基于PBL理念的STEAM課程開發

欒富海

摘要：本文以“和鳴，穿越千年的禮樂STEAM課程”開發為例，基于問題學習和項目學習的理念，設置學習模塊，開發學習項目，用任務驅動的方式引導學生在設計實驗、科學探究、解決問題的過程中學習知識、提高技能，進而發展學生的科學思維等。

關鍵詞：PBL;STEAM;科學思維

為加強南京市與臺灣、香港、澳門地區中小學科技創新教育研究與實踐的交流互動，應對科技創新教育的新挑戰，探索新對策，推動中小學科技創新教育共同發展，四地聯合舉辦了中小學科技創新教育交流活動，活動中開設了主題為“穿越兩千年，奏響科技‘音”的創意制作挑戰賽，旨在在文化情境中設置工程任務，讓青少年在領悟中國數千年的傳統文化精髓、了解古代文明深厚的文化內涵的同時，展開科學探究、實踐及人工智能和編程設計，

為有效組織學生參加此次活動，基于PBL理念，筆者以研究學習為主線進行探究活動，開發了一門STEAM校本課程，取名為“和鳴，穿越千年的禮樂”。PBL有兩種釋義，一種是基于項目的學習，另一種是基于問題的學習。無論是基于項目還是基于問題，都是以學生為中心的知行合一的體驗式和實踐式學習方法。

課程目標

科學（S）：了解古代編鐘的相關構造、歷史及作用;理解聲音產生的原理;了解各音階的振動頻率;掌握光電傳感器的工作原理。

技術（T）：掌握物體敲擊后諧振頻率的測量及調節方法;掌握利用光電傳感器進行機器人巡線的方法;知道木工制品的制作程序，初步掌握畫線、鋸割、打磨、榫連接、釘連接組合等一些基本的木工加工方法，能夠根據不同的材料選擇合適的連接方式。

工程（E）：在了解編鐘原理的基礎上，結合科學和技術知識，完成編鐘模型的設計;知道單、雙、三及更多光感巡線的優勢與劣勢，能根據工程約束因素進行有效的選擇。

藝術（A）：能夠從美學出發，對人工智能的機器人樂手做裝飾;能夠將文化元素有效融入編鐘和機器人樂手的制作之中;了解一定的樂理知識，并應用于機器人樂手的演奏之中。

數學（M）：能夠結合材料的尺寸和配件的規格合理確定編鐘和演奏機器人的大小;能夠把編鐘和演奏機器人的空間結構分解成平面零件圖。

課程內容

1.我是“調查員”

學習項目：古代編鐘的歷史及構造。

古代有哪些打擊樂器？編鐘和編磬有怎樣的區別？編鐘在古代社會有怎樣的作用和地位？編鐘的構造到底是怎樣的？帶著這些問題，教師引導學生開展線下編鐘學習活動。利用周末、節假日前往博物館等地尋找編鐘，此外，還可到學校圖書館等地借閱相關圖書，或者利用網絡搜索。

學習成果：此環節學習結束，學生要完成一篇線下學習記錄，呈現編鐘的歷史、構造、發音原理等，并制作相關介紹PPT，小組學習成果分享。（學生結合實際問題，多渠道收集資料，提升了信息獲取能力）

2.我是“調音師”

學習項目：諧振頻率的測量與調節。

聲音作為一種物理現象，它是由物體振動而產生，敲擊一個物體，人能聽到或清脆或沉悶的聲音。它能否作為“do re mi fa sol 1asi”中的一個音階？如果能，我們又如何評判這個聲音到底是哪個音？這樣的評判夠精準嗎？通過一連串的問題來開展本項目的探究實驗，教師借助相關工具軟件進行諧振頻率的精確測量，引導學生開展軟件操作的自主學習，測量聲源的諧振頻率。在熟練軟件操作后，針對問題，變換不同實驗對象，歷經猜想、探究、驗證、結論和交流的科學探究過程，如變換敲擊物體和被敲擊物體的材質（竹棍、瓷器、玻璃瓶、金屬片、金屬管等），變換它們的大小、長短，以及變換敲擊位置（上方、中間和下方）等。

學習成果：此環節學習結束，學生對聲音、頻率等物理概念認知清晰，并完成對編鐘模型“鐘”以及“鐘錘”的制作材料選型，掌握音階的調整方法。

3.我是“小木匠”

學習項目：木工工藝初體驗。

木制品在我們的身邊隨處可見，人們對木材巧妙加工后用以裝飾生活。中國古建筑以木材、磚瓦為主要建筑材料，以木構架結構為主要的結構方式，由立柱、橫梁、順檁等主要構件建造而成，你知道它們各個構件之間是怎樣連接的嗎？這樣的連接有何優點？由此問題入手，教師引導學生了解榫卯結構，了解我國木匠的祖先魯班，以及他發明創造的鋸、鑿木工制作工具等。木工工藝中除了榫卯連接，還有膠連接、釘連接等。在教師的帶領下，學生嘗試使用現代木工工藝中的電動工具（釘槍、電圓鋸、電鉆等），遵從木工制品的制作程序——畫線、鋸割、打磨等，體驗木工制作，制作過程中教師注意做好安全教育工作。掌握了基本的木工制作的方法后，再來分析編鐘架，現代材料中，除了木質外，還可以使用哪些材料來制作編鐘架？它們又可以進行怎樣的連接？嘗試使用生活中產生的可回收材料來實現自己的想法，完成“編鐘”的制作。

學習成果：此環節學習結束，學生初步掌握通用技術中的木工加工方法，手工繪制“編鐘”模型圖紙，并根據安裝圖紙動手制作一個編鐘架，懸掛上自己調音后的“鐘”，最終完成“編鐘”的實體模型。

4.我是“程序員”

學習項目：機器人巡線與敲擊。

以馬達前驅的機器人如何直行、后退、左拐及右拐？如何能夠獲取人所指定的軌跡信息，按指定路線行走？如何讓機器人敲擊物體？帶著這些問題，教師指導學生由易到難，逐步深入。教師引導學生開展探究實驗，討論各種速度設置及其適用場合，并提煉觀點。簡單運動實現后再到復雜運動——巡線，教師引入光電傳感器，帶領學生明白其作用和工作原理。隨后從簡單的雙光感巡線出發，結合圖示模擬過程，探究其算法，研討程序實現、調試等。有了機器人馬達驅動的基礎，最后再去解決讓機器人敲擊物體，即通過馬達來控制擺動角度，進而實現敲擊動作。在機器人巡線與敲擊的調試過程中，引導學生記錄問題，思考其原因，嘗試自我解決以及小組互助，做好常見問題的收集整理。

學習成果：此環節學習結束，學生會分析巡線算法，編寫程序，最終實現機器人復雜的巡線運動，并能控制馬達實現敲擊動作。針對兩個任務過程中出現的問題，學生分析并找到解決問題的途徑。此外，學生初步形成做工程筆記的意識，并與他人分享自己的問題解決觀點和經驗。

5.我是“美容師”

學習項目：美化“編鐘”與機器人樂手。

中國有著數千年的傳統文化，你的“編鐘”和機器人樂手中有哪些傳統文化內容的體現？如何圍繞主題“和鳴，千年的禮樂”及活動的組織地（如南京）等來進行設計、美化“編鐘”與機器人樂手？在問題的引領下教師組織學生開展討論交流，分享想法，并集體分析這些美化舉措的可行性。對可行性高的創意想法進行具體的操作，最終實現美化的目的。

學習成果：此環節學習結束，學生能結合自己對中國傳統文化的認識，運用美術知識、手工知識等讓“編鐘”與機器人樂手更美、更逼真。作品不僅展現了科技創意與創新，還展示了學生們“發展優秀文化、創新傳統文化”的開拓精神。

課程評價

1.評價方法

考慮到課程內容、學生基礎、STEAM課程的開放靈活性等，本課程分別針對個人和小組開展學習過程及學習效果評價，并采用多種方法和形式進行。本課程趨向于差異化和個性化的學習，最終項目成果沒有絕對的統一標準，極具多樣性。

2.評價內容

針對個人的學習過程評價維度：①課堂上能積極思考，踴躍回答老師的提問;②能認真仔細觀察，發現問題，并提出自己的解決方案;③有工程筆記，筆記整理工整，內容詳實;④能針對教師的問題，積極參與小組內的討論，大膽發表自己的觀點。

針對個人的學習效果評價維度：①通過調查研究對古代編鐘有了全面的了解;②掌握了物體敲擊諧振頻率的測量;③知道木工制品的制作程序，初步掌握畫線、鋸割、打磨、榫連接、釘連接組合等一些基本的木工加工方法;④知道了光電傳感器的工作原理，并掌握了雙光感巡線以及電機（馬達）的使用方法。

針對小組的學習效果評價維度：①初步繪制了編鐘模型的設計圖;②完成了“編鐘”模型的制作與調音，成功組裝了具有人工智能的機器人樂手;③能自主編程，實現了具有人工智能機器人樂手的巡線、敲鐘，并不斷改進;④形成了“和鳴項目”完整的設計方案。

結束語

本課程的開發有效融合了語文、數學、物理、歷史、音樂、美術、信息技術、通用技術等多門學科知識，設置了五個子項目，每個子項目又分別以問題來驅動，使學生在解決問題的過程中從參與體驗到探究科學，再到探究技術、探究工程，在課程實施的過程中提升學生的科學研究技能，培養他們的科學研究方法、創新能力、科學思維以及計算思維等。