，卻未能很好地體現(xiàn)科學(xué)探究和工程實踐的思想，也就是只強調(diào)了“做中學(xué)”的“做”，而忽視了“做中學(xué)”真正的落腳點“學(xué)”，導(dǎo)致學(xué)生只能進行淺層學(xué)習(xí)而達不到深度學(xué)習(xí)，從而無法完成提高學(xué)生的STEAM 素養(yǎng)以及使學(xué)生能夠綜合運用多學(xué)科知識來解決現(xiàn)實問題的培養(yǎng)目標。

本文從STEAM 教學(xué)活動層面探究STEAM教育的創(chuàng)新路徑，以嘗試解決上述問題。需要特別說明的是，本文把STEAM 教學(xué)活動作為STEAM 教學(xué)系統(tǒng)的一個組成部分，也就是說兩者是總體與部分的關(guān)系。

三、 STEAM 教學(xué)活動的要素分析和框架設(shè)計

（一） 活動要素分析

以合作形式開展的STEAM 教學(xué)活動要素包括主體、客體、共同體、工具、任務(wù)或項目、規(guī)則和分工等。本文基于活動理論梳理了STEAM 教學(xué)活動要素之間的關(guān)系（圖1）。

圖1 基于活動理論的STEAM 教學(xué)活動要素之間的關(guān)系

其中，教師和學(xué)生是STEAM 教學(xué)活動的主體，教師起到“引導(dǎo)啟發(fā)”和“指導(dǎo)幫助”的作用，促進學(xué)生的“學(xué)習(xí)”，以達成教學(xué)目標，任務(wù)或項目是客體。由于STEAM 課程的跨學(xué)科、協(xié)作性、設(shè)計性，在STEAM 教學(xué)活動中，教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生、教師與教師之間必須分工協(xié)作，遵守一定的社會交往規(guī)則而形成學(xué)習(xí)共同體，從而采用特定的技術(shù)增強的教育裝備作為學(xué)習(xí)工具，綜合利用多學(xué)科知識內(nèi)容產(chǎn)出實物化的學(xué)習(xí)成果，即產(chǎn)品。

對于多學(xué)科融合的方式來說，科學(xué)探究和工程設(shè)計是問題解決和項目完成的根本途徑，以問題解決和項目完成為主要目標的STEAM學(xué)習(xí)中，科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)五門學(xué)科具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。科學(xué)探究是加深對數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程和藝術(shù)學(xué)科概念理解和尋求問題解決方案的重要方法，也是工程實踐過程中的重要環(huán)節(jié)［4］；工程設(shè)計是STEAM 多學(xué)科融合的有效紐帶，它需要基于科學(xué)原理、技術(shù)手段、數(shù)學(xué)方法和藝術(shù)人文感觀來進行。

總的來說，STEAM 教學(xué)活動強調(diào)學(xué)生的主體性、協(xié)作性和教師角色的多樣性，關(guān)注新興教育裝備的有效利用，注重學(xué)習(xí)成果的產(chǎn)出，多學(xué)科融合是其顯著特征。

（二） 活動框架設(shè)計

圖2 STEAM 教學(xué)活動框架

為實現(xiàn)不同側(cè)重點的階段性目標，STEAM 教學(xué)由若干學(xué)習(xí)活動組成，學(xué)生在不同階段的學(xué)習(xí)活動中需要完成不同類型的任務(wù)。依據(jù)STEAM 學(xué)科要素之間的關(guān)系，本文提出STEAM 學(xué)習(xí)活動的三階段任務(wù)：以模仿為核心的初級任務(wù)、以科學(xué)探究為核心的漸進任務(wù)、以工程設(shè)計為核心的升級任務(wù)，構(gòu)建了STEAM 教學(xué)活動框架（圖2）。通過三階段的活動任務(wù)使得學(xué)生經(jīng)歷理解、批判、知識建構(gòu)、遷移應(yīng)用和反思內(nèi)化的認知過程，促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)，提高工程素養(yǎng)，實現(xiàn)問題解決。

1. 以模仿為核心的初級任務(wù)

初級任務(wù)是STEAM 教學(xué)活動的基礎(chǔ)，其一般形式為觀察、實踐和練習(xí)，讓學(xué)生在模擬的過程中獲得解決問題的一般認識，掌握解決問題的一般過程和方法，甚至形成情感、態(tài)度和價值觀，從而形成或深化其學(xué)習(xí)成果。任務(wù)活動中，教師是活動的情境建設(shè)者和引導(dǎo)者，學(xué)生是任務(wù)活動的實踐者。

2. 以科學(xué)探究為核心的漸進任務(wù)

漸進任務(wù)采用科學(xué)探究的流程和方法進行設(shè)計，在此過程中學(xué)生自主構(gòu)建知識體系，獲得思維能力的發(fā)展，包括觀察、比較、猜想、驗證、解釋和推廣等活動，探究是STEAM 教學(xué)活動的靈魂。漸進任務(wù)活動中，要配備多媒體和學(xué)習(xí)支架等軟硬件工具，遵循形成問題、搜集數(shù)據(jù)、提出猜想、檢驗假設(shè)和交流結(jié)果的探究過程，教師擔(dān)當學(xué)生進行漸進任務(wù)的規(guī)則發(fā)布者、引導(dǎo)者和幫助者。探究活動以小組為單位，小組中每個成員都有相應(yīng)的分工，小組成員角色可分為領(lǐng)導(dǎo)者、操作者、想法提供者、記錄者和溝通者。

3. 以工程設(shè)計為核心的升級任務(wù)

升級任務(wù)是STEAM 教學(xué)活動的核心，采用工程設(shè)計的步驟和過程進行設(shè)計，通過識別問題，明確任務(wù)，提出并優(yōu)化解決問題的方案，建立模型并不斷測試優(yōu)化，完善設(shè)計，形成產(chǎn)品，解決問題。升級任務(wù)活動中，主要是完成具有確定結(jié)果的模糊任務(wù)，這些任務(wù)一般都與生活有關(guān)。在完成設(shè)計制作任務(wù)的過程中，既要明確工程設(shè)計的一般流程，又要協(xié)調(diào)小組成員之間的關(guān)系，還要遵守社會規(guī)范等。以工程設(shè)計為核心的升級任務(wù)能夠使學(xué)生從工程設(shè)計中體會數(shù)學(xué)、科學(xué)知識如何整合作用于產(chǎn)品設(shè)計的過程，實現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的跨學(xué)科整合。

四、 STEAM 教學(xué)活動設(shè)計模式實踐應(yīng)用

依據(jù)上述STEAM 教學(xué)活動框架，本文設(shè)計“智能模塊點亮未來生活”STEAM 課程，依托“上海熱愛家園太陽花進城務(wù)工人員子女教育項目”進行了教學(xué)實踐。參與STEAM 課程學(xué)習(xí)活動的共有學(xué)生 16 人，來自四至六年級。課程初始，通過對學(xué)習(xí)者進行起點能力問卷調(diào)查，對學(xué)生進行分組，分為4 組，形成“組內(nèi)異質(zhì)，組間同質(zhì)”的小組形式。

（一） 教學(xué)活動設(shè)計

教學(xué)活動安排如圖3 所示，初級任務(wù)和漸進任務(wù)是升級任務(wù)活動的基礎(chǔ)。其中，以模仿為核心的初級任務(wù)的教學(xué)目標為：①掌握電路的控制方法；②掌握設(shè)計、制作作品的基本方法與技術(shù)；③遷移應(yīng)用測量、幾何圖形、對稱等數(shù)學(xué)和藝術(shù)知識，完善作品的制作。以科學(xué)探究為核心的漸進任務(wù)的教學(xué)目標為：①了解電源的原理和功能；②了解科學(xué)探究的方法；③在探究過程中熟悉“電源+輸出”的電路連接；④認識生活中電器的能量轉(zhuǎn)化，形成節(jié)約能源意識。以工程設(shè)計為核心的升級任務(wù)的教學(xué)目標為：①掌握工程設(shè)計的基本流程和方法；②在完成以項目實踐為核心的任務(wù)的過程中，提高創(chuàng)新實踐能力；③以“未來生活”為主題，促進學(xué)生對未來社會生活的暢想和認識。

圖 3 STEAM 教學(xué)活動安排

（二） 學(xué)習(xí)支架設(shè)計

STEAM 學(xué)習(xí)支架設(shè)計遵循跨學(xué)科知識融合原則、內(nèi)隱知識可視化原則、學(xué)習(xí)指導(dǎo)個性化原則和動態(tài)調(diào)整與發(fā)展原則［5］。通過學(xué)習(xí)支架的設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)探究活動和工程實踐活動中蘊含的大量難以用語言加以描述和傳授的“主觀知識”與“實踐情境知識”。例如，表1 所示的自主學(xué)習(xí)支架和互惠學(xué)習(xí)支架。其中，自主學(xué)習(xí)支架支持自主探究和實踐，互惠學(xué)習(xí)支架促進團隊溝通與文化規(guī)范。

表1 學(xué)習(xí)支架設(shè)計

（三） 教學(xué)效果調(diào)查

本門課程的教學(xué)效果反饋是從學(xué)生作品評價、動機水平和學(xué)習(xí)效果3 個方面進行評價、調(diào)查和訪談的。

1. 作品評價

從完整性、創(chuàng)意性、美觀性和價值性4 個角度對作品進行評價，還增加了分享匯報方面的評價，包括匯報內(nèi)容、匯報表現(xiàn)、小組合作和作品效果。依據(jù)作品評價指標打分，4 個小組作品的最終得分結(jié)果如表2 所示。結(jié)果顯示作品評分總體比較高，滿分100 分，平均分達到84.75 分。這說明結(jié)構(gòu)明確的教學(xué)活動更好地促進了學(xué)生的分析問題、解決問題的意識和能力的形成。同時，我們也注意到分工明確這一項的得分相對較低，可能的原因是教學(xué)中學(xué)生的自主性較強，沒有教師的即時約束，學(xué)生很容易就偏離自己的分工，導(dǎo)致有些學(xué)生過多承擔(dān)學(xué)習(xí)任務(wù)，而有些學(xué)生則承擔(dān)得太少。這就要求設(shè)計更高水平的學(xué)習(xí)支架。

表2 各組學(xué)生作品的最終得分

2. 學(xué)習(xí)動機

學(xué)習(xí)動機水平體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)成就，在STEAM 課程教學(xué)活動中至關(guān)重要。本文采用《學(xué)習(xí)動機診斷測驗》量表（MAAT）中成功動機分量表中的技能場面（測定有關(guān)勞技、美工、音樂等技能的成功動機）作為測驗內(nèi)容，根據(jù)具體情境對其稍作修改。結(jié)果如圖4 所示，學(xué)生總體學(xué)習(xí)動機屬于較強水平，學(xué)生對本課程教學(xué)活動具有積極的學(xué)習(xí)態(tài)度。

圖4 學(xué)習(xí)動機水平

3. 教學(xué)效果

為了全面了解學(xué)生對本課程的評價，對學(xué)生進行了問卷調(diào)查和訪談。

在對教學(xué)活動的滿意度上，87.5% 的學(xué)生表示喜歡課堂中開展的學(xué)習(xí)活動；有81.25%的學(xué)生表示“以后看到生活中有趣的東西，或者有個奇妙的想法，會考慮將它設(shè)計制作出來”。這展現(xiàn)了學(xué)生初步具備了工程設(shè)計的意識。

針對訪談問題“傳感器的作用（用自己的話表達）”，有學(xué)生覺得“傳感器可以控制光和振動”，還有同學(xué)認為“傳感器可以感應(yīng)某物體”“傳感器可以探測周圍的東西”，更有學(xué)生將傳感器放在電路中來闡述，認為“傳感器讓電路后面的馬達轉(zhuǎn)動”。

在筆者問到“作品制作之前最關(guān)鍵的是要做什么”時，受訪的學(xué)生覺得“要懂得電路的知識”，還有學(xué)生認為“要想好做什么”，甚至還有學(xué)生準確地說出了“設(shè)計”兩個字。另外，通過課堂觀察，學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中運用了測量、幾何等數(shù)學(xué)知識，藝術(shù)、人文的知識，以及各種工具、技術(shù)的使用技能。

五、 總結(jié)與展望

STEAM 教育的核心目標是培養(yǎng)面向未來科技發(fā)展所需的創(chuàng)新型人才，通過靈活應(yīng)用探究性學(xué)習(xí)、基于項目的學(xué)習(xí)和基于設(shè)計的學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)方式，來培養(yǎng)學(xué)生綜合利用多學(xué)科知識解決現(xiàn)實問題的能力。本文從教學(xué)活動層面探索將“做”與“學(xué)”緊密結(jié)合的創(chuàng)新方式，構(gòu)建出STEAM 教學(xué)活動設(shè)計模式，并對該模式進行實踐應(yīng)用，對開展有效的STEAM 課堂教學(xué)、達成STEAM 教育的培養(yǎng)目標具有一定的積極作用。

STEAM 教育作為一種綜合創(chuàng)新的教育范式，對推動基礎(chǔ)教育改革的發(fā)展與變革具有深遠意義。為迎接即將到來的人工智能時代，培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新和實踐能力成為基礎(chǔ)教育的迫切需求。對于一線教師來說，我們要進一步深耕STEAM 教育教學(xué)實踐，探究基于STEAM 教育理念的課程教學(xué)設(shè)計方法和策略，明確STEAM 課程教學(xué)需要經(jīng)歷的必要環(huán)節(jié)，以及如何設(shè)計和建設(shè)這些環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)多學(xué)科融合，凸顯STEAM 教育的特點。