中國科技館STEAM 課程模式初探

趙潤忠

（云南省科技館基建處，云南 昆明650050）

2016 年，中國教育部出臺的《教育信息化“十三五”規劃》中明確指出有效利用信息技術推進“眾創空間”建設，探索STEM 教育、創客教育等新教育模式。

1 STEM 課程概念

STEM 是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫，其含義是運用作為技術與工程學科的基礎工具的數學（Mathematics）來認識世界、解釋自然界的客觀規律，并在尊重自然規律的基礎上改造世界、實現與自然界的和諧共處、解決社會發展過程中遇到的難題（Technology and Engineering）。筆者認為還需要增加A，即藝術（Art），也即擴展為STEAM 課程。

2 科技館STEAM 課程模式與案例分析

要做好科技館的STEAM 課程，必須堅持“上層設計，整合社會資源”。以下根據STEAM 課程學習過程由易到難分為三種類型：實驗探究型、組裝制造型和研究創新型。

2.1 實驗探究型模式分析與案例

實驗探究型模式即學習者通過STEAM 知識的綜合運用來驗證并探究已知的定律或現象，同時去發現并解釋某些學習者未知的現象，讓學習者通過STEAM 知識的綜合運用來驗證這些結果并達到加深理解、領悟科學的過程。設計步驟如下：①明確問題。根據科技館教師限定條件的多少，由學習者或科技館教師提出問題，學習者運用自己所學的知識去尋找需要探究的問題，學習者發現的問題具有一定的指向性，但絕對不能是限定的，此過程允許探究結論不唯一，以提高學習者學習興趣和探索能力。②設計方案。設計方案時首先確定驗證的現象，學習者通過直接觀察或儀器記錄來記錄數據，發現規律。③評估方案。方案實施必須經過師生協同評估，評估的重點包括現象和定律之間的充分性（驗證定律）和方案的可行性（包括安全、成本以及作用等內容）。④實施方案。方案的可行性評估完成后，學習者可以開始驗證計劃，本步驟的重點是現象的觀察和記錄，如果遇到無法解決的狀況一定要設計交互，通過不斷地交互完成環境的準備、問題現象的觸發和對應數據的收集。⑤分析數據。對觀察得到的數據和現象進行分析，其結果可能是確定的也可能是未知的，學習者可以采用結論推導的方法，也可以采用猜想驗證的方法，來解釋觀察到的現象和規律，考慮到解釋結論可能超出學習者的能力，這些需要相互協作和教師支持。⑥分享反思。反思本驗證方案的有效性和可改進性，及可滲入性及可遷移性，培養更好的問題發現能力，并分享自己的驗證過程，總結本次驗證掌握的技能。

案例如下：為探究“驗證水中溶氧量會受不同因素影響而發生變化”，學習者猜想水中溶氧量影響因素，通過控制變量的改變來測定水中溶氧量會受不同因素影響而變化；通過使用測量水中溶氧量的儀器對不同的實驗條件進行控制，小組討論并確定實驗具體步驟和個體分工（掌控實驗進度、負責操作儀器、記錄數據實驗過程），并與教師溝通，共同評估實驗的可行性與嚴密性；小組按照評估后的方案，循序開展驗證計劃。同時，學習者根據自己的觀察記錄和測得數據進行數據分析來探究是否其他條件不變，猜想水氧含量與水溫是否成反比？氣壓、水壓、水深、水生植物的光合作用、水生動物的呼吸活動、水域的面積等會不會影響水氧含量？能不能通過改變水氧含量來提高植物的產量和口感？

2.2 組裝制造型模式分析與案例

組裝制造型模式即學習者通過STEAM 知識的綜合運用，經過模仿并能夠完成對一個已有形態物品的生產和改良，培養其工程實踐能力。設計步驟如下：①明確問題。科技館教師介紹將要完成的物品的應用價值，要求學習者運用自己所學的知識去解釋、組裝和拓展。②設備培訓。科技館教師針對本次將會用到的工具、零件和材料在內設備的功能做一個簡單的介紹，重點強調設備使用的安全規則。③模仿制造。學習者模仿科技館教師組裝、制造。④知識講解。學習者完成制造目標后，教師再開始講解所涉及的知識點，包括工作原理、加工要點、設計理念等。⑤協同改進。學習者通過小組之間的協作對原有設計進行合理的改進，制造出更有價值的作品并分享交流。

案例如下：科技館可以聯系當地相關企業探究安卓加速器應用程序，該課程是通過編寫程序，用編寫程序這種形式開發一款Android 應用設備，來探究設備的加速度與力的關系。學習者通過某企業了解如何創建安卓應用程序，如何創建自己的應用程序，使用該設備收集安卓設備的加速度數據并將數據存儲到數據庫中；應用手機內部傳感器（特別是加速器）開發一款安卓應用設備，學習者按照工程設計的步驟，找出問題，制訂解決、實施、測試解決方案和重新設計，完成設計任務；學習者根據加速設備形成假設，使用滑動的安卓設備收集速度和時間的數據，根據牛頓第二定律探究設備上的力是如何變化的，來探究加速度；同時利用加速度和時間的關系繪制速度時間曲線，理解加速度與施加的力的關系。該課程利用數據分析與概率論、物理學和計算機科學，通過測試學習者對速度、加速度和力的關系來理解物理與工程的融合。

2.3 研究創新型模式分析與案例

研究創新型模式即學習者通過STEAM 知識的綜合運用完成一個有指向性的創新物品的設計和制造，其以物化成果為主。設計步驟如下：①問題引入。創新來自于生活，科技館教師可以通過提出極具吸引力的新奇問題激發學習者去尋找需求并明確創造方向，創新方向要以物化成果為主。②創新導入。當學習者有了明確的創新方向后，教師對學習者所提出的創新方向進行創新的可行性分析，確定創新物化目標提供可行的創新方向和思路的指導，防止學習者設定一個目前無法實現的創新目標，讓學習者失去創新興趣。③協同設計。學習者明確了創造目標后，科技館教師可指導采取小組協作的方式設計方案，教師統計每個成員的專業背景；教師根據學習者的專業背景分配任務，再次對學習者的設計進行評估，通過設計—評估—再設計—再評估迭代過程來得到人們都認可的合適的設計方案。這樣做能從結構學、機械學、電子學、傳動感應學、外觀設計、動力學、人機交互學等專業進行完美整合。④合作制造。為了驗證詳細的設計方案是否可行，學習者進行作品的實際制造，一旦出現無法解決的問題就必須回到步驟③重新進行設計方案的修改。⑤應用改進。當作品制造出來后投入現實，對作品自身功能和用戶體驗兩方面進行有效性驗證，并形成改進意見，必要時重新回到步驟③開始新一輪的設計。⑥學習反思。學習者對作品觀眾交互，改進反思。

案例如下：科技館可與當地消防器材部門合作進行“報警電路”課程設計。該課程涉及計算機、物理、工程等學科。科技館教師通過印發或講解關于報警器的相關資料，如消防系統采用蜂鳴器報警，蜂鳴器的工作電流相對來說比較大，并且電路中的TTL 實際中不能驅動蜂鳴器工作，應增加電流放大電路，而一個管腳又不能支持蜂鳴器發出警報聲，因此，還要添加一個三極管，使蜂鳴器通過更大的電流。用蜂鳴器預警水庫液位，需要設定一個上線，規定時間計算液位高度，觀察安全水位范圍。蜂鳴器正極接大小為5 V 的電源，負極則要接到三極管的集電極。三極管的基極需要通過與門聯通單片機的引腳。當引腳為高電平時，此時的與非門（計算機術語，與非門是與門和非門的結合，與非門則是當輸入端中有1 個或1 個以上是低電平時，輸出為高電平；只有所有輸入是高電平時，輸出為低電平）輸出低電平，三極管停止導通，蜂鳴器失電，不報警；當引腳電平為低時，則與非門輸出高電平，三極管導通，蜂鳴器中的電流形成回路發出警報報警。讓學習者初步了解工程設計的內容。學習電的基本知識和電路，主要是理解和掌握導體、絕緣體、電壓、電流等科學概念，認識常見的電力技術，還有電路的構成、畫簡單的電路圖、不同結構的電路圖的工作原理、構建一個電路原理圖。運用工程設計報警系統，畫出滿足要求的電路圖，并闡明該電路的工作原理。在這過程中，每一環節相互聯系，教師可以采取頭腦風暴訓練學習者的思維能力，幫助學習者掌握優化變量、解釋數據等技能。

3 結束語

綜上所述，從長遠來看，在科技館開設STEAM 課程是吸引民眾的好奇心，增加科技館參觀流量，普及科學知識非常關鍵。應整合社會資源，堅持“走進來與走出去”的原則辦好科技館的STEAM 課程，積極發揮科技館的科技教育功能。