楊雨軒 樊燕 謝麗

摘?要：課程是教學(xué)活動的載體，是培養(yǎng)國家科技人才的重要舉措.源于美國的STEAM教育作為一種培養(yǎng)未來綜合性人才的跨學(xué)科整合教育模式，以提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng)為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)意識、問題解決能力、科學(xué)探究能力與創(chuàng)新能力.因此，設(shè)計(jì)具有探究與工程取向的STEAM課程對我國基礎(chǔ)教育改革具有重要指導(dǎo)意義.以“蒸汽機(jī)演示儀的制作”為項(xiàng)目主題，在6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式基礎(chǔ)上，進(jìn)行了STEAM物理課程設(shè)計(jì)的探討.

關(guān)鍵詞：STEAM教育;6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式;物理課程設(shè)計(jì)

文章編號：1008-4134（2020）05-0041中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

基金項(xiàng)目：教育部人文社會科學(xué)研究青年基金“指向21世紀(jì)核心素養(yǎng)的STEAM課程群的構(gòu)建與實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號：18YJC880094）.

作者簡介：楊雨軒（1994-），女，四川廣元人，碩士研究生，研究方向：物理學(xué)科教學(xué).

通訊作者：謝麗（1980-），女，湖北潛江人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：物理課程與教學(xué)論.

在全球化、信息化和知識經(jīng)濟(jì)的背景下，各國之間競爭日益激烈，這種競爭歸根結(jié)底是教育與人才的競爭.各國在人才培養(yǎng)上，都出臺了相應(yīng)的核心素養(yǎng)框架，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì).而作為STEM教育延伸與發(fā)展的STEAM教育正是培養(yǎng)學(xué)生這些“明日所需素養(yǎng)”的教育理念和實(shí)施路徑.STEAM教育強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科知識的整合性，要求學(xué)生圍繞生活中的問題與情境進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，能夠培養(yǎng)學(xué)生綜合解決問題的能力、溝通協(xié)作能力、科學(xué)探究與創(chuàng)新能力.因此，本文以STEAM教育為切入點(diǎn)，基于6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式，以“蒸汽機(jī)演示儀的制作”為項(xiàng)目主題，進(jìn)行STEAM課程設(shè)計(jì)，希冀為教師開展STEAM教育提供參考.

1?STEAM教育理念

美國提出的STEAM教育將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）、數(shù)學(xué)（Mathematics）的學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行整合，并進(jìn)行創(chuàng)新性教育，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng)的目的.該模式強(qiáng)調(diào)課程設(shè)計(jì)的延展性，要求學(xué)生主動參與活動和項(xiàng)目設(shè)計(jì)，通過科學(xué)探究來解決問題，旨在培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力和創(chuàng)新能力[1].同時(shí)STEAM教育要求學(xué)生將碎片化知識進(jìn)行整合，以多視角、多維度的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，不僅能培養(yǎng)學(xué)生的理性思維邏輯、科學(xué)探究能力與合作交流能力，還能幫助學(xué)生養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的意識.總言之，STEAM教育致力于將學(xué)生塑造成具有創(chuàng)造和革新精神的全面發(fā)展的人，支持學(xué)生成為未來主導(dǎo)各行業(yè)的綜合型人才[2].

2?6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式

6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式是美國國際技術(shù)與工程教育學(xué)會于2014年提出的落實(shí)STEM教育的活動模式，包括六個(gè)環(huán)節(jié)：參與、探索、解釋、工程、深化、評價(jià)[3-4].關(guān)于六個(gè)環(huán)節(jié)的具體描述如下：

（1）參與環(huán)節(jié)（Engage）：教師通過情景導(dǎo)入并預(yù)先告知相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)，使學(xué)生將過去與現(xiàn)在的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來，設(shè)置問題激發(fā)學(xué)生對后續(xù)學(xué)習(xí)內(nèi)容的興趣，吸引學(xué)生參與到教學(xué)活動中來.

（2）探索環(huán)節(jié)（Explore）：通過基于項(xiàng)目或問題的探究活動，學(xué)生有機(jī)會直接參與活動現(xiàn)象與材料，通過探究性科學(xué)教學(xué)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，整個(gè)過程學(xué)生可以提問、分析數(shù)據(jù)并思考，培養(yǎng)學(xué)生自我建構(gòu)知識的能力.

（3）解釋環(huán)節(jié)（Explain）：學(xué)生運(yùn)用概念或原理來解釋探究過程，以此反思、細(xì)化所學(xué)知識.教師通過提問，引導(dǎo)學(xué)生討論交流，糾正其迷思概念，從而將知識與情景更好地聯(lián)系起來.

（4）工程環(huán)節(jié)（Engineer）：教師向?qū)W生介紹設(shè)計(jì)的相關(guān)概念與所需資源，并向?qū)W生提供實(shí)際應(yīng)用機(jī)會.學(xué)生在探究過程中學(xué)習(xí)，進(jìn)行裝置相關(guān)制作與測試，并以此改良設(shè)計(jì)方案.

（5）深化環(huán)節(jié)（Enrich）：教師通過向?qū)W生引入新的制作活動，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用到更廣泛的工程設(shè)計(jì)中，以此促進(jìn)學(xué)生對知識的深度理解.

（6）評價(jià)環(huán)節(jié)（Evaluate）：教師利用過程性評價(jià)對學(xué)生制作的產(chǎn)品以及整個(gè)探究學(xué)習(xí)過程進(jìn)行檢測與評價(jià)，了解學(xué)生學(xué)習(xí)中的需求與不足之處，并以此促進(jìn)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的互動與交流.

6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式既強(qiáng)調(diào)“科學(xué)探究”思維又注重“工程設(shè)計(jì)”實(shí)踐，要求以學(xué)生為中心，教師作為協(xié)助者引導(dǎo)學(xué)生在具體情境中感知問題，并運(yùn)用跨學(xué)科知識來解決挑戰(zhàn)性任務(wù)，是開展STEAM教育的有效課程設(shè)計(jì)模式[5].

3?基于6E模式的STEAM課程設(shè)計(jì)

本研究以高中二年級學(xué)生為教學(xué)對象，針對高中物理選修3-3“熱力學(xué)第一定律”的內(nèi)容，以“蒸汽機(jī)演示儀的制作”為項(xiàng)目主題，在6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式基礎(chǔ)上，進(jìn)行高中物理STEAM課程設(shè)計(jì).課程共7課時(shí)，最后通過學(xué)習(xí)過程記錄單、評價(jià)量表和小測驗(yàn)三種方式對學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行檢驗(yàn)與評價(jià)，以期達(dá)到引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用學(xué)科理論知識，培養(yǎng)學(xué)生知識遷移能力和創(chuàng)造性思維的目的.為更好進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，需厘清蒸汽機(jī)演示儀知識、6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式以及STEAM模式之間的關(guān)系（見表1）.

具體教學(xué)過程如下：

教學(xué)活動1：參與（1課時(shí)）.

【教師指導(dǎo)活動】

（1）情景設(shè)置：播放蒸汽火車的視頻（如圖1），視頻介紹蒸汽火車工作結(jié)構(gòu)（如圖2）.

（2）提出問題：回顧所學(xué)熱力學(xué)第一定律的知識，思考蒸汽火車的工作原理是什么？蒸汽機(jī)在生產(chǎn)生活中有怎樣的應(yīng)用與地位？

（3）明確任務(wù)：提出“蒸汽機(jī)演示儀制作”的活動任務(wù).

【學(xué)生活動】

（1）觀看視頻，分小組討論回答前面的問題.

（2）確定自己已經(jīng)掌握和需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，清楚本次學(xué)習(xí)活動的目標(biāo)與過程.

（3）熟悉掌握本次活動設(shè)計(jì)需使用的器材，操作練習(xí)相關(guān)軟件.

【設(shè)計(jì)意圖】在參與環(huán)節(jié)，主要是通過創(chuàng)設(shè)情景導(dǎo)入學(xué)習(xí)任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望和動機(jī).就本節(jié)課而言，教師通過設(shè)置蒸汽火車工作這一真實(shí)的生活情景，激發(fā)學(xué)生的好奇心，從而調(diào)動學(xué)生對本節(jié)課的學(xué)習(xí)熱情.通過提問，將學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)聚焦到“蒸汽機(jī)演示儀的制作”這一活動任務(wù)上來.

教學(xué)活動2：探索（1課時(shí)）.

【教師指導(dǎo)活動】

（1）介紹建模的概念和過程.

（2）引導(dǎo)學(xué)生分析課前查閱的“蒸汽機(jī)演示儀”各部分（汽缸、活塞、曲柄連桿、飛輪等）的結(jié)構(gòu)組成與性能.

（3）引導(dǎo)學(xué)生思考在保證產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上如何使產(chǎn)品更加美觀.

【學(xué)生實(shí)踐活動】

（1）小組合作討論設(shè)計(jì)所需器材，確定“蒸汽機(jī)演示儀”各部分制作方案.

（2）利用幾何畫板畫出該設(shè)計(jì)的部分示意圖，對設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)參量進(jìn)行計(jì)算.

（3）小組自由分享自己對產(chǎn)品外觀的設(shè)想，比如顏色如何搭配，大小與形狀如何設(shè)計(jì)等.

【設(shè)計(jì)意圖】前面學(xué)生已經(jīng)清楚設(shè)計(jì)的目標(biāo)，因此在探索環(huán)節(jié)，主要是通過小組討論，頭腦風(fēng)暴等形式來設(shè)計(jì)任務(wù)方案.教師主要是幫助學(xué)生根據(jù)探究任務(wù)來確定探究支架，進(jìn)行科學(xué)的探究活動，同時(shí)通過學(xué)生對產(chǎn)品外觀的設(shè)想，加入學(xué)生審美因素，培養(yǎng)學(xué)生自信心.

教學(xué)活動3：解釋（1課時(shí)）.

【教師指導(dǎo)活動】

（1）組織各小組上臺分享設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)思路以及涉及到的學(xué)科概念知識.

（2）重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對有關(guān)概念與規(guī)律知識的理解，通過提問方式來發(fā)現(xiàn)并幫助學(xué)生糾正迷思概念.

【學(xué)生實(shí)踐活動】

（1）展示幾何畫板畫的裝置結(jié)構(gòu)示意圖（如圖3），用相關(guān)概念規(guī)律來解釋方案各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，對幾何數(shù)據(jù)參量結(jié)果進(jìn)行說明.

（2）各小組之間進(jìn)行方案比較，交流與討論，以完善各自的設(shè)計(jì)方案.

【設(shè)計(jì)意圖】在解釋環(huán)節(jié)，主要是學(xué)生分享并闡述自己的探究思路與設(shè)計(jì)方案，通過解釋各部分結(jié)構(gòu)原理來暴露認(rèn)知水平.教師幫助學(xué)生進(jìn)行組間交流從而完善其設(shè)計(jì)方案，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行更準(zhǔn)確、更深入的學(xué)習(xí).

教學(xué)活動4：工程（2課時(shí)）.

【教師指導(dǎo)活動】

（1）重申設(shè)計(jì)的過程.

（2）所需器材與資源（玻璃試管、玻璃注射器、耐高溫硅膠管、PP板、酒精燈、軸承、曲軸、連桿、蒸餾燒瓶、飛輪、密封圈、直角支架、美工刀、熱膠槍）.

（3）針對學(xué)生在制作過程中的疑惑給予適當(dāng)?shù)慕忉屌c建議，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步完善與學(xué)習(xí).

【學(xué)生實(shí)踐活動】

（1）運(yùn)用相關(guān)理論，進(jìn)行設(shè)計(jì)的制作，同時(shí)注重產(chǎn)品外觀呈現(xiàn).

（2）對制作的產(chǎn)品進(jìn)行性能測試，并對相關(guān)測試結(jié)果進(jìn)行記錄.

（3）根據(jù)產(chǎn)品的測試結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化方案.

【設(shè)計(jì)意圖】工程環(huán)節(jié)的目的是讓學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識和技術(shù)來解決工程問題.主要體現(xiàn)在將理論設(shè)計(jì)方案落到實(shí)際操作上，讓學(xué)生經(jīng)歷工程設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，并在實(shí)踐過程中檢驗(yàn)該理論方案.整個(gè)過程在工程學(xué)基礎(chǔ)上加強(qiáng)了學(xué)生對數(shù)學(xué)、科學(xué)以及其他核心學(xué)科的學(xué)習(xí).

教學(xué)活動5：深化（1課時(shí)）.

【教師指導(dǎo)活動】

（1）教師設(shè)置新情景，引導(dǎo)學(xué)生將產(chǎn)品裝置升級，使飛輪在停下來后可以進(jìn)行反向轉(zhuǎn)動.

（2）提出裝置升級的有關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生在新情境下將知識與技能進(jìn)行遷移.

【學(xué)生實(shí)踐活動】

（1）在新情境下，小組對有關(guān)問題進(jìn)行討論分析，在考慮蒸汽機(jī)演示儀結(jié)構(gòu)和整體裝置穩(wěn)定性基礎(chǔ)上對原方案進(jìn)行升級改進(jìn).

（2）針對新方案進(jìn)行組間交流，通過詰問等方式深化認(rèn)識.

（3）小組制作升級裝置，再次體會工程設(shè)計(jì)過程.

【設(shè)計(jì)意圖】在深化環(huán)節(jié)，教師主要通過提升任務(wù)難度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識的拓展與延伸，加深他們對所學(xué)知識的理解以及將學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)移到新情景的能力.該環(huán)節(jié)是對學(xué)生學(xué)習(xí)的整體提升.

教學(xué)活動6：評價(jià)（1課時(shí)）.

【教師指導(dǎo)活動】

（1）組織小組展示作品裝置（如圖4）.

（2）呈現(xiàn)并說明每階段的評價(jià)性量表，見表2.

（3）利用學(xué)習(xí)過程記錄單對學(xué)生各階段的學(xué)習(xí)表現(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)填寫，記錄學(xué)生知識掌握情況和小組活動任務(wù)完成情況.

（4）組織學(xué)生進(jìn)行自我評價(jià)與組內(nèi)評價(jià).

（5）針對學(xué)生在整個(gè)探究過程中的不足表現(xiàn)，與學(xué)生進(jìn)行交流與意見的指導(dǎo).

（6）發(fā)放診斷性小測驗(yàn)，考查學(xué)生知識學(xué)習(xí)與目標(biāo)達(dá)成的情況.

【學(xué)生實(shí)踐活動】

（1）展示作品，并對設(shè)計(jì)進(jìn)行解釋與說明.

（2）進(jìn)行自我評價(jià)，聽取同學(xué)與教師的評價(jià)與建議.

（3）小組間進(jìn)行互評，填寫評價(jià)量表，提出建議和鼓勵.

（4）完成小測驗(yàn)，檢測學(xué)習(xí)效果.

【設(shè)計(jì)意圖】在評價(jià)環(huán)節(jié)，教師主要依據(jù)評價(jià)量表，以過程性評價(jià)為主，總結(jié)性評價(jià)為輔，對學(xué)生的問題解決能力、探究能力、工程制作能力以及創(chuàng)新能力等進(jìn)行評價(jià).目的是了解學(xué)生對概念和知識技能掌握情況.

4?小結(jié)

STEAM“跨學(xué)科”的教育理念符合我國物理課程改革要求與發(fā)展新方向，它不僅是對學(xué)科進(jìn)行整合性的教育，也是一種課程設(shè)置的趨勢，更是一種教學(xué)方式的革新[6].該教育模式下進(jìn)行的6E設(shè)計(jì)型教學(xué)對學(xué)生進(jìn)行“做中學(xué)”的教育，不僅能培養(yǎng)學(xué)生“工程設(shè)計(jì)”與“科學(xué)探究”的能力，還能培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力.因此，基于STEAM教育理念進(jìn)行課程開發(fā)，對我國物理課程改革具有重要指導(dǎo)意義.在進(jìn)行STEAM課程設(shè)置時(shí)，不僅要強(qiáng)調(diào)教師引導(dǎo)學(xué)生基于情景感知問題，綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識解決問題，還要注重以學(xué)生為中心，教師為引導(dǎo)者，通過小組合作探究的形式進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作.

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（收稿日期：2019-10-03）