“降落傘”STEAM課程的設計與教學實施研究

李可克

摘要：本文將STEAM教育理念與降落傘課程相結合，讓學生自己動手針對傘繩數量、傘面材料、傘面大小、傘面形狀、傘繩與傘面直徑比、傘繩材料、傘繩長短七個因素進行實驗，在設計與制作實踐過程中掌握降落傘的下降規律，培養其創新思維能力和基于問題、基于工程設計、基于項目的以真實情境為背景的解決真實問題的能力。

關鍵詞：STEAM教育;降落傘;STEAM課程

STEAM教育

STEAM教育就是集科學、技術、工程、藝術、數學多學科融合的綜合教育。[1]STEAM的教育理念可以概括為：以數學為基礎，通過工程和藝術解讀科學和技術。[2]STEAM教育是一種以項目為驅動、以問題解決為導向的課程組織方式，強調跨學科的整合學習，學生的學習不僅是學習科學知識的過程，同時也是理解工程技術藝術的過程，是了解設計、制作、反思與修正一個項目的過程。[3]

STEAM教育框架如圖1所示，它將多個學科連接起來，以跨學科的方式指導教學，形成了一個金字塔的形狀。金字塔的最頂層是通識水平，這一水平代表的是最終的教育目標。通識教育和全人教育密切相關，因此，金字塔頂層和終身教育相互聯系。金字塔的第二層為綜合水平，這一水平是STE@M教育（藝術與STEM相互作用，因此STEAM表示成了STE@M），鼓勵學生通過跨學科的方式去發現和解決問題。金字塔的第三層是多學科水平，這一水平在過去科學、技術、工程和數學的基礎上增加了藝術，鼓勵學生增加藝術美感。金字塔的第四層是具體學科水平，這一水平增強了科學、技術、工程藝術和數學學科相互之間的聯系。金字塔的第五層是具體課程水平，這一水平主要是科學、技術、工程藝術和數學等學科的相關課程。[4]

“降落傘”STEAM課程的設計

1.課程目標設計

本項目主要是引導學生知道物體在下落時所涉及的科學、數學、技術和工程等學科相關知識及思想方法;在研究影響降落傘下降快慢因素的科學實踐活動過程中，通過調查收集資料尋找證據，經歷發現、提出、分析、解決問題的過程，培養嚴謹、求真務實的態度;調整完善并最終完成降落傘的制作，通過科學探究與工程設計的融合，提高創新與實踐能力;體會科學與地理、物理、工程、技術與藝術等學科的關聯，感悟多學科之間的內在聯系。該項目的設計體現了STEAM教育理念的五個方面，如表1所示。

2.課程內容設計

本課程主要針對降落傘的七個影響因素進行研究，具體研究內容如表2所示，學生通過對這些影響因素的研究，習得制作降落傘的知識，從而動手制作一款自己覺得最好的降落傘。

3.課程實施設計

課程對七個因素進行分項研究，每一個研究都要經過參與、解釋、探索、反思、創新五個環節。通過參與環節讓學生知道各自的任務，培養學生的團隊合作能力;通過解釋環節幫助學生進行思考，培養邏輯思維能力;在探索環節通過實踐，培養學生的操作能力;在反思和創新兩個環節通過再思考，并進行創新，培養學生的創新能力。

學生將通過一個學期54個課時（共18周每周3節課）的學習完成一架能夠平穩運送物品的降落傘的制作，項目前期學生需要知道相關理念以及注意事項，所以第一周到第四周先了解項目有關的注意點，在了解的基礎上進行實驗，即第五周到第十一周進行分項研究。在進行分項研究過程中，學生發現LED燈可能會對降落傘的降落有一定的影響，于是產生了第八項研究，即研究LED燈與降落傘的關系。因此，在第十二周進行LED燈的研究，在第十三周到第十八周根據前面的研究得出最后的設計并實施，最后結題匯報。具體安排如下頁表3所示。

4.課程評價設計

根據評價的基本內容制訂評價表，主要包括三個方面的評價：一是活動的內容目標;二是活動過程要素;三是活動效果分析。在劃分出評價的各種類別后，根據評價的重點，賦予不同的評價項目不同的權重系數，綜合評價學生在活動過程中的發展狀況。

為了充分了解傘繩的數量這一因素對降落傘下降情況的影響，從而促進學生在活動中達成學習目標，本課程制訂了適合學生的課程學習評價方案：①教師組織各小組展示不同傘繩數量的降落傘。②小組安排成員進行匯報并展示各項成果，包括制作降落傘所產生的作品資料，如降落傘模型、過程性記錄表（活動記錄單）等。③活動結束后，教師組織學生對小組作品進行自我評價，采用如表4所示的評價量規表。

“降落傘”STEAM課程的教學實施

1.課程內容實施

以下是研究傘繩數量的過程，傘面材料、傘面大小、傘面形狀、傘繩與傘面直徑比、傘繩材料、傘繩長短六項因素對降落傘下落時間影響實驗也根據以下步驟進行。

（1）參與環節——教學環境的創設

教學環境：播放相同條件下不同傘面數量降落傘同時降落時的視頻，讓學生觀察其下落時間的差異。

教師提問：為什么這幾個降落傘同時下落，但是它們的下落時間卻并不相同呢？

學生活動：思考這幾個降落傘不同的地方，尋找得出此情境中的關鍵因素——傘繩數量。

（2）解釋環節——任務的發布與分析

制作一組降落傘，研究傘繩數量對降落傘降落時間的影響。本次任務改變的條件為傘繩數量（根據折疊技術、裁剪技術的支持，選擇不同傘繩的數量，如4根、8根、10根、12根、14根、16根等），不變的條件有傘面大小、傘面形狀、相同重物、傘繩材料等。在進行實驗時降落傘從同一個高度同時投放，學生及時記錄每一次測量的數據以及測試過程中的現象和問題，并且重復測試。

（3）探索環節——降落傘的制作與測試

同組學生進行降落傘的制作，控制傘繩數量不同，保持其他條件相同，做出3個或3個以上的降落傘，將它們從同一高度進行投放，通過多次測量，選取平均值，并及時記錄數據。

（4）反思環節——數據的整理與選擇

學生根據測量得到的數據進行篩選，選擇出實驗得出的相同條件下最適合降落傘下落的傘面材料。同時，各小組公開實驗結果，有不一致的通過反復試驗，尋找出存在的問題并進行討論與解決，難以解釋的可詢問教師。

（5）創新環節——理想降落傘的設計與制作

學生以小組為單位在規定時間內闡述自己小組的設計（小組依據自身的知識與經驗進行“無限制性”設計，設計出最理想的降落傘）。在闡述設計后，組長領取材料，各組學生根據設計圖分工制作降落傘。在制作完成后，挑戰第一個任務，讓降落傘攜帶10g重物（1個鐵墊片）從3米左右高空安全打開降落，并進行三次測試，取平均值進行數據分析。

2.課程效果評價

為有效檢驗該模式實施效果，筆者在有限的范圍內選取了案例學校實驗班開展課堂教學實踐，并對各小組實驗數據進行分析，清晰地獲得該模式的實施反饋情況。活動中統計了四組學生關于傘繩數量對比實驗的數據，具體如表5所示。

通過傘繩數量這一項研究可知，傘繩數量越多，降落傘能夠平穩降落的時間越久，但是第四組實驗得出的結論和其余組不同，他們的結論是4根尼龍繩下降時間最長，而8根卻比4根時間短。筆者與該組學生進行交流，發現是由于傘繩未粘貼均勻，導致數據有誤，但同時也提醒了其他學生在制作過程中要注意傘繩的粘貼。

根據四組學生關于傘繩數量、傘面材料、傘面大小、傘面形狀、傘繩與傘面直徑比、傘繩材料、傘繩長短等的對比實驗，實施效果評價，具體如下頁表6所示。

“降落傘”STEAM課程效果分析

1.跨學科整合，STEAM素養形成

根據表1的課程目標，從課程效果分析來看已經基本完成了預期目標。學生通過探索研究，明白了傘繩數量、傘面材料、傘面大小、傘面形狀、傘繩與傘面直徑比、傘繩材料、傘繩長短等因素對降落傘的下落時間有著重要影響，掌握了降落傘方面的科學知識，完成了S的目標;在進行降落傘設計制作時，小組成員利用圓規、小刀等工具進行裁剪，利用鉛筆畫降落傘示意圖，學生的動手操作能力有了極大的提升，滿足了T的目標;就E而言，小組成員共同經歷了降落傘的設計、制作、測試等一系列的活動，工程性思維有了明顯的提升;在確保降落傘質量的同時，學生對降落傘進行了繪畫、裝飾來使其外觀更具美感，提升了學生的藝術修養，完成了A的目標;學生通過對降落傘大小、傘繩長短、比例的設定完成了M的目標，“降落傘”課程實施的整個過程。實現了跨學科整合，學生的STEAM素養逐漸形成。

2.任務導向，創新意識培養

“降落傘”STEAM課程以其獨特的教學模式，給予學生親身體驗獲得知識的機會，讓學生在操作中學習，極大地提高了學生的學習興趣。自行設計降落傘的任務不僅僅是對知識的考量，還是對學生操作能力、反思能力、創新能力、團隊精神等的考量，有利于學生的全面發展，體現了STEAM教育的核心，即發現問題—設計方法—解決問題—驗證效果，實現了創新意識的培養。

3.陶冶情操，藝術思維提升

在降落傘制作的過程中，學生在教師的引導下考慮降落傘的色彩搭配、形狀組合等視覺效果。學生在項目實施過程中，潛移默化地用藝術進行多角度的探索。通過該項目的實施，學生的情操得到陶冶，藝術思維得到提升。

4.學生感悟，綜合能力提升

在“降落傘”課程實施過程中，學生遇到了各種問題，如降落傘傘面難以裁剪，容易損壞;在創新環節加上重物后，會與先前所得結論產生差異;自行設計降落傘時不能單純將各個實驗所得最優材料組合;自行設計時間不夠等。在一次次嘗試與失敗中學生學會了堅持和反思，并通過知識的相互碰撞實現深層次的學習;通過小組合作，學生明白了團結的真諦，達到綜合能力的高度提升。

“降落傘”課程是STEAM教育理念與課程融合的一大實踐，深入貫徹“主動參與，樂于探究，勤于思考”的原則，通過實驗讓學生去親身體驗影響降落傘下降的因素，在過程中培養了學生不斷發現問題、探究合作、解決問題的能力。

參考文獻：

[1]袁利平，張欣鑫.論STEAM教育與核心素養的對接[J].陜西師范大學學報：哲學社會科學版，2017，46（05）：164-169.

[2]趙慧臣，陸曉婷.開展STEAM教育，提高學生創新能力——訪美國STEAM教育知名學者格雷特·亞克門教授[J].開放教育研究，2016（05）：4-10.

[3]袁磊，鄭開玲，張志.STEAM教育：問題與思考[J].開放教育研究，2020，26（03）：51-57+90.

[4]魏曉東，于冰，于海波.美國STEAM教育的框架、特點及啟示[J].華東師范大學學報：教育科學版，2017，35（04）：40-46.