基于翻轉(zhuǎn)課堂的特色STEM課程開發(fā)及教學(xué)研究

【摘要】STEM課程開發(fā)是STEM教育理念落地的重要環(huán)節(jié)。本文提出將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)形式融入到STEM課程的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐中，同時(shí)通過調(diào)研本地相關(guān)教育資源，從中選出可以用于特色STEM課程開發(fā)的項(xiàng)目選題。在此基礎(chǔ)上開發(fā)了基于翻轉(zhuǎn)課堂的《鋼鐵是怎樣煉成的》STEM系列特色課程并開展課程實(shí)踐，從中探索出特色STEM課程開發(fā)技術(shù)路線和基于翻轉(zhuǎn)課堂的STEM課程教學(xué)模型，豐富了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的設(shè)計(jì)，為國內(nèi)STEM教育的研究提供了新視角，也為后續(xù)相關(guān)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】STEM教育? 翻轉(zhuǎn)課堂? 特色課程開發(fā)

【中圖分類號(hào)】G633 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2023）01-0043-03

一、特色STEM課程開發(fā)的意義

目前STEM教育的發(fā)展趨勢已逐漸從理論轉(zhuǎn)向?qū)嵺`，使其更具教育實(shí)踐中的可操作性。STEM實(shí)踐強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體性和情境的復(fù)雜性與真實(shí)性，學(xué)生在項(xiàng)目、活動(dòng)、問題中，交流互動(dòng)，尋求合作，主動(dòng)探究，大膽創(chuàng)造，從而在這一過程中完成知識(shí)的學(xué)習(xí)。筆者認(rèn)為，通過積極探索地方教育文化資源，從學(xué)生熟悉的環(huán)境和場景中提取可用部分，推進(jìn)具有地方特色的STEM課程建設(shè)，對于豐富STEM教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，培養(yǎng)具有科技素質(zhì)的實(shí)踐創(chuàng)新性人才，滿足社會(huì)對多元化、全方位的創(chuàng)新性人才的需求將具有非常重要的意義。

二、翻轉(zhuǎn)課堂如何提升STEM學(xué)習(xí)的效率

為什么要引入翻轉(zhuǎn)課堂來開展STEM學(xué)習(xí)？筆者認(rèn)為：在傳統(tǒng)課堂中，教師花費(fèi)了更多時(shí)間在學(xué)生對結(jié)構(gòu)化知識(shí)的記憶、理解和應(yīng)用上，但是在特色STEM課程教學(xué)實(shí)施過程中，我們讓學(xué)生所面對的問題通常是真實(shí)的、復(fù)雜的，他們無法完全從書本上尋找答案，STEM課程需要更加關(guān)注學(xué)生對問題的分析能力、創(chuàng)造能力以及合理表達(dá)自己觀點(diǎn)的能力，需要培養(yǎng)他們經(jīng)過觀察、收集、推理信息、挖掘新的資源等一系列操作從而共同協(xié)作解決問題的知識(shí)和技能。而本課題研究的STEM課程通過翻轉(zhuǎn)課堂將知識(shí)學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)搬到課前，學(xué)生提前完成知識(shí)學(xué)習(xí)，課中他們將有充足時(shí)間通過自主學(xué)習(xí)、師生互動(dòng)、小組合作的形式完成技能的習(xí)得，課堂時(shí)間更多地留給創(chuàng)造性應(yīng)用和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的討論。翻轉(zhuǎn)課堂幫助學(xué)生從對知識(shí)的重視轉(zhuǎn)移至問題的解決上，逐步加深對課堂學(xué)習(xí)過程中知識(shí)和技能的理解，不斷發(fā)現(xiàn)和反思自己的判斷和策略，不斷研究問題、解決問題。[1]而課后通過微視頻的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐，進(jìn)一步讓學(xué)生不斷實(shí)現(xiàn)突破自我，形成實(shí)踐創(chuàng)新能力。以翻轉(zhuǎn)課堂作為一種學(xué)習(xí)手段，這不僅提高了課程的容量，也提升了學(xué)習(xí)時(shí)間的使用效率。

三、相關(guān)文化資源融入STEM活動(dòng)的探索

每一個(gè)地方都有其獨(dú)特的風(fēng)土人情，當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)民間手工藝、有當(dāng)?shù)靥厣臉蛄航ㄖ⒌乩順?biāo)志、特色工農(nóng)業(yè)項(xiàng)目等等都蘊(yùn)含了豐富的特色及科學(xué)工程技術(shù)內(nèi)涵，其中的一些內(nèi)容學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中也曾接觸過，不會(huì)感到陌生，從這些資源中提取適合的內(nèi)容來開發(fā)項(xiàng)目開展STEM活動(dòng)，以科學(xué)和工程問題為主線，營造一個(gè)多維的空間，讓學(xué)生在一系列具有程度相關(guān)性的經(jīng)歷中把所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到真實(shí)情境中，形成一定的解決真實(shí)世界問題的能力。這樣的課程，既貼近學(xué)生生活——他們會(huì)感到熟悉又新鮮，又可以把他們所學(xué)習(xí)的零碎知識(shí)變成一個(gè)互相聯(lián)系統(tǒng)一的整體，從而滿足他們未來學(xué)習(xí)、工作和生活的需要。

基于以上的理念，我校根據(jù)實(shí)際情況，積極探索將柳州市的文化歷史、工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中所蘊(yùn)含的相關(guān)資源引入STEM課程，努力挖掘本地社會(huì)環(huán)境與學(xué)校、學(xué)生相關(guān)的一些項(xiàng)目進(jìn)行STEM活動(dòng)課程的開發(fā)，初步搭建了一系列有意義的特色STEM活動(dòng)課程，如《留住紫荊花的美麗》《再現(xiàn)柳州古八景》《鋼鐵是怎樣煉成的》《果蔬生榨米粉》《甘蔗手工榨糖》等，限于篇幅，以下僅列舉其中的一個(gè)案例[2]。

STEM活動(dòng)名稱：鋼鐵是怎樣煉成的

活動(dòng)的意義：我校原來是柳州鋼鐵集團(tuán)的廠辦學(xué)校，與柳鋼有著很深的淵源，學(xué)校里很多同學(xué)的家長也是柳鋼的職工，柳鋼既是柳州工業(yè)的代表，也是我們身邊的一個(gè)重要的存在，與我們的生活學(xué)習(xí)有著密切的關(guān)聯(lián)，我們通過STEM項(xiàng)目《鋼鐵是怎樣煉成的》來更多地熟悉和了解它?！朵撹F是怎樣煉成的》STEM系列課程首先帶領(lǐng)學(xué)生參觀柳鋼展覽館，了解學(xué)校旁邊這個(gè)既熟悉又陌生的鋼鐵廠，從展覽館得到柳鋼歷史、現(xiàn)狀和有關(guān)生產(chǎn)工藝流程的直觀認(rèn)識(shí)，然后讓學(xué)生回到學(xué)校后通過模型制作的形式把學(xué)習(xí)了解到的鋼鐵生產(chǎn)流程表現(xiàn)出來，在模型的設(shè)計(jì)與制作過程中更加深入地理解鋼鐵是怎樣煉成的，其中既融合了STEM內(nèi)容的學(xué)習(xí)，又包含了人文情感的滲透，很好地將地方資源融入了STEM課程中。

包含的知識(shí)部分：

S（science）煉鋼中涉及的化學(xué)原理、機(jī)械原理

T（technology）3D打印技術(shù)建模、CAD繪圖、激光切割機(jī)使用

E（engineering）高爐模型的制作、煉鋼流程模型制作

M（mathematics）測量、幾何、材料計(jì)算

用到的器材和設(shè)備：

模型底板1塊、搭建支架的木方條、木板、圓形管道、熱熔膠槍和膠棒、Arduino UNO主板３塊、人體紅外傳感器、超聲測距傳感器、蜂鳴器、馬達(dá)５個(gè)、３Ｄ打印機(jī)、激光切割機(jī)、Arduino編程電腦

課程實(shí)施方案：

1.參觀柳鋼展覽館，實(shí)地了解其地理位置及柳鋼的歷史與現(xiàn)狀，帶著問題去學(xué)習(xí)鋼鐵冶煉的過程。（周末）

2.對柳鋼生產(chǎn)過程進(jìn)行歸納、畫出鋼鐵煉制過程的流程圖，明確鋼鐵冶煉的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)和相關(guān)的設(shè)備（1課時(shí)）

3.討論和準(zhǔn)備制作模型所需的材料、技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法（1課時(shí)）

4.分組設(shè)計(jì)和制作鋼鐵生產(chǎn)過程的各個(gè)部分的模型（４課時(shí)）

5.探究利用Arduino控制礦石小車、魚雷罐車運(yùn)動(dòng)的方法（2課時(shí)）

6.探究利用Arduino實(shí)現(xiàn)各處模塊聯(lián)動(dòng)起來的方法（2課時(shí)）

7.展示鋼鐵生產(chǎn)過程的完整模型作品并總結(jié)（1課時(shí)）

四、特色STEM課程開發(fā)技術(shù)路線

通過對柳州市相關(guān)資源的發(fā)掘，并結(jié)合我校的實(shí)際，我們總結(jié)出STEM課程開發(fā)的技術(shù)路線，如下圖：

（1）分析本地/本校情境：主要是指對制約學(xué)校STEM課程的內(nèi)外因素及其相互作用的分析。其中外部因素主要包括本地本校歷史文化、社會(huì)相關(guān)資源等的支持與限制等。內(nèi)部因素主要包括學(xué)生的心理特點(diǎn)、知識(shí)與技能的儲(chǔ)備，教師的態(tài)度、知識(shí)技能、相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)校具備的制度和物質(zhì)資源，當(dāng)前開設(shè)STEM課程所面臨的問題，在分析這些因素的基礎(chǔ)上去收集能夠體現(xiàn)真實(shí)情境的相關(guān)STEM項(xiàng)目選題。

（2）STEM項(xiàng)目選題預(yù)分析：主要是對收集到的項(xiàng)目做這些分析：體現(xiàn)的本地特色、與學(xué)生的認(rèn)知結(jié)合程度、完成試驗(yàn)花費(fèi)的時(shí)間、項(xiàng)目成本開支預(yù)估、可能遇到的問題及解決方案、課堂實(shí)施可行性。

（3）確定STEM課程項(xiàng)目：通過預(yù)分析篩選出合適的STEM項(xiàng)目，并確定課程開發(fā)人員分工。

（4）開發(fā)STEM項(xiàng)目課程：依據(jù)已確定的課程目標(biāo)根據(jù)分工去設(shè)計(jì)開發(fā)相關(guān)的微課和教學(xué)方案。即挑選/制作微課學(xué)習(xí)材料、設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)方案，如教學(xué)順序、結(jié)構(gòu)、范圍、活動(dòng)方式、時(shí)間表、活動(dòng)場所等。

（5）實(shí)施課程實(shí)踐：把設(shè)計(jì)的教學(xué)方案用于實(shí)際教學(xué)實(shí)踐，并收集學(xué)生的課堂反饋。

（6）檢查/評價(jià)/反饋：根據(jù)學(xué)生的反饋對課程實(shí)施的情況進(jìn)行反思。以此作為修訂與重建課程的內(nèi)容和依據(jù)。

（7）修訂課程：根據(jù)情況修訂、改進(jìn)課程設(shè)計(jì)和教學(xué)方案。

（8）形成STEM系列課程：在多次迭代后形成比較成熟的STEM系列課程。

五、基于翻轉(zhuǎn)課堂的STEM課程教學(xué)模式

經(jīng)過課程開發(fā)和具體的教學(xué)實(shí)踐，我們一邊認(rèn)真對課程研討修改，一邊總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，梳理開發(fā)出來的案例，逐步形成了一個(gè)比較成熟的基于翻轉(zhuǎn)課堂的STEM課程教學(xué)模式（如下圖所示）：

這個(gè)模式分為三個(gè)階段：課前、課中和課后：

（1）課前：教師根據(jù)開展調(diào)研考察的情況設(shè)計(jì)教學(xué)方案，學(xué)生通過真實(shí)場景體驗(yàn)和觀看微課視頻，完成針對性的課前練習(xí)、反饋信息，對學(xué)習(xí)內(nèi)容有初步認(rèn)識(shí)。

（2）課中：教師創(chuàng)設(shè)具體的情境，學(xué)生對真實(shí)情境中的問題進(jìn)行討論，交流想法，然后通過微課針對性地去學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)和技能，教師主要幫助學(xué)生解決遇到的疑難問題；學(xué)生協(xié)商后設(shè)計(jì)問題的解決方案，動(dòng)手進(jìn)行模型的建造、測試和改進(jìn)，教師則根據(jù)情況對學(xué)生進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，組織協(xié)調(diào)學(xué)生合作完成作品；最后，學(xué)生把完成的作品公開展示出來，并經(jīng)過互評和自評來對學(xué)習(xí)成果加以反思，教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和成果進(jìn)行總結(jié)并給出意見和建議，幫助學(xué)生提升。

（3）課后：學(xué)生在完成STEM課程學(xué)習(xí)后，教師組織部分學(xué)生參加科創(chuàng)類比賽，指導(dǎo)和訓(xùn)練學(xué)生通過微視頻進(jìn)一步拓展知識(shí)，把STEM課程中學(xué)習(xí)的技能遷移到解決真實(shí)情境中的復(fù)雜問題中，促進(jìn)學(xué)生高階思維和創(chuàng)新能力的發(fā)展。

這一學(xué)習(xí)模式的三個(gè)階段都引入了微課或者微視頻，課前學(xué)生自主學(xué)習(xí)；課堂上學(xué)生在教師的指導(dǎo)下協(xié)同開展科學(xué)探究和進(jìn)行工程實(shí)踐，并通過分享交流增進(jìn)表達(dá)能力；課后通過參加新任務(wù)把知識(shí)進(jìn)行遷移和拓展。這一模式實(shí)質(zhì)上是通過三個(gè)環(huán)節(jié)不斷推進(jìn)學(xué)生能力的提升。通過課程實(shí)踐，翻轉(zhuǎn)課堂確實(shí)讓學(xué)生在相對短的時(shí)間中基本達(dá)成了學(xué)習(xí)目標(biāo)。參加課程的學(xué)生在參加科創(chuàng)類比賽中也獲得了較好的成績，證明了這一模式是有效的。

六、結(jié)束語

STEM教育強(qiáng)調(diào)以整合的教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生，強(qiáng)調(diào)利用多學(xué)科知識(shí)解決問題，這樣一來STEM課堂中就需要大量的師生與生生間的討論互動(dòng)與動(dòng)手實(shí)踐的時(shí)間，本項(xiàng)研究借助翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，讓學(xué)生“先學(xué)后教”，通過課前觀看STEM課程相關(guān)知識(shí)的微視頻，可以巧妙地利用高中學(xué)生的課余時(shí)間，減少課堂講授知識(shí)的時(shí)間，同時(shí)能在課前明確學(xué)習(xí)目標(biāo)和任務(wù)，把探究活動(dòng)中涉及到的知識(shí)通過課前自學(xué)和線上討論解決掉，提高了學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)的能力。學(xué)生能最大限度地在課堂上參與討論、大膽實(shí)踐，教師也能充分利用課堂上的時(shí)間為學(xué)生答疑解惑，不斷提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力。

另外，本研究還初步總結(jié)了地方特色STEM課程開發(fā)的技術(shù)路線，該路線通過實(shí)踐證明是有效的，但是由于迭代次數(shù)還不夠多，還是比較粗淺的，有待于今后繼續(xù)研究完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]李紅平，高攀.基于翻轉(zhuǎn)課堂的中學(xué)STEM教育模式研究[J].軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)），2019，18（1）：49-52.

[2]百度百科.柳州古八景[EB/OL].（2022-02-23）[2022-10-18].https：//baike.baidu.com/item/%E6%9F%B3%E5%B7%9E%E5%8F%A4%E5%85%AB%E6%99%AF？fromModule=lemma_search-box.

作者簡介：

黃明迪（1975年—），男，廣西宜州人，中學(xué)高級(jí)教師，大學(xué)本科學(xué)歷，北師大教育碩士，廣西普通高中通用技術(shù)學(xué)科中心組成員，研究方向：通用技術(shù)/信息技術(shù)教學(xué)、STEM課程教學(xué)與開發(fā)。