基于STEM理念的校本課程——以制作“天氣瓶”為例

周禮+章亞楠+朱悅衛+肖多聞+周青+李高峰

摘要：提出STEM教育的三大核心理念：跨學科整合、問題驅動、情景與合作。并且以校本課程的形式，通過制作“天氣瓶”為課程案例，呈現了STEM課程的實施過程和設計原則。此外，研究也表明基于STEM理念的校本課程能夠在一定程度上提高學生學習化學的興趣。

關鍵詞：STEM教育；天氣瓶；校本課程；學習興趣

文章編號：1005–6629（2016）10–0012–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

STEM教育是科學、技術、工程、數學教育（Science，Technology，Engineering and Mathematics）的簡稱。它起源于1980年代的美國，旨在打破學科領域邊界，培養學生的科技理工素養，進而提升國家競爭力和創新能力[1]。美國的STEM教育在提升國民科學素養、增強國家經濟實力、驅動創新等方面均具有顯著作用[2]。為此，美國建立了STEM學校專注于培養高素質人才，這些學校的相關案例值得國內借鑒[3]。截止2014年，美國大約有358所公立STEM中學，而美國總統奧巴馬呼吁在未來10年要新建1000所STEM中學[4]。

我國的STEM教育起步較晚，在基礎教育階段還沒有建立起完整的STEM教育體系，也沒有專門的STEM中學。鑒于美國發展STEM教育所取得的巨大成就，重視并發展我國的STEM教育具有深遠意義?；谖覈A教育的實際情況，本研究側重于化學教學并結合校本課程進行相應的探索，為我國的STEM教育發展提供相應的參考。

1 STEM教育的框架與特征

科學本身不能生產東西，孤立的技術也不能，單獨數學更不能，只有把科學、技術和數學結合在一起的時候，才能夠生產出有價值的東西或者其他高科技產品。這也是提出STEM這一框架的直接原因[5]。美國國際技術教育協會（International Technology Education Association）提出了STEM課程的基本架構（見圖1），其核心觀點是以解決工程問題為課程主軸，再輔以技術設計、數學與科學相關知識，發展專題導向的教學模組，以培養學生各學科知識的整合能力并激發學生學習工程的興趣[6]。因此，我國基礎科學教育的發展需要依托整合的STEM課程，以已有的科學課程為載體，開發整合與不同學科內容相關的工程設計任務，注重教學實施中科學探究與工程設計的有機結合[7]。

科學、技術、工程和數學這四門學科都包含了知識和實踐的部分，它們幾乎囊括了理工科課程的全部范疇，四者之間有著緊密的聯系?？偟膩碚f，STEM教育應具有三大核心理念：跨學科整合、問題驅動、情景與合作。

1.1 跨學科整合

科學是數學的思想和平臺，數學是科學的工具和語言；數學和科學是工程的基礎，工程又是科學和數學的關鍵；工程設計能產出高新技術，高新技術又為工程實施提供有利的硬件支持。但是，這四者又各有側重點：科學重在發現探索，技術側重發明革新，工程強調集成建造，數學強調邏輯推理。總的來說，STEM教育的理念就是促使四門學科既立足于每一門學科的特殊性，又彼此間滲透，培養學生各學科間的綜合素養[8，9]。

1.2 問題驅動

工程問題的解決往往是STEM課程的主軸，學生的學習活動必須與任務或問題相結合，以探索問題來引導和維持學生的學習興趣和動機，創建真實的教學情境，讓學生帶著真實的任務學習，以使學生擁有學習的主動權[10]。與此同時，問題驅動還能夠提高學生在課堂教學中的參與程度，容易激起學生的求知欲，活躍其思維。

1.3 情景與合作

建構主義認為，學習不是由教師向學生傳遞知識，而是學生自我建構知識的過程，教師只是作為該課程的引導者。STEM課程活動不僅僅教授學生孤立、抽象的學科知識，更強調把知識還原于豐富的生活情境中。學生再通過情景互動，以小組合作的形式協同互助、相互啟發，參與、體驗獲得知識的過程，不僅能夠獲得結果性知識，還習得蘊含在問題解決過程中的過程性知識[11]。與此同時，合作學習還能培養其主動參與的意識，激發學生的求知欲，最終共同達成教學目標。

2 課程設計

本研究選擇了某中學初三年級的學生作為研究對象，旨在探索基于STEM理念的校本課程對學生學習興趣的影響，并討論STEM課程在中學教學過程中的實施方案和設計原則。

2.1 研究選題

“天氣瓶”是一種簡單的手工藝品，人們在日常生活中用它作為預報天氣的參考。對于STEM課程的建設，“天氣瓶”既貼近學生的生活實際，又蘊含豐富的化學知識和其他學科的相關知識，并且制作過程又能考驗學生的動手能力。因此，本研究以制作“天氣瓶”為主題。該課程在學習完人教版初中化學第九單元“溶液”之后進行，此時學生已經掌握了溶液、晶體相關的基礎知識，對天氣瓶的制作有一定的感性認識與理性認識。此外，天氣瓶的制作在網上有許多樣本，諸如上海STEM云中心（http：//www.stemcloud.cn）也有相關的介紹，但是都沒有從課程的角度出發進行探索。

2.2 設計思路

在科學知識層面上，試圖重點突出化學知識又兼顧其他學科知識的跨學科整合。其中，化學知識涉及到結晶、飽和溶液等重要概念，其制作原理是天氣瓶內的飽和溶液析出了樟腦晶體，硝酸鉀、氯化銨和水作為次要成分，對控制樟腦晶體形成有很大的作用；物理知識涉及到氣壓、濕度、電場、磁場對晶體形成均沒有影響，只有溫度對其有影響，一般對于這種體系，溫度越低，就越容易出現結晶；生物知識涉及到樟腦為樟科植物的枝、干、葉及根部，經提煉制得的顆粒狀結晶，天氣瓶使用天然樟腦的效果要比人造樟腦的效果好。endprint

在技術層面上，本課程主要是化學實驗的操作技術。在活動中，每個小組都扮演了獨立的天氣瓶制作工廠的角色，體現了STEM理念中的情景與合作。從工廠生產的角度，每個步驟都是技術的體現。

在工程問題層面上，利用預報天氣的生活情境激發學生的學習興趣，讓學生解決的第一個問題是“天氣瓶真的能預測天氣嗎？”，從而讓學生用實驗驗證自己的猜想；隨后的第二個問題是工程設計問題，要求學生自己動手制作天氣瓶，并利用天然樟腦和人造樟腦兩種配方進行實驗。這種進階式的問題體現了工程學中從明確問題到制訂方案，最后測試和優化改進的系統性步驟。此外，學生還有可能面臨這些問題：實驗藥品的用量各為多少？要用到哪些實驗器材？先做哪一步？以上問題均能體現問題驅動的STEM理念。

在數學層面上，本課程將數學作為一種輔助工具，主要涉及藥品稱量時的讀數、計數以及制訂藥品配比，不僅培養了學生的數學素養，還加深了學生對科學探究和科學概念的理解，促進了工程問題的解決。

2.3 教學流程

依據教學設計思路，設計“天氣瓶”的教學流程，具體如表1所示。

3 結論與啟示

通過本研究的試點，我們發現基于STEM理念的校本課程，能夠在一定程度上提高學生學習化學的興趣。因此，化學教師在實際教學過程中，可以適當地開設相關的校本課程，給學生創造更多的動手機會，提高學生學習化學的興趣，進而提升學習效果。在制作“天氣瓶”的課程中，我們也發現STEM課程的實施和設計應當注意以下幾點：首先，實施課程的主體應該是學生而不是教師，該課程大多數時間是學生自主學習，自己動手實驗，這符合新課程的理念；其次，教師對課程內容的選擇應該是既貼近學生的生活實際，又與教材內容相關，從而使課程充滿趣味性、知識性；最后，課程應當充分體現STEM教育理念，蘊含科學的教育設計和基礎性學科知識，促使教學內容既立足于每一門學科的特殊性，又相互滲透，從而培養學生的創新精神與實踐能力。

參考文獻：

[1]王旭卿.面向STEM教育的創客教育模式研究[J].中國電化教育，2015，（8）：36～41.

[2]龍玫，趙中建.美國國家競爭力：STEM教育的貢獻[J].現代大學教育，2015，（2）：41～49.

[3] Eisenhart， M.， Weis， L.， Allen， C. D.， Cipollone， K.， Stich， A.， & Dominguez， R. （2015）. High School Opportunities for STEM： Comparing Inclusive STEM-focused and Comprehensive High Schools in Two US Cities. Journal of Research in Science Teaching，52，763～789.

[4] Ofpresident， E. O. （2010）. Report to the President. Prepare and Inspire： K-12 Education in Science， Technology， Engineering， and Math （STEM） for Americas Future. Executive Office of the President，15（6），30～31.

[5]李雁冰.“科學、技術、工程與數學”教育運動的本質反思與實踐問題——對話加拿大英屬哥倫比亞大學Nashon教授[J].全球教育展望，2014，（11）：3～8.

[6][8][10]李揚. STEM教育視野下的科學課程構建[D].金華：浙江師范大學碩士學位論文，2014.

[7][9]唐小為，王唯真.整合STEM發展我國基礎科學教育的有效路徑分析[J].教育研究，2014，（9）：61～68.

[8]余勝泉，胡翔. STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015，（4）：13～22.endprint