從“凳子結構探析和技術演變”教學案例談STEAM課程的開發和實施

陳玉潔

摘要：近年來，隨著STEAM教育廣泛興起，中小學校開始廣泛開發相關課程。STEAM教育充分體現了“統整”的教學設計思維，如何厘清STEAM課程支持要素，在教學設計中如何從系統觀的視角整合STEAM課程支持要素框架是本文著重要解決的問題。作者期望通過STEAM教學案例分析，為一線教師進行STEAM教學資源開發和利用提供參考。

關鍵詞：STEAM；教學案例

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2019）01-0064-04

隨著STEAM教育廣泛興起，中小學校也都開始開發相關課程，筆者也嘗試運用STEAM教育理念來進行教學。下面，介紹一個運用STEAM教育理念的教學活動，此教學活動以蘇教版《通用技術教學大綱》為指導，由不同學科教師組成的團隊打磨的一系列的工程設計挑戰活動來實施教學，參與的學生來自高二年級。活動分為五個部分：探究、設計、制作、拓展、評價。活動的目的是讓學生建構對結構強度和穩定性的認識，然后通過團隊協作，運用他們所了解的關于結構的知識來完成工程設計。

課程目標分析

STEAM課程結構以主題學習形式為主，同時主題學習兼顧STEAM全要素學習目標的達成。

舉例來說，若以“結構”作為教學主題，好像教學內容的方向十分明確，然而仔細一想，關于結構的議題非常廣，到底是要討論結構的哪個方面呢？是結構的含義、分類、強度、穩定性，還是在日常生活中的應用？還是不同結構的發展歷史或者文化意義？因此，只有“結構”二字的教學主題，過于簡單，對教學的實際指導意義不大。針對不同的教學對象，由于其認知能力的差異，教師在選定主題方向和深度時要做出適度調整。

如果將“以知識理解和運用為核心”作為教學重點來舉例，知識點的講解必須循序漸進。首先，教師要引導學生理解穩固結構的含義，從結構強度和結構穩定性兩個方面舉例讓學生理解。其次，要通過案例和試驗探究影響結構強度和穩定性的因素。最后，尋找生活中的例子分析穩固結構是如何在生活中被運用的。

如果“以認知、設計和解決實際問題為核心”來教學，則必須根據學生的認知理解力來加強學生的學習。實際問題的解決必然是多因素綜合的問題集，單一學科或單一工具難以支持對實際問題提出完美的解決方案，STEAM的興起，正是基于這樣的教學困境，從培養學生對實際問題綜合解決能力入手，綜合各學科知識和工具，在設計思維的引領下，建構出較為復雜的實際問題解決方案。同時，知識建構的過程對培養學生的綜合素養和創造力也具有重要意義。本活動的主題從“結構”拓展到“凳子結構探析和技術演變”，從設計三要素入手，深入分析學生對課桌凳子的需求，在解決凳子結構缺陷問題的同時，還要結合凳子的技術發展史，設計一款能更好地滿足學生需求的課桌凳子。這個活動從生活出發，將“結構”認知建構融入到實際問題解決過程中，學生在運用設計思維分析問題時，可以綜合運用結構知識解決問題，還可以在角色扮演、調查訪談的時候發現更多的用戶需求，結合設計三要素，提出有價值、有創造力的問題解決方案。在綜合解決問題的過程中，學生需要團隊協作，需要建立溝通能力和領導力，需要表達自己，需要學會項目管理，這些能力的培養都是學生綜合素質的體現。另外，知識建構和方案構思以網絡學習的形式完成，21世紀是互聯網時代，學生在網絡學習平臺上的自主和協作學習能力的培養也是至關重要的。

本教學活動運用“統整”思維整合課程資源，以設計思維的生成為線索，以項目式學習為突破口，整合環境資源、項目管理工具和互聯網學習平臺作為STEAM學習支持系統，進而進化為系統完備的STEAM課程支持要素模型（如右圖），這樣的STEAM課程支持系統將會對學生的知識建構、思維發展、綜合素養提升產生有益的影響。

STEAM課程實施過程

1.主題背景

教室里，工字形的學生課桌凳子腿很容易折斷，這是為什么呢？凳子的結構設計有沒有什么缺陷呢？凳子在人們的生活中有重要作用，我們可以隨處看到各式各樣的凳子，凳子的發展也經歷了漫長的過程，這個活動就是希望學生能夠深入研究自己對課桌凳子的需求，從設計三要素入手，明確設計目標，結合自己對生活中凳子的觀察和思考，設計出一款結構良好并且能夠滿足不同需求的凳子。

反思分析：發現一個問題往往比解決問題更重要，要發現一個有價值的問題，就要在生活中培養學生的觀察力和好奇心，一個好的問題必然來自人的真實需求、技術缺陷等。追求技術的“真、善、美”是找到一個好的學習主題的重要途徑。

2.探究：教室課桌凳子結構缺陷

首先，教師提問：地震中房子坍塌的原因是什么？電動摩托車為什么會被大風刮倒？并引導學生相互討論，教師通過這一過程可以了解學生頭腦中結構強度和穩定性的前概念。

然后，通過分析空調安裝的過程，研究三腳架的材料，讓學生明白結構的強度跟材料有關；改變紙張結構，研究不同結構紙張的承重能力，讓學生明白結構的強度跟形狀有關。再要求學生設計一條凳子的模型，在制作過程中研究木質結構不同的連接方式對結構強度的影響，進一步研究金屬結構的強度跟連接方式的關系，學生通過對比發現，得出結論：結構的強度跟連接方式有關。

接著，出示兩張圖片——東方明珠塔、兩位雜技演員走鋼絲，提出兩個問題：“東方明珠塔的哪些結構設計能夠增強它的結構穩定性？”“這兩個雜技演員哪一個更容易摔下來？”播放“重心偏移模型試驗”視頻，教師引導學生總結影響結構穩定性的第一個因素：結構重心的垂心如果投影在結構支持面的內部，結構就能保持它的穩定性，反之則不能。學生自主設計簡易不倒翁，探究“不倒翁為什么不倒”的原因，教師引導學生總結影響結構穩定性的第二個因素：結構的重心越低，結構穩定性越好。對比“倒立的礦泉水和正立的礦泉水”，得出影響結構穩定性的第三個因素：結構支撐面越大，穩定性越好，反之則穩定性越差。播放“三角形、四邊形、梯形及一些組合結構的穩定性探究實驗”視頻，得出結論：三角形具有穩定性。學生利用網絡自主學習，探究自然界中常見的或人類在橋梁設計中常用到的穩固結構，如六邊形結構、蜂窩結構、懸索結構等。運用所學知識解決實際問題——街邊啤酒攤的遮陽傘如何放置才能增強其穩定性？

反思分析：教師給出任務清單讓學生在網絡上完成前概念的學習，任務清單完成以后學生需要在網絡學習平臺上分享自己的學習成果，并且進行互評。

3.工程項目實施準備

①設計分析及方案構思。工程設計的前提是設計思維的形成，設計包含人、物、環境三要素，以設計的三要素為切入點，學生在角色扮演、采訪、問卷調查的過程中，需要進一步明確設計目標。學生能夠從人的特點和需求、凳子的材質結構和功能不足、使用中出現的問題、使用環境出發對設計目標有較清晰的定位。教師需要引導學生明確用戶的需求是什么，設計的目標是什么，明確了用戶的需求、設計的目標，還要進一步明確解決問題受到的限制及具體的設計任務。然后，教師將學生分成不同的小組進行頭腦風暴，并設計初步的問題解決方案。再經過數輪方案的刪選和優化，最終形成成熟的設計方案。②項目管理。從項目管理的角度分析，項目的實施包括明確項目目標、制訂項目計劃、項目進度管理及項目評價等。教師運用項目管理手冊，對學生設計的各個環節進行指導和記錄。

反思分析：明白“做什么”和“怎么做”是工程項目成功的前提，將項目管理的理念引入到STEAM工程項目中有助于項目的順利實施和評價。項目的實施往往需要團隊協作，因此，教師對學生團隊協作能力和領導力的培訓以及對小組項目管理能力的培養就顯得至關重要了。

4.制作、測試和展示

①模型制作。學生在電腦上3D繪圖，依次進行設計結構件、焊接接縫、繪制凳面和靠背、渲染上色，最后進行3D打印。②測試。學生設計試驗，對不同工況下凳子的承重和穩定性進行測試。③展示。對最終產品進行展示，并且說明設計意圖。④優化。再次分析研究凳子的結構受力情況，對凳子結構進行進一步優化。⑤產品開發。學生和學校桌凳維修人員聯系，結合自己的設計方案對教室凳子的結構進行改良，并且進行測試，評估改良效果。⑥產品說明書。學生按小組設計一份產品說明書，對產品特性進行詳細說明。

5.拓展任務

教師提出任務：結合學生課桌凳子的發展歷史，設計一款各自心目中理想的學生課桌凳子，并說明這款凳子與目前教室里的凳子相比，在結構、功能或心理體驗上有哪些進步之處，請結合設計三要素加以說明。

反思分析：從技術史觀的視角，結合用戶的需求，分析各類課桌凳子的優缺點，并提出自己的設計方案。研究技術發展路徑，拓展學生技術文化視野，幫助學生梳理創新的路徑，養成學生復雜問題解決能力和創造力。

6.總結和評價

在活動過程中，學生要將自己的階段性成果記錄下來，作為過程性評價的一部分。項目結束，學生還要對項目實施過程中的表現進行組內互評。項目展示環節組長和教師要對設計作品進行評價。綜合多種評價形式，按照一定的權重，教師遴選出優秀作品進行展示，并且對表現優秀的學生進行表彰。

啟示

1.多學科融合

STEAM教學最大的特點就是運用多學科知識綜合解決問題，這樣的教學模式對教師素養提出了很大的挑戰。我國當下普遍采用分科教學模式，學科教師的跨領域教學能力有待提高，而且，現行的管理制度不適合跨學科教師的合作教學，所以，嘗試多學科教師共同備課、授課、開發STEAM課程，多學科教師對課程進行多視角評價，有助于提高STEAM教學質量。

另外，培養面向STEAM教學的教師也迫在眉睫。面向STEAM教學的教師必須具備多學科背景綜合素質，學校的校本培訓可以制訂有針對性的培養計劃。

2.STEAM教學環境

STEAM教學環境要能夠支持學生認知建構發展，設計思維和創造力的生成，還要保障項目的順利實施。所以，STEAM教學環境應該擁有學生在設計的各個環節的認知建構支持系統、社會支持系統、項目支持系統（如下表）。

3.設計思維與創新

設計思維的培養是STEAM課程培養學生高級思維能力的首要目標。設計思維讓學生明白他們要解決什么問題，為什么要解決這個問題，以及怎么去實現。設計思維充分顯現了工程設計的流程思維，同時，它也解決了創新的問題，創新的實質無非是解決新問題或用新方法解決問題，設計思維的培養有助于學生找到打開創新之門的鑰匙。

4.Web環境搭建

STEAM課程需要搭建開源的網絡學習平臺。在網絡學習的過程中，學生可以提高其自主學習的能力，也可以運用網絡學習平臺進行資源獲取、交流、展示和評價等。教師也可以在網絡學習平臺上分享教學資源，實施翻轉課堂教學，對學生過程性學習進行可視化評價等。網絡學習平臺也為學生的合作搭建了新的平臺。

5.項目管理思維

STEAM教學項目的周期往往較長，在兼顧整個課程目標的過程中，還要兼顧各個階段不同的小目標，所以，在課程實施過程中有可能出現管理混亂的情況。項目教學法為我們提供了解決上述問題的較好的解決方法。STEAM教學實施過程就是一種項目學習形式，只不過STEAM教學在教學內容和概念支持系統上做了進一步的明確。

結語

STEAM教學理念在具體教學實踐中的實效性還需要進一步加以驗證。本研究只是對STEAM教學理念的初步嘗試，還有很多亟待完善的地方，希望這個案例能夠對大家的教學工作有所啟示。

參考文獻：

[1]趙中建.基于項目的STEM學習[M].上海：上海科技教育出版社，2015，8.

[2]Bertelsmann Verlag. Hauke Sturm Design， Perspektive MINT—Wegweiser fur MINT-Forderung und Karrieren in Mathematik， Informatik， Naturwissenschaften und Technik.Bundesministerium fur Bildung und Forschung[M].Berlin： Bundesministerium Fur Bildung Und Forschung，2012.

[3]蔣志輝，趙呈領，周鳳伶，等.STEM教育背景下中小學生學習力培養策略研究[J].中國電化教育，2017（2）：25-32+41.

[4]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.

[5]楊亞平.美國、德國與日本中小學STEM教育比較研究[J].外國中小學教育，2015（8）：23-30.

[6]國務院辦公廳.全民科學素質行動計劃綱要實施方案（2016-2020年）[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2016-03/14/content_5053247.htm.