STEAM項目模型的構建與應用

梁靈輝

[摘? ?要]新課程標準倡導基于STEAM的跨學科學習方式。 “一核四環(huán)”的STEAM項目模型，核心指向真實情境下的問題解決過程，并把STEAM項目的實施分解為引入、設計、物化、評估四個環(huán)節(jié)。該模型可用于優(yōu)化跨學科項目式教學設計、規(guī)范項目開發(fā)、提升項目整合度，對于STEAM項目的開發(fā)與實施提供指導與參考。

[關鍵詞]STEAM;跨學科;項目模型

STEAM教育作為跨學科融合的教學模式，以培養(yǎng)學生面向真實情境的問題解決能力為目標。是對傳統(tǒng)分科教學的有益補充，符合深化課程改革的方向，有利于發(fā)展學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，對培養(yǎng)面向21世紀的擁有跨學科視野與國際競爭力的學生具有重要的價值。

一、對STEM模式的探索

趙呈領將美國生物學課程研究會（BSCS）提出的5E模式置于STEM 教育背景下，以科學課教學設計了面向STEM 教育的5E 探究式教學模式[1]。黃樺將教學情境、整合“科學探究”和“工程設計”的教學模式、教學評量確定為STEM 教育深度融入科學課程教學的三條主要實踐路徑[2]。高丹陽探索了STEM的教學模式融入信息技術學科，研究了BOPPPS教學模式在小學STEM課程的應用[3]。上述教學模式均以科學與信息技術學科為主體，在以下方面存在不足：一是未能從多學科融合的角度研究STEAM教學模式;二是缺少對工程與技術維度的探索，難以形成物化結(jié)果，因此未能指向?qū)W生工程思維及創(chuàng)新設計等能力的培養(yǎng);三是項目構建雖以任務驅(qū)動，但與新一輪課程標準所倡導的基于高階思維的學習還有一定距離。由此，STEAM項目模型的構建應著力解決這三個方面的問題。

二、STEAM項目模型的構建

STEAM項目模型的構建，應體現(xiàn)科學、技術、工程、數(shù)學、藝術多學科的融合，面向真實情境下的問題解決過程，并體現(xiàn)學生學習的特點及主動學習的過程。該模型可概括為“一核四環(huán)”：“一核”是指項目模型設計的核心，即要指向真實情境，培養(yǎng)學生在真實情境下解決復雜問題的能力;“四環(huán)”是指一個STEAM項目包括引入（Engage）、設計（Design）、物化（Materialize）、評估（Evaluate）四個環(huán)節(jié)。在評估后，可結(jié)束學習或重復這一循環(huán)過程（見圖1）。

引入環(huán)節(jié)是項目式學習的開端，包括面向真實情境下的科學知識探究，在問題背景下對人文、歷史知識的學習，運用數(shù)學工具進行分析與建模，建立數(shù)學模型并計算最優(yōu)解等。設計環(huán)節(jié)圍繞問題情境提出解決方案，通過對多個方案的比較與篩選，形成問題解決的合理方案及設計草圖，并以技術手段完成相應的平面設計圖、三維圖形造型設計等。物化環(huán)節(jié)是把設計環(huán)節(jié)的抽象學習轉(zhuǎn)化成具象模型的過程，可運用傳統(tǒng)或現(xiàn)代的技術手段制作組件，包括各種現(xiàn)代加工工具的運用，如用3D打印進行立體造型，用激光切割機進行平面加工;零件加工完成后進行組裝并解決組件之間的配合問題。即物化環(huán)節(jié)是將設計變成真實模型的過程。評估環(huán)節(jié)則在工程模型建立的基礎上，培養(yǎng)學生的產(chǎn)品意識。這一環(huán)節(jié)會運用系統(tǒng)的方法對產(chǎn)品各個部分進行協(xié)調(diào)，采用類似工程的方法對模型進行測試，通過不斷迭代升級實現(xiàn)對產(chǎn)品的優(yōu)化。

在“一核四環(huán)”項目模型的四個環(huán)節(jié)，可有效融入多學科的核心知識，且各環(huán)節(jié)之間存在有機聯(lián)系。該模型既可用于單個STEAM項目的設計，也可用于多個STEAM項目之間的整合。多個STEAM項目之間有兩種整合形式。一是平面循環(huán)整合。在經(jīng)歷了一個項目的學習后，可能存在不符合設計要求，不能通過工程測試等情況，需要在該項目中重復學習;或因項目無法達到預期目標，需另行選擇類似難度的項目。二是螺旋循環(huán)整合。在完成其中一個項目的學習后，再進入一個更高難度的項目任務。通過這樣的項目循環(huán)，學生對知識的學習不再只是簡單地重復或機械化地訓練，而是會進入深度學習。

三、STEAM項目模型的應用

1.優(yōu)化STEAM教學設計

如《系統(tǒng)的設計》為2019年浙江省課堂教學評比的指定內(nèi)容之一，參賽教師擬采用微型STEAM項目[4]實現(xiàn)教學，教學設計時以各種機器人、循軌小車為載體，以此體現(xiàn)整體規(guī)劃、迭代設計等思想。但是在試教中發(fā)現(xiàn)存在脫離真實情境、項目指向不明、學習內(nèi)容碎片化等問題，導致學生對相關概念的掌握不夠透徹，無法提升問題解決能力。于是教師用“一核四環(huán)”項目模型進行了優(yōu)化設計，圍繞“如何設計一輛簡易的月球車模型”這一真實問題情境，按學生的學習路徑展開教學。在引入環(huán)節(jié)探索月壤特性、結(jié)構穩(wěn)定性等科學知識，認識探月工程發(fā)展歷史;在設計環(huán)節(jié)設計月球車模型承載系統(tǒng)，并考慮不同承載底盤的影響;在物化環(huán)節(jié)對車輛的承載系統(tǒng)進行安裝，對車輛運行距離進行測量，并結(jié)合數(shù)學運算選擇合適的輪胎;在評估環(huán)節(jié)關注基本的承載系統(tǒng)能否滿足后期擴展，并對車輛的清障能力進行優(yōu)化。

在這一課中，教師運用了同一個載體，結(jié)合STEAM項目學習的路徑，設計了承載系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、清障系統(tǒng)三個難度遞增的學習任務。學生在自主設計清障系統(tǒng)的過程中，提出了多種解決方案。這種由開放式任務引導的問題解決過程，使學生的思維更發(fā)散，參與度更高，任務完成度也更高。因此，學生進入了一種循環(huán)提升的學習狀態(tài)。最后，該課例獲得了2019年浙江省通用技術課堂教學評比一等獎。

2.規(guī)范STEAM項目開發(fā)

新課標的發(fā)布促進了STEAM項目的開發(fā)，但是在項目開發(fā)中也存在一些問題。一是開發(fā)內(nèi)容混亂，項目設置目標不明確。有些學校把原來的校本課程重新包裝，推出了“STEM+體育”“STEM+音樂”等所謂的STEM課程，但并未考慮以工程技術為主的跨學科特性;二是項目融合度低，更多地導向?qū)W生的模仿學習能力。有的學校不能對資源進行有效整合，只以學科教師為主進行開發(fā)，如科學教師開發(fā)的項目以科學探究為主，信息技術教師開發(fā)的項目則以信息技術為主，缺少與數(shù)學、工程等學科的融合。