基于6E學(xué)習(xí)模式的生物學(xué)STEM課程開發(fā)
——以“教室空氣生態(tài)凈化裝置設(shè)計與使用”為例*

石進(jìn)德 謝雪錦

（1 福建省廈門市杏南中學(xué) 福建廈門 361024 2 福建省廈門市松柏中學(xué) 福建廈門 361012）

美國國際技術(shù)與工程教育學(xué)會提出的6E 設(shè)計型學(xué)習(xí)模式是有效落實STEM 教育的活動模式之一。開發(fā)與實踐以6E 學(xué)習(xí)模式理論指導(dǎo)的生物學(xué)STEM 課例，能充分體現(xiàn)STEM 教育理念，通過創(chuàng)設(shè)新情境觸發(fā)學(xué)生探究問題的欲望。利用技術(shù)運行，鏈接科學(xué)與數(shù)學(xué)知識，學(xué)生完成自主設(shè)計的工程項目活動任務(wù)，利于進(jìn)行科學(xué)探究、提升工程設(shè)計能力、促進(jìn)技術(shù)和數(shù)學(xué)方法學(xué)習(xí)，融合STEM 教育科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)4 個模塊，更好地推動生物學(xué)STEM 課程的深入開展。

基于6E 設(shè)計型學(xué)習(xí)模式開發(fā)生物學(xué)STEM課例［1］，創(chuàng)設(shè)跨學(xué)科活動的新情境，以項目活動為載體，發(fā)揮學(xué)生的主體性，引導(dǎo)學(xué)生通過自主探究構(gòu)建拓展創(chuàng)新思維，運用跨學(xué)科知識進(jìn)行科學(xué)探究，完成工程設(shè)計實踐，創(chuàng)造性地解決項目挑戰(zhàn)任務(wù)，形成對科學(xué)概念的理解，是STEM 教育中較為適切的課程設(shè)計模式（圖1）。

本文以“教室空氣生態(tài)凈化裝置設(shè)計與使用”課程開發(fā)為例，探討基于6E 模式的生物學(xué)STEM課程開發(fā)程序。

圖1 6E學(xué)習(xí)模式的生物學(xué)STEM課程開發(fā)的基本流程

1 參與（engage）→預(yù)設(shè)目標(biāo)、明確任務(wù)

STEM 課程開發(fā)應(yīng)能引起學(xué)生對社會熱點的關(guān)注。創(chuàng)設(shè)一定的STEM 項目問題情境，啟發(fā)學(xué)生通過思考將項目相關(guān)問題所需的知識背景及其蘊含的核心概念，與已有的知識儲備和生活經(jīng)驗相匹配，并與預(yù)設(shè)的STEM 學(xué)習(xí)目標(biāo)建立連接通道，通過合作學(xué)習(xí)產(chǎn)生一定的組織架構(gòu)體系，確認(rèn)項目研究內(nèi)容和學(xué)習(xí)任務(wù)。

1）創(chuàng)設(shè)STEM 情境，激發(fā)學(xué)習(xí)動機。學(xué)校教室因人員密集度高，存在空氣質(zhì)量差等問題，尤其是臨街學(xué)校。學(xué)生長時間在教室學(xué)習(xí),室內(nèi)空氣質(zhì)量問題不容忽視。目前絕大部分學(xué)校因各種原因未安裝空氣凈化裝置。如何保持教室空氣清新、安全？以此作為STEM 課程設(shè)置的問題情境，易引起學(xué)生興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)動機。

2）了解核心概念，掌握必備知識。根據(jù)項目需求，確認(rèn)項目核心概念（表1）。

表1 STEM 因素與核心概念細(xì)目表

實施項目必備知識：造成教室空氣污染的污染源成分、來源與危害；教室空氣污染物的降解技術(shù)；植物生態(tài)吸附室內(nèi)空氣污染物的過程和特點；室內(nèi)空氣凈化比較。

3）分析STEM 因素，預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)目標(biāo)（表2）。

表2 STEM 因素與學(xué)習(xí)目標(biāo)細(xì)目表

4）主動參與思考，明確STEM 任務(wù)。教師發(fā)放活動手冊，引導(dǎo)學(xué)生明確項目學(xué)習(xí)目標(biāo)與學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)活動手冊的使用方法；指導(dǎo)學(xué)生掌握生物學(xué)STEM 學(xué)習(xí)模式，強調(diào)活動中應(yīng)注意的安全問題；學(xué)生組建項目活動合作小組并做好分工。

明確職責(zé)和任務(wù)如下：嘗試制作智能化的生態(tài)空氣凈化裝置，打造一個集智能、景觀和科普、探究型一體的教室空氣生態(tài)凈化裝置；制定生態(tài)循環(huán)方案，通過創(chuàng)客活動制作教室空氣生態(tài)凈化裝置，體驗創(chuàng)客的樂趣，探索生命奧秘（教室空氣生態(tài)凈化裝置的創(chuàng)意設(shè)計評比，空氣凈化生態(tài)循環(huán)過程的調(diào)整,大氣污染物的收集和處理）。

2 探索（explore）→探究問題、初擬方案

課程設(shè)計中教師為學(xué)生提供一定的學(xué)習(xí)材料并指導(dǎo)理論探究活動，以問題串的形式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步了解和明確項目活動任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生將已有知識和解決問題所需新知識進(jìn)行整合，建立學(xué)科間的聯(lián)系，并展開頭腦風(fēng)暴，提出解決問題的方案；鼓勵學(xué)生的首創(chuàng)性和奇思妙想，提示學(xué)生圍繞問題及設(shè)定的條件開展組內(nèi)和組間討論并及時記錄，初步擬定項目活動方案。

本案例中，教師提供論文《室內(nèi)空氣污染現(xiàn)狀及防治策略研究》《室內(nèi)空氣污染現(xiàn)狀及其防治研究》，以及專利《室內(nèi)空氣生態(tài)凈化循環(huán)花盆》《一種養(yǎng)魚養(yǎng)花生態(tài)系統(tǒng)》等資料，并將設(shè)計和制作教室空氣生態(tài)凈化裝置過程中的難點和條件要求設(shè)計問題如表3。

3 解釋（explain）→發(fā)散思維、確定方案

根據(jù)組內(nèi)和組間討論的初步方案，學(xué)生分組解釋探究過程的必備條件、可能存在的問題、預(yù)期的研究思路和研究技術(shù)路線，并說明后續(xù)研究的可持續(xù)發(fā)展思路。教師引導(dǎo)學(xué)生運用新知識進(jìn)一步闡述和說明方案，啟發(fā)發(fā)散思維，并通過思辨建立事物之間的聯(lián)系、規(guī)律、識別變量［2］，最終明確項目活動方案。

在本案例中，根據(jù)探究的多種方案，在活動小組或指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，學(xué)生對教室空氣生態(tài)凈化裝置的設(shè)計及生態(tài)循環(huán)養(yǎng)護(hù)方案逐步達(dá)成共識，最終選擇最行之有效的方案。

4 工程（engineer）→工程設(shè)計、制作原型

STEM 項目完成以工程設(shè)計、產(chǎn)品的制作而實現(xiàn)。本階段設(shè)計由學(xué)生了解工程設(shè)計的一般步驟，根據(jù)明確的項目工程制作程序開展制作活動，教師提供必要的工程程序支架、制作產(chǎn)品的使用方法及注意事項，強調(diào)設(shè)計的概念，注意引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識和工程思維［3］，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，并對學(xué)生的工程制作進(jìn)行全程監(jiān)控，使學(xué)生能根據(jù)設(shè)計的工程方案初步順利完成工程設(shè)計原型。

表3 教室空氣生態(tài)凈化裝置焦點問題

在本案例中，學(xué)生開始嘗試設(shè)計“教室空氣生態(tài)凈化裝置”原型，依據(jù)工程學(xué)原理繪制模型構(gòu)建流程圖和結(jié)構(gòu)模式圖，設(shè)計好生態(tài)養(yǎng)護(hù)方案；利用身邊的簡易材料，初步制作完成作品的原型。在此過程中，學(xué)生可根據(jù)實際活動對方案進(jìn)行修訂和完善，也可另行設(shè)計再創(chuàng)作。

5 深化（enrich）→檢測反饋、二輪成型

本階段的課程設(shè)計是對前述方案和原型的進(jìn)一步深化和完善。各組經(jīng)歷科學(xué)實踐、數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建理論支持和聯(lián)系，整合學(xué)科間的知識，初步將作品應(yīng)用于實踐，采用量化和口頭評價相結(jié)合的方式，由學(xué)校師生測評原型是否滿足原有的預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，小組及時收集反饋意見，并結(jié)合實際測試加以綜合分析，對產(chǎn)品原型進(jìn)行檢測和反饋，確認(rèn)如何改進(jìn)原型、重新訂正和修改，最終完成作品。此過程重點在于關(guān)注如何提高現(xiàn)有設(shè)備的功能，根據(jù)新要求提出新方案（或重新設(shè)計或改造）。構(gòu)建二輪工程設(shè)計模型，可體現(xiàn)STEM 教育的實踐性學(xué)習(xí)：倡導(dǎo)動手實踐，運用直接經(jīng)驗，在做中學(xué)習(xí)。

6 評價（evaluate）→共享交流、拓展延伸

在STEM 課程開發(fā)中，針對預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)目標(biāo)和達(dá)成度，應(yīng)設(shè)計一定的評價標(biāo)準(zhǔn)，從自主性、探究性、挑戰(zhàn)性、創(chuàng)新性等方面，及時對項目的實施過程和結(jié)果進(jìn)行自評、互評、師評三維度的學(xué)習(xí)評價。

教師指導(dǎo)學(xué)生保留項目活動研究原始資料，并根據(jù)展示方案，形成文字材料，撰寫活動報告。各組交流與分享研究成果，并收集意見和建議，為該項目的后期進(jìn)一步完善和拓展提供設(shè)計延伸空間。

基于6E學(xué)習(xí)模式的生物學(xué)STEM課程開發(fā)，圍繞新情境，通過項目問題的科學(xué)探究，6 個環(huán)節(jié)層層推進(jìn)又相互交融，以工程設(shè)計實踐活動開展，在任務(wù)解決過程中學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用，融合數(shù)學(xué)與科學(xué)知識，促進(jìn)學(xué)生主動、積極地投身STEM 項目活動完成探究任務(wù)，能很好地落實STEM 項目能力目標(biāo)的達(dá)成，多層次滿足社會發(fā)展和學(xué)生需求［4］。