基于STEAM教育生態理念的主題探究式項目設計及實踐

毛國堅

STEAM是本世紀初首先興起于美國的旨在提高學生技術素養、增強國家科技競爭力的綜合教育實踐活動。起初以科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）等相關科目的英文首字拼寫命名為“STEM”，后來發展為加入藝術科（Arts）的“STEAM”。學校在新課程創新實驗中引入了STEAM教育的理念，開展了始于通用技術的STEAM教育實踐，著力培養學生的整合應用與科技創新能力，構建師生共同成長的實踐場，營造一種新的教育生態，讓身處其中的師生回歸生命的成長和可持續成長。

一、STEAM教育生態理念的構建

“尊重、適合、選擇”是學校新課程創新實驗的課程理念，即學校提供給學生的課程應該滿足學生的個體需求，讓學生根據自己適合的興趣愛好自主選擇，讓每個學生的潛能得到發展，甚至成為學生與別人交往以及分享的空間?；诖?，學校堅持“立足實踐、突出綜合、重在創新”的原則，積極構建STEAM教育生態系統。

1.立足實踐

我們突出課程的“實踐育人”價值，在課程中不斷提升學生的創新能力、動手技能、分析判斷、合作學習的能力。例如，在STEAM學科教室建設中，我們故意留白，讓學生主動建設的實踐空間，有的參與教室的文化設計與制作，有的參與實驗設施的設計與制作。目前，50個學科教室都是由師生設計、建設的教室，學生的潛能就這樣的在實踐中得以發現與喚醒。

2.突出綜合

我們對科學、技術、工程、數學、藝術等多個學科（STEAM）進行整合，開展基于探究的學習（基于項目的學習、基于問題的學習、基于設計的學習），嘗試項目教學模式：在研究教材、理解課標、分析學情后，我們進行設計研發，形成一個多功能、多學科的聯合的教學項目，一改以往的“講知識”“背技術”的授課模式。

3.重在創新

我們的研究分為三個層次：首先，我們研發一系列的綜合性的活動和項目涵蓋通用技術內容標準的要求；其次，我們在設計課程中對教材進行重構創新研發的一系列探究式的課程，體現出課程的價值；最后，我們整合科學、技術、工程、數學、藝術等多個學科注重提升學生的綜合素養。

二、基于STEAM教育生態理念的探究項目開發與實施

學校的STEAM教育課程項目開發實施步驟共五步，分別為：

1.生成項目主題

生成項目主題的關鍵是了解學生，了解學生喜歡探究的些什么。不同的學生群體興趣點不同，我們主動接觸學生，召開交流討論會，發現學生的興趣點。此外，教師也可結合自己的興趣和專長，生成課程。項目主題，我們還力求關注科技前沿、時事政治等問題。

2.制訂項目計劃

這一階段主要完成兩項工作：1. 確定項目開展的可行性；2. 確定項目實驗技術、實驗資源。這一環節實施的要點是：課程項目必須適合學生的學情，以學生的角度思考問題。

3.學生了解課程項目探究主題

這一階段的主要任務是讓學生充分了解研究對象是什么，預估自己能研究到哪個深度或層次，并對探究結果做一個預期。具體而言，我們引導學生了解研究的主題涉及面、研究過程需要應用到的知識與技術，鼓勵學生大膽假設、提出問題，讓學生思考研究經費來源，并指導學生開展預期實驗。

4.學生規劃探究的方案

這一階段的主要任務是組織學生進行實驗并做好實驗記錄、收集實驗數據，指導學生進行統計分析，思考改進實驗的辦法。具體而言，引導學生將數據做成表格或者圖形，思考數據說明了什么，在此基礎上進一步引導學生發現問題、尋找規律，告訴學生，可以接受或者推翻假設，引導學生思考實驗結果是否有價值，能否解決現實問題。

5.成果評價與交流

學校給學生提供展示的平臺。這一階段，學生可以以小組為單位設計展板、PPT，進行口頭報告，或者撰寫研究論文。

三、主題探究式項目設計及實施案例

2012年至今，全校各科組教師積極參與STEAM課程項目的開發與實施，現在每個學期都有50多個創新實驗課程項目供學生選擇。本文以“彈珠挑戰”項目的設計實施為例，具體闡述如何開展主題探究式項目。

【項目·彈珠挑戰】在一個60cm×

60cm的木質底板上設計一個紙質軌道結構，高度不低于30cm，彈珠一次順利的滾下。要求有180度的彎道，彈珠下落的時間不能低于12秒，時間越長越好，材料越少越好，整體設計美觀。

環節1：利用高中所學知識分析項目的可行性

彈珠挑戰項目雖然沒有明確的問題，但是學生通過討論提出了關鍵的問題：

1.物體從30CM高度自由下落要多長時間？自由落體公式算的

t=0.24秒?？梢娮杂上侣鋾r間很短，但是項目要求是12秒。這個問題突出挑戰的

意義。

2.如果物體從高30cm傾角為α的斜面無摩擦下滑12秒軌道要多長時間？建模分析：如果高度H=30cm下落時間t=12秒，需要多長的軌道呢？一個理想的軌道無摩擦，下落做勻加速運動①，加速

度與斜面的傾角α有關α=gsinα②，傾角與高度有關③，聯立得：

。解得S=14.7m。學生思考到這里就會發現，要在60cm×60cm的底板上建立一個14m長的軌道的是不現實的。

3.我們可以通過什么方法使得下落時間達到或者超過12秒呢？

學生總結延緩下落時間方法有：

（1）盡量減小坡度

（2）盡可能將軌道做長

（3）想辦法讓軌道的摩擦力增大（例如鋪設海面等軟物體。）

這一環節，學生的思考其實就是一種設計和控制了。

環節2：思考、探索結構的承壓能力

常見的支撐結構有三類：圓柱形、四棱柱形、三棱柱形（見圖b）。圓柱形結構外形美觀、制作簡單；四棱柱形結構：大多數房屋的支柱都是四棱柱形的；三棱柱形結構比上述兩種橫向抗壓能力強、節省材料。根據項目要求，哪種支撐結構適合本組設計要求？

該環節指導學生用實驗探究三種結構的承壓能力：

1.各組分發三張普通A4紙

2.分別折成空心的四棱柱、圓柱、三棱柱（見圖b），接合處用雙面膠粘住

3.分別在四棱柱、圓柱和三棱柱上放一硬質塑料板，然后往塑料板上不斷添加細沙，直到支柱被壓塌，

4.用天平稱出添加細沙的總質量并記錄。

支柱形狀 四棱柱 圓柱 三棱柱

塑料板與細沙總質量/克 830 880 450

實驗探究的結果各個小組基本相同。在相同材料的情況下圓柱形和四棱柱形承壓差不多，最容易壓垮的是三棱柱形。

其實設計用沙來做承壓實驗比較麻煩，因為硬質塑料板面積有限，較多細沙在上面容易在四周流出，學生也發現這個問題。有學生回家改進實驗的方法，用盆子盛水來代替細沙。但是，在最后做出的作品中發現幾乎沒有圓柱形的支撐結構，為什么呢？學生在制作過程中總結出經驗：

1.在制作過程發現紙張越小制作圓柱形的結構越困難，制作三棱柱形反而難度并沒增加。

2.抗壓小的地方可以選擇三棱柱形因為制作簡單節省材料，抗壓大的地方可以制作四棱柱形的結構。圓柱形結構接觸面小，不利于各個支柱間，支柱與軌道間的粘貼。

3.三棱柱結構其他兩種結構橫向抗壓能力強，

4.項目要求是材料越節省越好，所不能盲目統一都制作某一種支撐結構。

5.項目要求具有藝術性及結構說明。

彈珠課程設計這個結構承壓探究實驗，能較好達到結構與設計的內容標準。

環節3：優化系統，思考流程對設計的影響

學生學會制作傘形控制盤后發現，控制盤放在起點或者終點，時間差異很大。每一釋放的位置、速度不同，彈珠在控制盤下落的時間也不同。所以學生要思考傘形控制盤在他的作品中最佳的位置擺放。通過測試總結出規律：

1.彈珠落到控制盤上時應該有一定的速度。不要在一開始就設計控制盤。

2.彈珠落到控制盤上時速度應該切向的，如果徑向容易掉落失去設計的

意義。

學生在利用控制功能部件時也在考慮他的流程的安排，隨意的放置并不能達到最佳的效果。學生對控制位置設定的思考，實現流程對設計的影響的認識。這個過程其實也是學生對系統的優化

過程。

環節4：設計評價與交流

設計的評價與交流體現學生在設計過程中的思考，所以應該形成文字的記錄，建立檔案，建立系統、完善的學生評價方案，記錄好在創新實驗實施過程中學生各方面的變化。

我們驚喜地看到，“彈珠挑戰”項目活動可以促進技術素養；可以促進科學學習，特別是可促進科學原理的學習與理解；可以促進師生合作精神；可以提高學生的動手能力；可以提高學生觀察問題分析問題解決問題的能力；可以提升學生用數學為基礎，用工程、藝術的角度理解科學與技術。

在課程實施過程中我們發現：STEAM教育實踐更強調關聯學科的整合學習，項目活動更好地體現了課程的開放性、實踐性、綜合性、創造性和科學與人文融合性；項目活動能集中地體現更復雜和更高級的學習，由于知識整合更好地讓學生將各科知識融會貫通，提高學習效果和質量；項目活動使學生學會尊重、學會做事、學會合作與交流；項目活動讓學生更容易接觸社會、了解社會。我們會在STEAM課程的探索之路上堅持走下去。

（作者單位：廣西梧州市第二中學）

責任編輯：肖佳曉

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