融入STEAM理念的物理課程設計

樊燕 楊雨軒 謝麗

摘 要： 在教學中融入STEAM教育理念已成為一種新興的教育趨勢，對提升學生的科學素養(yǎng)和人文素養(yǎng)，培養(yǎng)全面發(fā)展的未來公民具有重要意義.在物理教學中融入STEAM 教育理念，應用跨學科知識解決實際問題將有利于發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng).本文以物理學科大概念“運動和力”中的“摩擦力”教學為例，依據(jù)包含“科學探究”與“工程設計”過程的6E設計型模式，嘗試提出課程設計模式，并據(jù)此進行課程案例設計，深化學生對概念的理解和掌握，助力創(chuàng)新人才的培養(yǎng).

關鍵詞： STEAM教育;6E設計型模式;摩擦力;課程設計

文章編號： 1008-4134（2019）23-0038 ? ? 中圖分類號： G633.7 ? ? 文獻標識碼： B

20世紀80年代，為保持在國際上的可持續(xù)競爭力，美國政府提出了“STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）教育集成”的建議，并將其發(fā)展成為國家性教育戰(zhàn)略.后來，在STEM教育的基礎上出現(xiàn)一種新型教育模式——STEAM教育，這種教育使得STEM教育中注入了情感因素和對美感的追求.新媒體聯(lián)盟（New Media Consortium）2015-2018年間在《地平線報告（基礎教育版）》（Horizon Report K-12 Edition）連續(xù)指出：STEAM教育是全球性的科技教育戰(zhàn)略，對基礎教育有著至關重要的影響.中國教育部于2016年發(fā)布《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)》報告中展示了中國教育對未來人才的新愿景，也明確了STEAM課程的價值取向.STEAM教育的突破性發(fā)展，將不僅回應中國社會經(jīng)濟轉型對人才培養(yǎng)的嶄新訴求，更將是中國立穩(wěn)世界強國之列、實現(xiàn)中華民族偉大復興的教育方案.

1 STEAM教育內(nèi)涵

STEAM教育發(fā)源于美國，是STEM 教育的延伸與發(fā)展.2006年開始，A（藝術）這一要素受到越來越多的關注，并逐漸融入到STEM教育中，這種新型教育理念強調(diào)了科學學科與人文學科之間的相關性，注重提升學生科學素養(yǎng)和人文素養(yǎng)，培養(yǎng)全面發(fā)展的未來公民，自此，STEAM教育成為一種新興的教育模式，在全球范圍內(nèi)開展起來.Yakman教授對STEAM各要素之間的關系進行了這樣的闡述：“我們生活在這樣一個世界，對科學的理解離不開技術，而技術又依賴于工程來呈現(xiàn)它的相關研究和發(fā)展，如果沒有對藝術和數(shù)學的理解，就沒有工程的創(chuàng)造.（ Yakman，2008）”[1].與 STEM 相比，STEAM教育的內(nèi)涵更加豐富，不僅能夠有效培養(yǎng)學生的邏輯思維、問題解決、創(chuàng)新、合作、激勵等能力，還致力于將學生塑造成具有創(chuàng)造和革新精神的全面發(fā)展的人，支持學生成為未來的發(fā)明家與創(chuàng)造者[2] .

我國基礎教育受分科教學影響，學生習得的知識零碎化，缺乏統(tǒng)整性，創(chuàng)新能力與知識遷移能力有所欠缺.雖然新課程改革已明確提出現(xiàn)代教育要注重培養(yǎng)學生的科學觀念和核心素養(yǎng)，但在實際教學中教授給學生的知識局限于書本內(nèi)容，對于跨學科知識、綜合性學科知識、基于生活情境的知識等鮮有接觸.而蘊含跨學科性與情境性等特點的STEAM教育能彌補我國中學物理教學的缺陷，對培養(yǎng)未來時代所需要的具有批判性和創(chuàng)造性思維、問題解決能力、合作共享能力、社會參與意識等“明日所需素養(yǎng)”的學生具有關鍵性作用.

2 基于6E的課程設計模式

美國作為推動STEAM課程改革的主要國家，開發(fā)了一些相關的課程，積累了許多可供參考的理論和實踐經(jīng)驗[3].ITTEEA（International Technology and Engineering Educators Association）于2014年提出的融入“科學探究”與“工程設計” 6E設計型學習模式在近年來備受推崇.如何將6E模式與物理課堂教學相融合？筆者參照 6E模式，以“參與（Engage）”“探索（Explore）”“解釋（Explain）” “工程（Engineer）”“深化（Enrich）”“評價（Evaluate）”教學步驟為基礎，嘗試提出了基于6E的課程設計模式，如圖1所示.

3 具體課程設計案例

就物理學科而言，其本身就與技術和工程有潛在的聯(lián)系[4].因此，本文選擇物理學科大概念“運動和力”中的“摩擦力”的教學為例，基于6E課程設計模式，進行具體課程案例設計見表1.學生通過工程制造，運用科學知識、數(shù)學計算等能力驗證摩擦力相關內(nèi)容，解決實際相關問題，以深化學生對大概念的理解，提高學生物理學科核心素養(yǎng).

3.1 結合學生知識背景，明確研究內(nèi)容（1課時）

【教師活動】

（1）播放兩個剎車視頻（同一汽車在不同路面，不同汽車在同一路面），隨即向?qū)W生提問：從視頻中觀察到什么現(xiàn)象？何種因素導致這種現(xiàn)象？

（2）以小組為單位學生結合已有知識經(jīng)驗說出他們對視頻中剎車現(xiàn)象的理解，并引導學生猜想影響摩擦力大小的因素，并思考該如何驗證這些影響因素.

（3）在學生匯報的基礎上結合本次課程主題——摩擦力，提出研究內(nèi)容：摩擦力的概念、影響因素以及如何通過項目對影響因素進行驗證.

【學生活動】

（1）學生思考導致制動距離不同的原因——摩擦力.

（2）熟悉并明確剎車情境中涉及的摩擦力知識，以小組為單位進行交流討論.

（3）猜想影響摩擦力大小的因素，構思可以從哪些維度設計方案驗證猜想.

【設計意圖】

（1）將課堂教育與真實剎車情景相結合，從切實情境中導入課程，激發(fā)學生求知欲.

（2）讓學生觀察剎車視頻，引導學生回顧初中學習的摩擦力知識，了解學生知識基礎.

（3）學生明確研究摩擦力知識內(nèi)容，構思如何設計項目來驗證制動距離的影響因素，充分發(fā)揮學生的主觀能動性.

3.2 探究學習，支架引導（1課時）

【教師活動】

（1）引導學生通過多種方式查閱影響汽車制動距離的因素（輪胎花紋、地面粗糙程度、汽車質(zhì)量），明確制動距離與摩擦力有關，摩擦力大小與接觸面粗糙程度和汽車質(zhì)量有關.

（2）引導學生積極參與討論，并強調(diào)團隊合作的重要性.

（3）鼓勵學生頭腦風暴，自行選擇某一摩擦力影響因素，對驗證方案內(nèi)容進行初步構思與設計.

【學生活動】

（1）通過查閱資料輔以教師講解的方式，明確制動距離與摩擦力有關.

（2）驗證影響制動距離的原因，提出相應的設計方案.學生可能設計方案：公路設計項目、輪胎制造項目、汽車類型項目.

（3）學生分組討論項目設計方案.

【設計意圖】

（1）要求學生能通過網(wǎng)絡設備等多種途徑，查閱資料檢索信息，并基于所得信息構建方案設計框架，從而在探索過程中進行學習.

（2）教師引導學生經(jīng)歷提出問題、收集證據(jù)、解釋交流三個科學探究階段，以合作探究的方式科學建構物理知識模型.

（3）教師提供框架支持并給于適當引導，促使學生主動思考，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力與思維發(fā)散能力.

3.3 知識構建、方案的詮釋與改進（1課時）

【教師活動】

（1）向?qū)W生普及傳感器和3D打印機的工作原理、用途、使用方法以及使用時的注意事項.

（2）教師請各小組分享自己的產(chǎn)品設計方案，并對各組設計方案的科學性、可操作性與安全性進行簡要分析.

（3）鼓勵學生詰問其他組的方案內(nèi)容，教師及時糾正學生交流過程中出現(xiàn)的迷思概念.

【學生活動】

（1）學生習得多種技術手段，并掌握設備的應用知識，豐富基本知識框架.

（2）傾聽其他小組的設計方案，思考他人提出的問題、解釋及意見.

（3）審視項目設計方案內(nèi)容，思考方案實施的科學性、可操作性以及安全性.

【設計意圖】

（1）通過學生對方案內(nèi)容的闡述，了解學生對基本概念的理解.

（2）學生通過解釋與交流過程，對摩擦力知識形成更深刻、更系統(tǒng)的理解.

（3）推動組間交流，引導學生深入學習，促進學生批判性思維和問題解決能力的發(fā)展.

3.4 技術應用、產(chǎn)品制造（3課時）

【教師活動】

（1）介紹工程設計的概念以及摩擦力項目設計的幾個維度.

（2）重述摩擦力概念、類型及其影響因素，并強調(diào)傳感器、3D打印機設備的工作原理、使用時的注意事項.為學生工程制作提供所需的材料及設備.

（3）強調(diào)實驗過程中數(shù)據(jù)的記錄以及操作過程中的安全問題.

（4）協(xié)助學生解決產(chǎn)品制作過程中出現(xiàn)的難題，并指出問題出現(xiàn)的原因，對學生制作過程給予適當引導與評價.

（5）從STEAM包含的各個要素對學生的制作過程提出改良的建議.

【學生活動】

（1）學生依據(jù)小組設計方案內(nèi)容，使用給定的材料，采用小組合作的方式著手項目產(chǎn)品的初步制作.

（2）對實施過程可能出現(xiàn)的問題進行思考、解決和優(yōu)化，適時修改方案內(nèi)容.

（3）產(chǎn)品制作完成后，各成員依次體驗項目技術，并結合操作的結果，分享交流意見與建議，通過優(yōu)化實驗操作，進而優(yōu)化實驗方案設計.

【項目說明】

（1）汽車設計項目如圖2所示.通過在汽車上添加不同數(shù)量的砝碼來改變汽車質(zhì)量;通過3D打印機制造不同花紋的汽車輪胎以改變汽車所受摩擦力大小.

（2）公路設計項目如圖3所示.通過改變傳送帶上的履帶作為不同粗糙程度的公路面.

【設計意圖】

（1）通過重述內(nèi)容、概念以加深學生對摩擦力知識的理解.

（2）在項目設計與制作過程中，利用作品外化學習效果，促進學生知識的整合與遷移.

（3）學生能深層次參與到學科整合的過程中，領會跨學科整合的精髓，將所學有關摩擦力的知識技術手段應用到現(xiàn)實環(huán)境中.

3.5 技術比較、產(chǎn)品完善（2課時）

【教師活動】

（1）引導學生展示自己的設計方案，并介紹項目設計中應用的知識原理以及技術優(yōu)勢.

（2） 將學生交流的各類型項目內(nèi)容匯總并分類比較，引導學生得出驗證摩擦力影響因素的多種維度，并分析所應用各項技術手段的優(yōu)缺點和適用情況.

（3）組織學生進行交流討論，優(yōu)化自己的設計方案，并在改良后選出優(yōu)秀作品，向同學進行展示.

【學生活動】

（1）了解如何將設計流程應用到實際情境中.

（2）小組討論完成實驗方案，選出代表匯報.

（3）聽取其他小組的匯報并對其做出評價，吸收優(yōu)勢之處優(yōu)化自身方案.

（4）明確各項技術手段的優(yōu)缺點，與小組成員進一步討論，完善產(chǎn)品制作，突出技術優(yōu)勢.

【設計意圖】

（1）通過不同設計方案的對比與總結，進一步深化學生對工程制作環(huán)節(jié)的認識、摩擦力知識的應用與遷移能力，提升實際操作能力.

（2）學生在原有方案基礎上進行延伸和拓展，實現(xiàn)知識的進一步深化和對前面各環(huán)節(jié)學習內(nèi)容的整合提升.

3.6 作品展示，總結反思（2課時）

【教師活動】

（1）組織各小組展示自己的設計作品，進行解釋說明.并對學生匯報內(nèi)容給與正確的評價.

（2）在學生的匯報過程中，逐步引導學生總結涉及到的STEAM知識.

（3）展示此次STEAM課程學習相比于傳統(tǒng)摩擦力學習的優(yōu)勢所在，進一步凸顯STEAM主題.

【學生活動】

（1）完善小組的最終匯報（概念內(nèi)容，技術的原理、操作方式、注意事項），并進行作品展示.

（2）學生進行自我評價，了解是否已經(jīng)掌握解決問題的方法.

（3）明確STEAM模式的內(nèi)涵，構建出關于STEAM知識的框架.

【設計意圖】

（1）體現(xiàn)學科整合的思想，包括知識和觀點的整合.

（2）學生通過評價、反思整合不同的觀點，發(fā)現(xiàn)自身問題，獲取他人意見，鍛煉語言組織能力和表達能力.

（3）教師反思融合STEAM教育理念的物理教學過程中出現(xiàn)的問題及原因，完善教學方案，提高自身教學能力.

4 結論與反思

高質(zhì)量的STEAM教育是增強國家競爭力、培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要手段.當前STEAM教育已在北上廣等部分大中型城市快速開展，且呈蓬勃發(fā)展之勢.但是總體上我國仍處于STEAM教育改革的起步階段.在STEAM教育本土化推進的過程中，我們?nèi)匀幻媾R著諸多問題和挑戰(zhàn)，而這場變革的落腳點和突破點即在于發(fā)展STEAM課程.為此，筆者通過對摩擦力的STEAM課程設計，以期為教師有效開展STEAM教學提供支架和參考，助力創(chuàng)新人才的培養(yǎng).

參考文獻：

[1]崔鴻，朱家華，張秀紅.基于項目的STEAM學習探析：核心素養(yǎng)的視角[J].華東師范大學學報（教育科學版），2017，35（04）：54-61+135-136.

[2] Yakman G， Lee H. Exploring the exemplary STEAM education in the U.S. as a practical educational framework for Korea[J]. Journal of the Korean Association for Science Education， 2012（6）：1072-1086.

[3]謝麗，李春密.整合性STEM教育理念下的課程改革初探[J].課程·教材·教法，2017，37（06）：63-68+62.

[4]謝麗，李春密.物理課程融入STEM教育理念的研究與實踐[J].物理教師，2017，38（4）：2-4.

（收稿日期：2019-08-27）