基于激光切割雕刻機的STEM課程的研究

張培喜 翟召東 鄭詠梅

(1.山東省青島第六十八中學(xué) 山東青島 266102；2.青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育學(xué)院 山東青島 266555）

2017年，中國教育科學(xué)研究院STEM教育研究中心發(fā)布了《中國STEM教育白皮書》，并啟動“中國STEM教育2029行動計劃”，以期實現(xiàn)“讓STEM教育惠及最廣泛的學(xué)生群體，讓科學(xué)思維與創(chuàng)新能力成為每一個孩子的成長基因”[1]的教育理想。STEM教育已經(jīng)成為影響學(xué)生未來事業(yè)是否成功和我國經(jīng)濟狀況的關(guān)鍵因素[2]。

隨著激光切割雕刻技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。兼具產(chǎn)品設(shè)計與制造高效、便捷等優(yōu)點的激光切割雕刻機作為教育裝備的一項重要資源走進了學(xué)校，為學(xué)校STEM教育發(fā)揮了較大的作用。它幫助學(xué)生將自己的設(shè)計思想表達(dá)和物化出來[3]，為其創(chuàng)新制造提供有效的幫助。為使學(xué)生更好地使用激光切割雕刻機，提升創(chuàng)新能力，其相應(yīng)的配套課程亟待開發(fā)和建設(shè)。本課題組幾年來孜孜以求，開發(fā)出適合學(xué)校師生的基于激光切割雕刻機的STEM課程。本課程良好的效果在實踐中得到了有效的驗證。

一、前期調(diào)研

（一）被試

本研究被試為某市區(qū)和郊區(qū)部分普通高中學(xué)校的教師和學(xué)生，回收有效教師問卷67份、學(xué)生問卷1 359份。被試的基本情況詳見表1、表2。

表1 教師被試基本情況

表2 學(xué)生被試基本情況

（二）研究工具

本研究自編問卷，通過對教師、學(xué)生的調(diào)查掌握當(dāng)前基于激光切割雕刻機的STEM課程的需求與現(xiàn)狀，師生問卷均設(shè)計了16道題目。

（三）施測程序

本研究借助問卷星平臺通過網(wǎng)絡(luò)進行施測。學(xué)生問卷通過技術(shù)課團體施測，教師問卷通過微信群進行施測。

（四）結(jié)果

1.學(xué)校激光切割雕刻機的配備不理想

調(diào)查結(jié)果表明，只有26.87%的教師所在學(xué)校配備了激光切割雕刻機，配備情況不理想。但進一步訪談得知，隨著科技創(chuàng)新類教室的不斷建設(shè)或更新，更多的學(xué)校將會配備激光切割雕刻機，從而具備本課程開設(shè)的硬件條件。

2.師生的激光切割雕刻機操作能力不理想

調(diào)查結(jié)果表明，17.91%的教師參加過相關(guān)的培訓(xùn)或?qū)W習(xí)，對激光切割雕刻機有所了解，只有2.99%的教師能夠熟練操作，86.57%的教師“一點不會”。然而，絕大多數(shù)的教師認(rèn)識到此項能力的重要性，并希望通過參加相關(guān)的培訓(xùn)或?qū)W習(xí)來提升自己。因此，教師操作能力不理想的調(diào)查結(jié)果既是本課程開發(fā)的阻力，又是助力。

只有極少數(shù)學(xué)生接觸過相關(guān)的課程，能夠?qū)す馇懈畹窨虣C進行熟練操作，大部分學(xué)生對設(shè)備和相關(guān)的課程不了解，72.33%的學(xué)生“一點不會”。這種狀況應(yīng)該與設(shè)備的配備及學(xué)校的重視度有較大的關(guān)系。

3.學(xué)生對激光切割雕刻機的STEM課程的需求度很高

雖然學(xué)生的設(shè)備操作能力不理想，但是，89.99%的學(xué)生對使用該設(shè)備開展的創(chuàng)新制作、STEM學(xué)習(xí)等興趣較高。81.31%的學(xué)生希望學(xué)校為其開設(shè)相關(guān)的課程，84.33%的學(xué)生希望配備相關(guān)的教材。學(xué)生的高需求是本課程開發(fā)的現(xiàn)實基礎(chǔ)和原發(fā)動力。

4.學(xué)生對課程內(nèi)容有明確的需求方向

調(diào)查結(jié)果表明，模型、雕刻畫、掛飾、實用物品、相框、飛機模型等課程內(nèi)容的關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率較高。這表明了學(xué)生對課程內(nèi)容有明確的需求方向，也是本課程內(nèi)容開發(fā)的依據(jù)。

二、基于激光切割雕刻機的STEM課程的開發(fā)與建設(shè)

調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)校師生對基于激光切割雕刻機的STEM課程和教材有較高的需求，而普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（教育部2017年版）也明確要求學(xué)生能夠運用數(shù)字化的加工設(shè)備制作簡單產(chǎn)品的模型或原型[4]。筆者長期從事普通高中通用技術(shù)課程教學(xué)，并帶領(lǐng)學(xué)生開展各類科技創(chuàng)新活動，深刻體會到激光切割雕刻機在學(xué)生創(chuàng)新實踐活動及STEM教學(xué)中的優(yōu)勢，于是在教學(xué)實踐中大膽創(chuàng)新，開設(shè)了《基于激光切割雕刻機的STEM課程》的校本課，收到了良好的效果。筆者下面將課程開發(fā)建設(shè)與實施情況進行梳理總結(jié)，為學(xué)校師生及其他愛好者提供借鑒，同時提高中小學(xué)教師對激光切割雕刻機的認(rèn)識及在STEM教育中的應(yīng)用，為基于激光切割雕刻機的STEM教育實踐探索盡綿薄之力。

（一）課程性質(zhì)

本課程是以《中國STEM教育白皮書》和《STEM教師能力等級標(biāo)準(zhǔn)》為主要依據(jù)，在落實STEM課程校本化的基礎(chǔ)上，以激光切割雕刻機為載體，融合多學(xué)科知識，結(jié)合現(xiàn)實生活中的應(yīng)用情境，借助與學(xué)生聯(lián)系密切的現(xiàn)實生活中的具體項目，幫助學(xué)生學(xué)會運用先進的技術(shù)手段輔助解決現(xiàn)實生活中遇到的問題。這是以培養(yǎng)學(xué)生項目式學(xué)習(xí)與動手實踐能力為核心的課程，16學(xué)時，1學(xué)分。

（二）課程目標(biāo)

學(xué)生通過項目學(xué)習(xí)和創(chuàng)客作品制作，了解激光切割雕刻機的工作原理、操作流程等基礎(chǔ)知識，深入體驗激光切割雕刻機的功能，熟練掌握計算機輔助設(shè)計軟件的操作，將自己的設(shè)計構(gòu)思轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。它提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合實踐能力和人文素養(yǎng)，使其感受科技魅力、提升幸福感。

（三）課程特色

依據(jù)調(diào)查問卷收集到的信息，結(jié)合校本課程實施中學(xué)生反饋的信息，本課程在內(nèi)容制定時充分考慮學(xué)生的意愿和需求，兼顧課程內(nèi)容的趣味性、可操作性、普適性。

1.主題新穎獨特

本課程的每一章都有一個新穎獨特的主題，該章中的教學(xué)項目全部是圍繞這一主題展開。其主題的確定考慮了國情、時代特色、道德品質(zhì)培養(yǎng)等諸多因素，使學(xué)生在掌握激光切割雕刻機知識、開展STEM學(xué)習(xí)的同時增強文化自信、培養(yǎng)愛國情懷、感受科技進步、懂得知恩圖報。

2.項目內(nèi)容貼合學(xué)生生活

本課程所有教學(xué)項目內(nèi)容都是圍繞相應(yīng)主題而選取，均與學(xué)生生活貼合緊密。比如，代表青島特色的“五月的風(fēng)”雕塑模型、個性化小夜燈、橋梁結(jié)構(gòu)模型等制作項目。

3.注重人文素養(yǎng)提升

本課程每一章節(jié)都精選了與本章節(jié)內(nèi)容相關(guān)的科技名人和名言警句。作為人類文明和智慧提煉的名言警句，其可以啟迪學(xué)生的創(chuàng)造思維、陶冶他們的高尚情操、培養(yǎng)他們的積極心態(tài)、塑造他們健康的人格。科技名人是人類文明的創(chuàng)造者和傳播者，蘊含巨大的激勵價值和教育價值[5]。學(xué)生可在感受科技名人的人格魅力和巨匠精神中提升自己。

4.情景導(dǎo)入自然高效

在項目教學(xué)內(nèi)容開始之前，本課程創(chuàng)設(shè)合理情境，讓學(xué)生能快速融入情境之中。這樣，項目教學(xué)內(nèi)容過渡得更加柔和，并能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)情趣，提高學(xué)習(xí)效率。

（四）課程結(jié)構(gòu)

表3 課程結(jié)構(gòu)

續(xù)表

（五）課程實施方式

本課程的實施主要以校本課程、社團課程為主陣地，同時也可以借助《通用技術(shù)》課程來實施。本課程實施范圍廣泛，可以運用到各個學(xué)段。

（六）課程考核方式

本課程的過程性評價（出勤、參與度等）40%+作品評價40%+研究報告20%=100%。

（七）課程效果

1.課程評價表

為了解本課程的實施效果，本研究通過設(shè)計的《基于激光切割雕刻機的STEM課程評價表》進行課程效果調(diào)查，從各項目和課程總體評價兩個方面進行。其中，“1=非常不滿意，2=不滿意，3=基本滿意，4=比較滿意，5=非常滿意”[6]。本研究發(fā)放評價表30份，回收有效評價表29份，有效率97%，結(jié)果見表4。

表4 課程效果評價統(tǒng)計表

由表4可知，各項目滿意度均在4.80及以上，課程總體評價滿意度為4.95。這說明本課程得到了學(xué)生的認(rèn)可，實現(xiàn)了課程目標(biāo)。

2.課程收獲和感悟摘錄

一學(xué)期的時光眨眼已逝。學(xué)生手捧雕刻作品的那一刻，充滿成功的喜悅和感動。小文同學(xué)說：“制作的過程、雕刻的神奇將永遠(yuǎn)印刻在我的腦海里，成為高中永遠(yuǎn)的美好回憶?！?/p>

小婧同學(xué)說：“一年時光飛逝，創(chuàng)客社團活動仍歷歷在目，遙想初入社團時，我還是一臉茫然、不知所措的小白，而今已是深諳AutoCAD等設(shè)計軟件、熟練操作激光切割雕刻機、自信卓然的大俠了?！?/p>