基于STEAM理念的環境科學課程設計與實施

許婉婷 鐘文婷 郭恩池 葉曉嵐 周少娜

[摘? ?要]為探究基于STEAM理念實施科學課程的有效方法，研究者以“水資源與水污染”環境科學課程為例進行了設計，并在兩所農村小學嘗試實施了演示實驗和自主實驗教學。結果顯示，相比于演示實驗教學，采用自主實驗教學的學生課堂享受度更高、自我監控水平更高，課堂參與度和教學效果也較好。

[關鍵詞]小學科學;STEAM;演示實驗;自主實驗;心流體驗

起源于美國的STEAM教育強調融合科學、技術、工程、藝術、數學等多學科的綜合教育理念，旨在通過跨學科學習，培養創新型、綜合型、應用型人才，提升國家競爭力。我國從2015年開始關注STEAM教育，并在2016年的《教育信息化“十三五”規劃》中提出要探索STEAM教育[1]。而2017年頒布的小學科學課程標準則進一步明確了科學課程趨向于跨學科的綜合素質培養[2]。

盡管國內對STEAM理念的基礎教育研究關注度很高，但有關STEAM教育的研究內容較多側重理論[3]。在STEAM教育實踐上，國家的推動措施、投入資源等相對缺乏，STEAM教育的課程體系、活動設計以及教學資源還有待進一步開發。在此，將基于小學科學課程標準，以“水資源與水污染”一課為例，討論基于STEAM理念開發與設計相關課程的原則和方法，并對演示實驗和自主實驗兩種教學方法進行對比。

一、課程開發與設計

體現基于STEAM理念的重點是多學科融合。“水資源與水污染”一課取材于小學科學課程，以小水滴故事為背景，融合STEAM理念[4]以及環境科學與可持續發展理念，設計了水質測試與宣傳環保的任務，要求學生使用技術手段測量數據，利用數學思維處理數據，采取藝術化的手段表達環保理念或倡導環境保護。研究者分別采用演示實驗與自主實驗兩種方法實施了課程。

研究者在課程設計中特別考慮了以下問題。一是水樣測試涉及較深層的物理和化學知識，在選擇實驗參數時，要基于學生現有的知識水平，以及可用于教學的環境測量設備。二是獲取所需水樣（如河水、海水等）的方便性及可行性，根據實際條件，可選用相似的替代水樣。

二、研究過程

課程實施對象是廣東省某欠發達地區兩所農村小學四、五年級的學生，共92名，平均年齡11.75歲。這些學生此前未接觸過科學課程，科學素養不高，但對科學實驗有較強的興趣。

1.實施教學

研究者將學生隨機分為演示實驗組和自主實驗組。每一組均混合了四、五年級的學生，以消除自然班影響（見表1）。

研究者按事先設計好的演示實驗與自主實驗的方法，分別對兩組學生實施具體教學，并組織前后測、心流體驗測量（見表2）。整個過程中，兩組學生的學習任務相同，主要區別在于：在演示實驗組，由教師在講臺上演示水質測試實驗，由學生代表讀數，其他學生記錄測量數據，學生不分組;而自主實驗組，則由教師啟發學生思考檢測水質的方法及注意事項，并將學生分組，由學生組內分工合作，利用水質測量儀器對不同水樣進行檢測與記錄。

2.教學效果評價

采用自編問卷，從知識技能、深層理解和環境認知三個方面分別對兩組學生的教學效果進行測量，以檢驗兩種教學方法下學生對科學知識的吸收程度（見表3）。

3.心流體驗評價

心流體驗（Flow Experience）是個體感知到的最佳體驗狀態，它是學生參與學習過程的一個重要組成部分。皮爾斯（Pearce）等人認為，心流體驗的構念是享受、參與和控制，即學習者喜歡某種學習活動;學習者參與并集中于該學習活動;學習者對該學習活動具有控制感[5]。本研究采用心流體驗量表[6]測量學生在課程學習過程中的心流體驗。該量表包括享受、參與、監控三個維度，每個維度包含三個正向和一個反向問題，要求學生根據自己的真實體驗對問卷描述進行5點評分。對兩組學生的心流體驗數據進行信度分析，結果顯示克倫巴赫？琢系數（Cronbachs Alpha） 分別為0.76和0.88，說明該量表具有較好的信度。

三、實施效果分析

1.教學效果分析

本研究所有的數據管理與分析均采用SPSS軟件進行。在剔除無效問卷和缺失數據后，最終獲得有效數據包括演示實驗組37份，自主實驗組45份。采用配對樣本T檢驗分別探究兩組教學方法在知識技能模塊的前后差異，結果顯示，演示實驗組和自主實驗組的后測成績均顯著高于前測成績（p<0.01）（見表4）。說明在課程實施中，兩種教學方法均能提高學生的知識技能。

2.心流體驗結果分析

采用獨立樣本T檢驗對兩個實驗組在享受、參與、監控三個維度上的平均分進行差異比較，結果見表5。具體來說，在享受維度和監控維度上，自主實驗組的得分均顯著高于演示實驗組（p<0.01;p<0.05），這說明在自主實驗教學條件下學生可以獲得更好的課程體驗，以及更高的自我監控能力;而在參與維度上，雖然兩種教學方法不存在顯著差異，但自主實驗組的平均值略高于演示實驗組，說明兩組學生都能較好地參與課堂活動，而自主實驗組的學生可能表現得更為投入。整體來說，自主實驗組學生在較好地參與課堂活動的同時，還能夠更好地享受課堂活動，也表現出了更高水平的自我監控。這表明，科學課的自主實驗教學法更能寓教于樂，使學生更享受課堂，并產生了更強的學習動力和學習自覺性。

四、結論

在基于STEAM理念的科學課程的設計與實施過程中，體現了真實情境體驗、合作及以學生為中心等特點。相比于演示實驗法，采用自主實驗法的課堂在保障課堂教學效果的同時，使學生獲得了更高的課堂享受度，并在活動中表現出更高的自我監控水平。這表明，在科學課堂中引入自主實驗，并基于STEAM理念設計的教學更有利于提高學生的參與度，使學生成為學習的主體，更好地掌握科學知識與技能，更享受科學課堂。因此，科學教師可以通過設計更多基于STEAM理念的自主實驗課程，讓學生參與到課堂中來，提高科學教學的有效性，提升學生的科學素養。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.教育部關于印發《教育信息化“十三五”規劃》的通知[EB/OL].http：//www.moe.edu.cn/srcsite/A16/s3342/201606/t20160622_269367.html.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2017.

[3]王詩瑤，王永紅.跨學科STEM教育的思辨、現狀與應用[J].教學與管理，2018（33）：97-100.

[4]蘇樂.STEAM視角下的小學《科學》教學設計研究[D].曲阜：曲阜師范大學，2017.

[5]Pearce J M， Ainley M， Howard S. The ebb and flow of online learning[J]. Computers in Human Behavior， 2005， 21（5）：745-771.

[6]Chang C C， Liang C， Chou P N， Lin G Y. Is game-based learning better in flow experience and various types of cognitive load than non-game-based learning？Perspectives from multimedia and media richness[J].Computers in Human Behavior， 2017（71）：218-227.

（責任編輯? 郭向和）