STEAM教育理念下的電子科學項目教學研究

擺玉龍 孫洪陽 賈金元

摘要：STEAM教育作為一種新興的強調跨學科知識融合的教育理念，日益受到社會的關注，它是在設定的情景環境中通過多學科的知識運用，開放式的探究以及團隊協作來完成特定的項目目標，在這個過程中獲得相關的知識。文章以電子科學為基礎，將物理學、材料學、計算機科學等學科的知識融入其中，設計了一套STEAM教學實踐項目，旨在探究一種跨學科、整合型的新型課程。項目以STEAM教育的5個核心要素（科學、技術、工程、藝術、數學）為中心，探究在STEAM教育過程中各學科之間的連接點，構建項目學習的知識體系以及對學生各項能力的培養。

關鍵詞：STEAM教育；STEAM教學實踐項目；電子科學

中圖分類號：G436文獻標識碼：A文章編號：1674-7615（2018）05-0068-06

DOI：10.15958/j.cnki.jywhlt.2018.05.013

STEAM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）和數學（Mathematics）五門學科的縮寫。在當前知識信息化的時代，教育行業為了培養能夠更好的適應社會的人才，提出了改變原有的教育模式，發現和探索更加智能化、個性化和綜合化的教育理念的倡導，STEAM教育這個新的教育理念正被世界各國所重視。STEAM教育是將科學、技術、工程、藝術、數學這五門學科的知識體系進行交叉融合，使各學科之間相互聯系進而形成一個有機整體，這一理念源于美國的實用主義哲學，最早于20世紀50年代開始萌芽，起初只有四門課程統稱為STEM，之后美國學者Georgette Yakman認為在原有的基礎上加入藝術（Art）元素可以使得STEM教育變得更加的全面，這一觀點得到了教育界的普遍認同。[1]

STEAM教育旨在培養學生的五種基本素養，包括科學素養，技術素養，工程素養、藝術素養以及數學素養。美國州長協會（National Governors Association）2007年頒布的“創新美國：擬定科學、技術、工程與數學議程（Innovation America：Building a Science，Technology，Engineering Math Agenda）”共同綱領中指出，在知識經濟時代，只有具備STEAM素養的人才能在激烈競爭中取得先機，贏得勝利。學者們認為，STEAM素養是個體在科學、技術、工程和數學領域以及相關交叉領域中運用個人關于現實世界運行方式的知識的能力。[2]由此可見，STEAM教育不是將各學科的知識機械性的傳授給學生，而是通過將各學科的知識融入到項目中去，讓學生在完成項目的同時獲得知識并能夠靈活的運用。

STEAM教育的特點是跨學科融合，這就要求在STEAM教學中必須將各門學科緊密相連，以適當的方式引導學生掌握知識和技能，并能夠用自己所學去解決現實生活中的問題。現有的也是最常見的STEAM教育方式有兩種，一種是基于項目的學習（Project-Based Learning），一種是基于問題的學習（Problem-based learning）。本文采用基于項目的STEAM教育研究方法。學者黎家厚認為基于項目的學習的中心是學習、研究學科的概念和原理，學生為了解決問題，通過親身參加某個活動項目的調查和研究，從而建構起屬于他們自己的知識體系，并能夠在實際生活中運用到已學過的知識。[1]基于項目的學習方法主要是通過給學生一個在特定的情境下的目標，讓學生靈活運用各學科知識，組成小隊相互之間交流合作來通力完成任務，其目的就是為了讓學生將所學知識融會貫通并能夠在將來解決實際中的問題。在整個學習過程中，學生是項目的參與者與主導者。

STEAM教育作為一種新興的教育模式，發展的還不夠成熟，各方都在努力探索一種更為高效的教學方式。鑒于此，我們提出了一種新的以電子科學為基礎，整合多種學科的教學方法；在項目中我們提出了一種STEAM教育實踐項目新概念如圖一所示，以項目教學為主線，切實做到“講科學、學技術、做工程、求藝術、究數學”，探索一種高效的STEAM教學方式。在我們的研究項目中以電子科學中的“秒表”項目為例，分別從科學、技術、工程、藝術和數學五個方面探討其在項目中的應用與聯系，記錄學生們在項目中的團隊合作能力，項目操作能力，語言表達能力等。

一、STEAM教學實踐項目案例分析

STEAM教育強調從現實的問題出發，提供切合實際的情境。我們以運動場上運動員們爭分奪秒爭得冠軍為情景導入，將“創造出一個可以精確計時的秒表”作為項目的目標，在制作過程中了解時間的發展歷史，學習秒表的工作原理。整個項目的學習過程中涉及到了初中的直流電，交流電等物理知識，應用到了時鐘電路，復位電路，數碼管顯示電路等電子科學知識，使用電子元件，電路板等材料學的知識，以及電路的設計，秒表的外觀等藝術性的培養。學習將直流電轉換為交流電，將二進制轉化為十進制，明白秒表在電路上實現的原理。整個項目采用制造型應用模式，制造型STEM教育應用的目標是完成一個具有實際應用價值的物品，并在制造過程中培養學習者的STEM綜合能力。在項目中教師引導學生綜合運用各學科知識完成秒表的制造，重點培養學習者的工程實踐能力。[4]教師提供制造秒表的電子器件，教給學生秒表的實現方法，然后讓學生進行自由的發揮，并在完成之后進行分享和交流。

本次項目的題目為“精確的秒表”。項目的要求是制造一個開機顯示“00”，時間范圍為00～99秒且每秒加1的秒表，設置開始、復位、停止鍵。項目的目標是讓學生增強動手實踐能力，了解電子科學中的相關知識，培養學生的創造力和創新能力，讓學生能夠在生活中懂得時間的寶貴。

（一）“零距離”接觸科學

科學（Science）是認識世界的實踐方法，通過將知識細化分類進行研究，最后形成各自的知識體系。STEAM教育旨在教學過程中讓學生走近科學，認識科學，運用科學，培養學生的科技素養。在教學過程中強調知識與生活的融合，提高能力的培養。在本案例中，科學培養涉及到自然科學，電子科學，物理學，計算機科學等學科領域。

1電子器件的科學認識

在“精確的秒表”項目中，為了完成秒表的制作，電子器件是必不可少的組成部分。電子科學正是一門以器件的認知與應用為線索的學科，而了解電子器件的作用對理解電子科學這門學科是非常重要的。對于STEAM教育來說，電子器件的認知不僅僅增加了項目的趣味性，還使得項目更加的多元化，更加豐滿全面。在STEAM教育中，我們依托“精確的秒表”這一項目向同學們介紹一些在項目中用到的電子器件。

（1）認識秒表的“大腦”—單片機

在STEAM教學過程中時，采用日常生活中的單片機為課題與學生進行互動，在互動過程中完成對單片機的介紹，列舉出生活中使用單片機進行工作的例子，引起學生的共鳴和興趣。單片機是一種把中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、多種I/O口等功能集中到一塊硅片上的微型計算機系統。以圖解的形式簡單的向學生呈現出單片機的內部結構，其中穿插著技術和工程方面的思想讓學生了解單片機的設計和制作工藝，了解材料學，化學，物理學在這其中的應用。單片機之所以被稱為“大腦”是因為它能夠控制其他的電子器件，協調它們的工作，這其中就應用到了計算機科學，學習程序設計是使用單片機讓秒表精確計數的重要方式，這就需要學生們相互之間進行交流和合作。

圖2單片機功能展示圖（2）認識秒表的“眼睛”—數碼顯示器

在秒表中LED數碼顯示器如同人的眼睛一般，它的作用是讓人們能夠看到秒表顯示的時間。LED數碼顯示器是七個發光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，由內部引線控制二極管的開關，使他們展現出不同的數字。進行項目教學時，我們以生活中的顯示器為切入點，引入數碼顯示器的概念，詳細講解數碼管顯示器的工作原理使學生體會到電子科學這門學科的邏輯思維，再以現場演示的方式向學生們展示數碼管顯示器的應用，激發學生的興趣。

（3）認識秒表的“心臟”—晶振

晶振，也被稱為石英晶體振蕩器，是利用石英晶體片制成的，當石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時會產生機械振動給秒表提供時鐘信號。晶振如同人的心臟一樣具有穩定的頻率震蕩系數，它能夠產生標準的脈沖信號，廣泛的應用到數字電路中。在STEAM教育中，通過生物學上的心臟給人體循環提供動力來解釋晶振在整個電路中為秒表提供時鐘信號。這種多學科融合的概念講解能夠讓項目內容更加生動科學，充滿趣味。

2電路的科學講解

電路是電子科學中的基礎，不管是電路的串聯、并聯，還是單回路電路，多網絡分析，都是認識和學習電子科學必不可少的。在STEAM教學中，學生們通過完成項目來認識一些簡單的電路。

（1）時間產生—時鐘電路

從石英晶體振蕩器開始入手引出時鐘電路的概念，時鐘電路就是產生像時鐘一樣準確運動的振蕩電路，按時間順序進行工作。是一種用于產生時間脈沖的電路。時鐘電路一般由晶體振蕩器、晶震控制芯片和電容組成。在秒表的制作中，時鐘電路給秒表提供時鐘脈沖，產生時鐘信號，使得秒表能夠正常的工作。

（2）從零開始—復位電路

復位電路是一種通常使用電阻和電容組合來使電路恢復到起始狀態的電路設備，利用它把電路恢復到起始狀態，就像計算器的清零按鈕一樣。復位電路的復位方式一般有兩種：一種是手動復位；另一種是上電復位。本次秒表項目采用的是手動復位，通過按鍵使電路接通，電容充電達到高電平，實現秒表的復位。

（3）實時展示—數碼管顯示電路

數碼管顯示電路的主要作用是通過單片機控制LED數碼管（發光二極管），以實現數碼管LED屏幕數字輸出的動態顯示效果，秒表的時間值就是通過數碼管屏幕展示的。在了解控制數碼管的顯示之前，一定要了解電子科學中的二進制與八進制，十進制之間的相互轉換。

（二）“手把手”學習技術

技術是人們為了實現目標而使用科學理論、經驗、工具、設施等方法的綜合。技術作為一種生活必備的技能可謂包羅萬象，它滲透到了每一種學科門類中，例如計算機技術、電子技術、生物技術、工程技術等等。學習技術有助于學生在學習、生活中有效解決問題。在STEAM實踐教育過程中，實踐是教學的主要方式，而技術是實踐的重要方法，學生通過有效率的實踐來完成秒表的開發。在秒表的制作過程中，學生需要學習電路板的設計、焊接、測試等技術來完成主板的制作，這對學生的項目操作能力，整體布局設計能力，動手實踐能力都有很大的提高。

1科學布局—電路板的設計

電路板的設計好壞決定了電路板是否被采用，好的設計能夠使電路板線路更加整潔，故障的概率更小同時占用更少的空間。學習電路板的設計有助于提高學生的整體布局能力，空間利用能力。在設計電路板時，首先在專業軟件中將所需電子元件選擇好，之后才進行電路的設計和連接。在教學過程中，采用PCB板作為秒表主板的制作平臺，學生需要在此基礎上完成結構設計，布局布線，總體優化，線路檢查等工作。

2能工巧匠—電路板的焊接

電路板的焊接技術是電子技術科學中的必備的一門技術，在電子工業的生產中應用非常的廣泛。焊接技術門類繁多，在教學中我們采用最基本也是最簡單的錫焊技術，所使用的工具也是簡單的電烙鐵和錫條。動手焊接時，在保證整個焊接過程安全的前提下，教師先向學生們講解說明各種電子器件的辨識，在傳授焊接的基本技巧并現場演示，最后讓學生在PCB板上將自己設計的秒表焊接上。

3細致入微—電路板的測試

電路板的焊接很容易出現虛焊等問題，操作不當可能導致整個主板不能正常的工作，因此對電路板進行檢測是必要的。當電路板不能正常工作時，使用萬用表對電路進行測試是找出錯誤的常用方法。在教學過程中，教師將電路板檢測的方法與技巧教授給學生，讓學生自己找到錯誤并改正，這一過程有利于培養學生的耐心，提高專注能力，使學生有成就感。

（三）“勤思考”建立工程

工程是指以某一設想為目標，通過使用相關的科學知識和技術手段，來制造完成人們期望的實物，是將科學、數學、技術、藝術等領域結合起來的綜合學科。在工程的構建過程中，學科的融合應用顯得至關重要。在STEAM實踐教學中，通過對工程的構建，來了解在工程建造中需要的科學、技術手段，思考在工程建造中可能存在的問題，這對各學科的聯系和講解有很大幫助，構建工程能有助于學生思維更加縝密，邏輯清晰，能夠學會從多學科，多維度，多角度去分析和解決問題。

發現問題，確立目標：在工程的構建過程中，項目的確立往往是在有了相關的需求之后。古人為了方便對年、月、日進行描述，或便于記錄當年發生的大事，便發明了時間這一概念，隨著科學技術的發展，慢慢就有了秒表，能夠精確的記錄時間。在STEAM教學中，教師通過提出問題，分析問題，引導學生去解決問題并確立本次項目設計的目標，培養學生根據需求解決問題的能力。

考慮周詳，工程設計：工程目標確立之后，需要對工程項目進行詳細的調查，包括信息資料，發展趨勢，環境，物品價格等，還要調查是否已經有相似物品，防止重復勞動。調查取證后就要根據調查結果以及產品需求進行科學的設計。在STEAM教學中，教師給出制造秒表所需的工具以及電子器件，引導學生思考秒表適合在什么環境下工作，什么樣的環境會影響秒表的正常使用，秒表的適應人群是什么等，并對其中的一些問題進行科學解釋，最后讓學生根據自己的想法來設計秒表。

檢測設計，完成項目：得到工程的設計圖紙。并不能馬上就投入制造，設計有時是不切合實際的，我們必須對設計的項目進行檢測以確保項目完成時能夠達到預期的目標。檢測設計有很多種方法，例如計算機仿真，簡易模型的搭建等。當確保設計合理，能夠運行時再開始項目的建造。在STEAM教學中，教師使用計算機軟件對學生設計的秒表進行檢測，糾正錯誤的部分并進行解釋，在確保學生創造力的前提下輔助學生更改錯誤，檢測無誤后將元器件焊接到電路板上，完成對秒表的制作，最后檢測秒表是否能夠正常工作。

（四）“敢想象”創作藝術

藝術是人的知識、情感、理想、意念綜合心理活動的有機產物，是人們現實生活和精神世界的形象表現。與科學不同的是，科學注重“發現”，而藝術更加注重“創造”。藝術表達是擁有獨立的人格和自由思想的個體，發現美，認識美，感知美并借用藝術意識表達內心情感的能力。在STEAM教育中加入藝術元素是為了在自然科學的教學中增加學習者對人文科學和社會科學的關注與重視。[3]藝術強調的是創造，將自己的思想借用現實中的事物表達出來。學生在制作秒表的過程中，也是他們進行藝術創造的過程，將他們對于時間的理解，對產品用途的理解，和自己的情感注入到秒表的設計中去。學生將自己的作品進行展示時，不僅僅為了將作品展示給他人，還為了讓學生們表達他們的思想，促進友好的交流。因為藝術是一門注重人文科學和社會科學的學科，因此在進行藝術指導時，有必要對相關的歷史，人文，地理等知識進行相關的講解，例如秒表項目，就可以向學習者們普及關于時間發展歷史。

1時間的發展歷程

STEAM教育要求學生能夠從多角度，多學科，多維度去看問題，STEAM項目也要原

于真實的生活并且具有趣味性。古人從結繩記事開始，一點一點的了解，記錄時間，先是觀天象，看日月星辰，后來使用沙漏，蠟燭，最后發明了時鐘。人們對于時間計算的越來越精準，對時間也越來越珍惜。了解時間的歷史不僅能夠向學生們普及自然科學的知識增加趣味性，還能夠幫助他們更好的理解秒表。

2秒表制作中的藝術

在秒表項目中，藝術可以體現在電路的設計布局，秒表的功能，整體的外觀設計上。在對PCB板進行設計時，可以將電路按照功能的不同分成不同的模塊，再將不同的模塊在PCB板上進行合理的連接，使得信號能夠順利進行傳輸，同時模塊內的電路也可以進行合理的設計，簡化電路，使電路更加簡潔。在秒表的功能上，可以根據喜好增加相關的功能，例如利用計算機學科的編程知識增加時，分，秒的時間計算，或者加入萬年歷，鬧鐘等功能。在整體外觀設計上就可以自由發揮，充分體現出學生的特點。

（五）“細鉆研”探究數學

數學一詞最早源于古希臘語，有學習，學問，科學之意。數學應用非常廣泛，小到日常生活，大到科學研究都離不開數學，對數學的培養不僅僅是為了提高算數能力，更是為了培養人的數學思維。研究數學能夠提高學生的計算能力，空間思維能力等，使人們的思維具有邏輯性，嚴謹性，客觀性。在STEAM教育中，數學思維的運用貫穿在整個項目中，在制作秒表的過程中，電子器件的使用，電路各種參數的設定，秒表的編程，電腦軟件的仿真都需要應用到數學。

在電子器件的使用中，電子器件的選擇，包括器件的參數，使用的個數等等都與數學有關；在進行電路的設計時，電路的并聯，串聯等都會給整個電路帶來不同的使用參數，必須使用數學知識對電路各個節點的數據進行計算，來達到需要。秒表的編程需要運用計算機科學中的編程語言，學習使用二進制，八進制，十進制的互相轉化也需要用到數學的知識。電腦軟件的仿真需要看懂電路產生的時序圖，時序的正確與否直接關系到秒表的正常使用，這也涉及到數學知識。總的來說，在秒表項目中，基本體現了對學生數學思維的鍛煉，數學素養的培養。

二、STEAM項目實踐研究

STEAM教育作為新興的教育理念，強調跨學科的知識融合，不再以學科為教育的重點，而是通過解決特定的問題來學習知識，是一個不僅重視結果性知識同時還注重過程性知識的創新理念。以電子科學為中心的STEAM教育實踐項目不僅融合了多學科的知識，還將它們巧妙的融入到了制作過程中。實際物品的制作不僅增強了實踐性，還使整個過程充滿趣味，增強了團隊交流的能力。基于此，以電子科學為中心的STEAM教育實踐項目有著遠大的前景。

在實踐中，我們成立了STEAM創新教育工坊，選拔師范類具備不同專業背景的學生，設計了一整套以電子科學為基礎的STEAM教學項目，以“講科學、學技術、做工程、求藝術、究數學”為宗旨，開展STEAM項目實踐研究。我們根據電子科學的學科特色以及特征制定了STEAM教育的教學方法。1實際生活中的真實問題。依托現實生活中的常見現象或物品引出問題，增強代入感和興趣，以問題為導向促使學生去解決問題，以學生為中心，注重在過程中互動學習。2動手實踐為中心。以電子科學中的簡單項目為目標，以工程設計為主體融入多學科知識與技術，增強動手實踐能力，工程性思維和創造力，使學生能夠合理的規劃項目，提高學生的綜合能力。3強調開放式的探究。STEAM教育過程中，允許學生進行自由的探索，將自己的想法付諸于現實，教師在教學過程中起到引導的作用，幫助學生實現想法或指出錯誤。4進行團隊合作。學生在實踐過程中可以組成一個富有成效的團隊，在進行設計或搭建工程時可以進行交流與合作，這有利于學生想法的交換，提高工作效率，增強與人交流，團隊合作的能力。5學習內容貼合學生本身。在進行項目教學時，教學項目中所涉及到的知識一定要是學生正在學習的或者已經學完的知識，教學的內容要嚴謹，讓學生體會到所學知識的重要性，能夠運用知識解決生活中所遇到的問題。6分享反思。對完成的作品進行檢查，對于成功的作品，鼓勵學生與同學進行分享交流，不成功的作品，我們進行錯誤的糾正，在糾正的過程中讓同學進行反思。

[8]它從真實問題出發，以多學科交叉融合的理念為指導，有利于解決學校課程滯后與科技進步的矛盾。學習者在STEAM培訓過程中，通過解決問題，將以電子科學為中心的學科內容加以整合，學習工程設計和技術手段，擴寬視野，對各學科的知識融會貫通，以便在未來解決類似問題，更好的適應21世紀智能化和信息化的社會。

三、結語

以電子科學為核心的STEAM教學實踐課程是實施STEAM教學的有效方式之一，通過實踐項目，將物理學、計算機科學、材料學等學科融入到STEAM項目中。在項目實施過程中，從真實問題出發，將實踐性，動態性，實景趣味性等原則融入其中，使學生自主研究探索。在研究過程中，促進學生之間的交流和合作，通過掌握工程設計，相關技術完成對項目的開發。在整個項目體系中，以工程實踐能力為主導，培養學生的綜合實踐能力。因此， STEAM教學實踐項目能為工程融入中小學教育提供參考。

綜上可見，STEAM教育是一門具有跨學科，趣味性，體驗性，情境性，協作性，設計性，藝術性，實證性，技術增強性的融合性學科。[2]這是一個克服傳統教學方式缺陷的探索，為教育工作者提供了一種新的思路。因此，我們提出以電子科學為基礎，以工程設計為中心，多學科融合，探索新式師生互動的教學新模式。

參考文獻：

[1]秦瑾若，傅鋼善STEM教育：基于真實問題情景的跨學科式教育[J].中國電化教育，2017（4）

[2]余勝泉，胡翔STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015（4）

[3]周東岱，樊雅琴，于穎，于偉，楊君輝基于STEAM教育理念的小學課程體系重構研究[J].電化教育研究，2017（8）

[4]傅騫，劉鵬飛從驗證到創造——中小學STEM教育應用模式研究[J].中國電化教育，2016（4）

[5]董陳琦嵐 基于STEM項目學習的學生能力評價研究[D]. 天津：天津師范大學，2017

[6]楊曉哲，任友群數字化時代的STEM教育與創客教育[J].開放教育研究，2015（5）

[7]楊曉彤，謝幼如，鐘如光網絡空間支持的中小學創客教學模式研究[J].電化教育研究，2017（1）

[8]王帆智慧教育：教學設計數據化與案例分析[J].電化教育研究，2015（8）

[9]李揚 STEM教育視野下的科學課程構建[D].金華：浙江師范大學，2014

[10]師保國，高云峰，馬玉赫STEAM教育對學生創新素養的影響及其實施策略[J].中國電化教，2017（4）

[11]祝智庭，雷云鶴STEM教育的國策分析與實踐模式[J].電化教育研究，2018（1）

[12]Buechley L， Elumeze N， Eisenberg M Electronic/computational textiles and children's crafts[C]//Proceedings of the 2006 conference on Interaction design and children ACM， 2006： 49-56

[13]Maeda J STEM to STEAM： Art in K-12 is key to building a strong economy[J]. Edutopia： What works in education， 2012