STEAM項目模型的構(gòu)建與應(yīng)用優(yōu)秀獲獎科研論文

STEAM項目模型的構(gòu)建與應(yīng)用優(yōu)秀獲獎科研論文

[摘

要]新課程標準倡導(dǎo)基于STEAM的跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式?！耙缓怂沫h(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(shè)計、物化、評估四個環(huán)節(jié)。該模型可用于優(yōu)化跨學(xué)科項目式教學(xué)設(shè)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(dǎo)與參考。

[關(guān)鍵詞]STEAM;跨學(xué)科;項目模型

STEAM教育作為跨學(xué)科融合的教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)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(xué)的有益補充，符合深化課程改革的方向，有利于發(fā)展學(xué)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(xué)科視野與國際競爭力的學(xué)生具有重要的價值。

一、對STEM模式的探索

趙呈領(lǐng)將美國生物學(xué)課程研究會（BSCS）提出的5E模式置于STEM教育背景下，以科學(xué)課教學(xué)設(shè)計了面向STEM教育的5E探究式教學(xué)模式[1]。黃樺將教學(xué)情境、整合“科學(xué)探究”和“工程設(shè)計”的教學(xué)模式、教學(xué)評量確定為STEM教育深度融入科學(xué)課程教學(xué)的三條主要實踐路徑[2]。高丹陽探索了STEM的教學(xué)模式融入信息技術(shù)學(xué)科，研究了BOPPPS教學(xué)模式在小學(xué)STEM課程的應(yīng)用[3]。上述教學(xué)模式均以科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)科為主體，在以下方面存在不足：一是未能從多學(xué)科融合的角度研究STEAM教學(xué)模式;二是缺少對工程與技術(shù)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(shè)計等能力的培養(yǎng);三是項目構(gòu)建雖以任務(wù)驅(qū)動，但與新一輪課程標準所倡導(dǎo)的基于高階思維的學(xué)習(xí)還有一定距離。由此，STEAM項目模型的構(gòu)建應(yīng)著力解決這三個方面的問題。

二、STEAM項目模型的構(gòu)建

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

引入環(huán)節(jié)是項目式學(xué)習(xí)的開端，包括面向真實情境下的科學(xué)知識探究，在問題背景下對人文、歷史知識的學(xué)習(xí)，運用數(shù)學(xué)工具進行分析與建模，建立數(shù)學(xué)模型并計算最優(yōu)解等。設(shè)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(shè)計草圖，并以技術(shù)手段完成相應(yīng)的平面設(shè)計圖、三維圖形造型設(shè)計等。物化環(huán)節(jié)是把設(shè)計環(huán)節(jié)的抽象學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化成具象模型的過程，可運用傳統(tǒng)或現(xiàn)代的技術(shù)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(shè)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(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)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(xué)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(shè)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(xué)習(xí)后，可能存在不符合設(shè)計要求，不能通過工程測試等情況，需要在該項目中重復(fù)學(xué)習(xí);或因項目無法達到預(yù)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(xué)習(xí)后，再進入一個更高難度的項目任務(wù)。通過這樣的項目循環(huán)，學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)不再只是簡單地重復(fù)或機械化地訓(xùn)練，而是會進入深度學(xué)習(xí)。

三、STEAM項目模型的應(yīng)用

1.優(yōu)化STEAM教學(xué)設(shè)計

如《系統(tǒng)的設(shè)計》為2019年浙江省課堂教學(xué)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(xué)，教學(xué)設(shè)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(shè)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(xué)習(xí)內(nèi)容碎片化等問題，導(dǎo)致學(xué)生對相關(guān)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(shè)計，圍繞“如何設(shè)計一輛簡易的月球車模型”這一真實問題情境，按學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑展開教學(xué)。在引入環(huán)節(jié)探索月壤特性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等科學(xué)知識，認識探月工程發(fā)展歷史;在設(shè)計環(huán)節(jié)設(shè)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(xué)運算選擇合適的輪胎;在評估環(huán)節(jié)關(guān)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(xué)習(xí)的路徑，設(shè)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(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生在自主設(shè)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(wù)引導(dǎo)的問題解決過程，使學(xué)生的思維更發(fā)散，參與度更高，任務(wù)完成度也更高。因此，學(xué)生進入了一種循環(huán)提升的學(xué)習(xí)狀態(tài)。最后，該課例獲得了2019年浙江省通用技術(shù)課堂教學(xué)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(shè)置目標不明確。有些學(xué)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