基于翻轉(zhuǎn)課堂的特色STEM課程開發(fā)及教學研究

【摘要】STEM課程開發(fā)是STEM教育理念落地的重要環(huán)節(jié)。本文提出將翻轉(zhuǎn)課堂教學形式融入到STEM課程的教學設(shè)計與實踐中，同時通過調(diào)研本地相關(guān)教育資源，從中選出可以用于特色STEM課程開發(fā)的項目選題。在此基礎(chǔ)上開發(fā)了基于翻轉(zhuǎn)課堂的《鋼鐵是怎樣煉成的》STEM系列特色課程并開展課程實踐，從中探索出特色STEM課程開發(fā)技術(shù)路線和基于翻轉(zhuǎn)課堂的STEM課程教學模型，豐富了翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的設(shè)計，為國內(nèi)STEM教育的研究提供了新視角，也為后續(xù)相關(guān)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】STEM教育? 翻轉(zhuǎn)課堂? 特色課程開發(fā)

【中圖分類號】G633 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2023）01-0043-03

一、特色STEM課程開發(fā)的意義

目前STEM教育的發(fā)展趨勢已逐漸從理論轉(zhuǎn)向?qū)嵺`，使其更具教育實踐中的可操作性。STEM實踐強調(diào)學生的主體性和情境的復雜性與真實性，學生在項目、活動、問題中，交流互動，尋求合作，主動探究，大膽創(chuàng)造，從而在這一過程中完成知識的學習。筆者認為，通過積極探索地方教育文化資源，從學生熟悉的環(huán)境和場景中提取可用部分，推進具有地方特色的STEM課程建設(shè)，對于豐富STEM教學模式、教學內(nèi)容和教學方法，培養(yǎng)具有科技素質(zhì)的實踐創(chuàng)新性人才，滿足社會對多元化、全方位的創(chuàng)新性人才的需求將具有非常重要的意義。

二、翻轉(zhuǎn)課堂如何提升STEM學習的效率

為什么要引入翻轉(zhuǎn)課堂來開展STEM學習？筆者認為：在傳統(tǒng)課堂中，教師花費了更多時間在學生對結(jié)構(gòu)化知識的記憶、理解和應(yīng)用上，但是在特色STEM課程教學實施過程中，我們讓學生所面對的問題通常是真實的、復雜的，他們無法完全從書本上尋找答案，STEM課程需要更加關(guān)注學生對問題的分析能力、創(chuàng)造能力以及合理表達自己觀點的能力，需要培養(yǎng)他們經(jīng)過觀察、收集、推理信息、挖掘新的資源等一系列操作從而共同協(xié)作解決問題的知識和技能。而本課題研究的STEM課程通過翻轉(zhuǎn)課堂將知識學習的環(huán)節(jié)搬到課前，學生提前完成知識學習，課中他們將有充足時間通過自主學習、師生互動、小組合作的形式完成技能的習得，課堂時間更多地留給創(chuàng)造性應(yīng)用和創(chuàng)新性設(shè)計的討論。翻轉(zhuǎn)課堂幫助學生從對知識的重視轉(zhuǎn)移至問題的解決上，逐步加深對課堂學習過程中知識和技能的理解，不斷發(fā)現(xiàn)和反思自己的判斷和策略，不斷研究問題、解決問題。[1]而課后通過微視頻的自主學習和實踐，進一步讓學生不斷實現(xiàn)突破自我，形成實踐創(chuàng)新能力。以翻轉(zhuǎn)課堂作為一種學習手段，這不僅提高了課程的容量，也提升了學習時間的使用效率。

三、相關(guān)文化資源融入STEM活動的探索

每一個地方都有其獨特的風土人情，當?shù)氐膫鹘y(tǒng)民間手工藝、有當?shù)靥厣臉蛄航ㄖ⒌乩順酥尽⑻厣まr(nóng)業(yè)項目等等都蘊含了豐富的特色及科學工程技術(shù)內(nèi)涵，其中的一些內(nèi)容學生在現(xiàn)實生活中也曾接觸過，不會感到陌生，從這些資源中提取適合的內(nèi)容來開發(fā)項目開展STEM活動，以科學和工程問題為主線，營造一個多維的空間，讓學生在一系列具有程度相關(guān)性的經(jīng)歷中把所學的知識運用到真實情境中，形成一定的解決真實世界問題的能力。這樣的課程，既貼近學生生活——他們會感到熟悉又新鮮，又可以把他們所學習的零碎知識變成一個互相聯(lián)系統(tǒng)一的整體，從而滿足他們未來學習、工作和生活的需要。

基于以上的理念，我校根據(jù)實際情況，積極探索將柳州市的文化歷史、工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中所蘊含的相關(guān)資源引入STEM課程，努力挖掘本地社會環(huán)境與學校、學生相關(guān)的一些項目進行STEM活動課程的開發(fā)，初步搭建了一系列有意義的特色STEM活動課程，如《留住紫荊花的美麗》《再現(xiàn)柳州古八景》《鋼鐵是怎樣煉成的》《果蔬生榨米粉》《甘蔗手工榨糖》等，限于篇幅，以下僅列舉其中的一個案例[2]。

STEM活動名稱：鋼鐵是怎樣煉成的

活動的意義：我校原來是柳州鋼鐵集團的廠辦學校，與柳鋼有著很深的淵源，學校里很多同學的家長也是柳鋼的職工，柳鋼既是柳州工業(yè)的代表，也是我們身邊的一個重要的存在，與我們的生活學習有著密切的關(guān)聯(lián)，我們通過STEM項目《鋼鐵是怎樣煉成的》來更多地熟悉和了解它。《鋼鐵是怎樣煉成的》STEM系列課程首先帶領(lǐng)學生參觀柳鋼展覽館，了解學校旁邊這個既熟悉又陌生的鋼鐵廠，從展覽館得到柳鋼歷史、現(xiàn)狀和有關(guān)生產(chǎn)工藝流程的直觀認識，然后讓學生回到學校后通過模型制作的形式把學習了解到的鋼鐵生產(chǎn)流程表現(xiàn)出來，在模型的設(shè)計與制作過程中更加深入地理解鋼鐵是怎樣煉成的，其中既融合了STEM內(nèi)容的學習，又包含了人文情感的滲透，很好地將地方資源融入了STEM課程中。

包含的知識部分：

S（science）煉鋼中涉及的化學原理、機械原理

T（technology）3D打印技術(shù)建模、CAD繪圖、激光切割機使用

E（engineering）高爐模型的制作、煉鋼流程模型制作

M（mathematics）測量、幾何、材料計算

用到的器材和設(shè)備：

模型底板1塊、搭建支架的木方條、木板、圓形管道、熱熔膠槍和膠棒、Arduino UNO主板３塊、人體紅外傳感器、超聲測距傳感器、蜂鳴器、馬達５個、３Ｄ打印機、激光切割機、Arduino編程電腦

課程實施方案：

1.參觀柳鋼展覽館，實地了解其地理位置及柳鋼的歷史與現(xiàn)狀，帶著問題去學習鋼鐵冶煉的過程。（周末）

2.對柳鋼生產(chǎn)過程進行歸納、畫出鋼鐵煉制過程的流程圖，明確鋼鐵冶煉的幾個重要環(huán)節(jié)和相關(guān)的設(shè)備（1課時）

3.討論和準備制作模型所需的材料、技術(shù)實現(xiàn)方法（1課時）

4.分組設(shè)計和制作鋼鐵生產(chǎn)過程的各個部分的模型（４課時）

5.探究利用Arduino控制礦石小車、魚雷罐車運動的方法（2課時）

6.探究利用Arduino實現(xiàn)各處模塊聯(lián)動起來的方法（2課時）

7.展示鋼鐵生產(chǎn)過程的完整模型作品并總結(jié)（1課時）

四、特色STEM課程開發(fā)技術(shù)路線

通過對柳州市相關(guān)資源的發(fā)掘，并結(jié)合我校的實際，我們總結(jié)出STEM課程開發(fā)的技術(shù)路線，如下圖：

（1）分析本地/本校情境：主要是指對制約學校STEM課程的內(nèi)外因素及其相互作用的分析。其中外部因素主要包括本地本校歷史文化、社會相關(guān)資源等的支持與限制等。內(nèi)部因素主要包括學生的心理特點、知識與技能的儲備，教師的態(tài)度、知識技能、相關(guān)經(jīng)驗，學校具備的制度和物質(zhì)資源，當前開設(shè)STEM課程所面臨的問題，在分析這些因素的基礎(chǔ)上去收集能夠體現(xiàn)真實情境的相關(guān)STEM項目選題。

（2）STEM項目選題預分析：主要是對收集到的項目做這些分析：體現(xiàn)的本地特色、與學生的認知結(jié)合程度、完成試驗花費的時間、項目成本開支預估、可能遇到的問題及解決方案、課堂實施可行性。

（3）確定STEM課程項目：通過預分析篩選出合適的STEM項目，并確定課程開發(fā)人員分工。

（4）開發(fā)STEM項目課程：依據(jù)已確定的課程目標根據(jù)分工去設(shè)計開發(fā)相關(guān)的微課和教學方案。即挑選/制作微課學習材料、設(shè)計教學活動方案，如教學順序、結(jié)構(gòu)、范圍、活動方式、時間表、活動場所等。

（5）實施課程實踐：把設(shè)計的教學方案用于實際教學實踐，并收集學生的課堂反饋。

（6）檢查/評價/反饋：根據(jù)學生的反饋對課程實施的情況進行反思。以此作為修訂與重建課程的內(nèi)容和依據(jù)。

（7）修訂課程：根據(jù)情況修訂、改進課程設(shè)計和教學方案。

（8）形成STEM系列課程：在多次迭代后形成比較成熟的STEM系列課程。

五、基于翻轉(zhuǎn)課堂的STEM課程教學模式

經(jīng)過課程開發(fā)和具體的教學實踐，我們一邊認真對課程研討修改，一邊總結(jié)經(jīng)驗，梳理開發(fā)出來的案例，逐步形成了一個比較成熟的基于翻轉(zhuǎn)課堂的STEM課程教學模式（如下圖所示）：

這個模式分為三個階段：課前、課中和課后：

（1）課前：教師根據(jù)開展調(diào)研考察的情況設(shè)計教學方案，學生通過真實場景體驗和觀看微課視頻，完成針對性的課前練習、反饋信息，對學習內(nèi)容有初步認識。

（2）課中：教師創(chuàng)設(shè)具體的情境，學生對真實情境中的問題進行討論，交流想法，然后通過微課針對性地去學習相關(guān)知識和技能，教師主要幫助學生解決遇到的疑難問題；學生協(xié)商后設(shè)計問題的解決方案，動手進行模型的建造、測試和改進，教師則根據(jù)情況對學生進行技術(shù)指導，組織協(xié)調(diào)學生合作完成作品；最后，學生把完成的作品公開展示出來，并經(jīng)過互評和自評來對學習成果加以反思，教師對學生的學習過程和成果進行總結(jié)并給出意見和建議，幫助學生提升。

（3）課后：學生在完成STEM課程學習后，教師組織部分學生參加科創(chuàng)類比賽，指導和訓練學生通過微視頻進一步拓展知識，把STEM課程中學習的技能遷移到解決真實情境中的復雜問題中，促進學生高階思維和創(chuàng)新能力的發(fā)展。

這一學習模式的三個階段都引入了微課或者微視頻，課前學生自主學習；課堂上學生在教師的指導下協(xié)同開展科學探究和進行工程實踐，并通過分享交流增進表達能力；課后通過參加新任務(wù)把知識進行遷移和拓展。這一模式實質(zhì)上是通過三個環(huán)節(jié)不斷推進學生能力的提升。通過課程實踐，翻轉(zhuǎn)課堂確實讓學生在相對短的時間中基本達成了學習目標。參加課程的學生在參加科創(chuàng)類比賽中也獲得了較好的成績，證明了這一模式是有效的。

六、結(jié)束語

STEM教育強調(diào)以整合的教學方式培養(yǎng)學生，強調(diào)利用多學科知識解決問題，這樣一來STEM課堂中就需要大量的師生與生生間的討論互動與動手實踐的時間，本項研究借助翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，讓學生“先學后教”，通過課前觀看STEM課程相關(guān)知識的微視頻，可以巧妙地利用高中學生的課余時間，減少課堂講授知識的時間，同時能在課前明確學習目標和任務(wù)，把探究活動中涉及到的知識通過課前自學和線上討論解決掉，提高了學生協(xié)作學習的能力。學生能最大限度地在課堂上參與討論、大膽實踐，教師也能充分利用課堂上的時間為學生答疑解惑，不斷提高學生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力。

另外，本研究還初步總結(jié)了地方特色STEM課程開發(fā)的技術(shù)路線，該路線通過實踐證明是有效的，但是由于迭代次數(shù)還不夠多，還是比較粗淺的，有待于今后繼續(xù)研究完善。

參考文獻：

[1]李紅平，高攀.基于翻轉(zhuǎn)課堂的中學STEM教育模式研究[J].軟件導刊（教育技術(shù)），2019，18（1）：49-52.

[2]百度百科.柳州古八景[EB/OL].（2022-02-23）[2022-10-18].https：//baike.baidu.com/item/%E6%9F%B3%E5%B7%9E%E5%8F%A4%E5%85%AB%E6%99%AF？fromModule=lemma_search-box.

作者簡介：

黃明迪（1975年—），男，廣西宜州人，中學高級教師，大學本科學歷，北師大教育碩士，廣西普通高中通用技術(shù)學科中心組成員，研究方向：通用技術(shù)/信息技術(shù)教學、STEM課程教學與開發(fā)。