融入STEAM理念的物理課程設計

樊燕 楊雨軒 謝麗

摘 要： 在教學中融入STEAM教育理念已成為一種新興的教育趨勢，對提升學生的科學素養和人文素養，培養全面發展的未來公民具有重要意義.在物理教學中融入STEAM 教育理念，應用跨學科知識解決實際問題將有利于發展學生的學科核心素養.本文以物理學科大概念“運動和力”中的“摩擦力”教學為例，依據包含“科學探究”與“工程設計”過程的6E設計型模式，嘗試提出課程設計模式，并據此進行課程案例設計，深化學生對概念的理解和掌握，助力創新人才的培養.

關鍵詞： STEAM教育;6E設計型模式;摩擦力;課程設計

文章編號： 1008-4134（2019）23-0038 ? ? 中圖分類號： G633.7 ? ? 文獻標識碼： B

20世紀80年代，為保持在國際上的可持續競爭力，美國政府提出了“STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）教育集成”的建議，并將其發展成為國家性教育戰略.后來，在STEM教育的基礎上出現一種新型教育模式——STEAM教育，這種教育使得STEM教育中注入了情感因素和對美感的追求.新媒體聯盟（New Media Consortium）2015-2018年間在《地平線報告（基礎教育版）》（Horizon Report K-12 Edition）連續指出：STEAM教育是全球性的科技教育戰略，對基礎教育有著至關重要的影響.中國教育部于2016年發布《中國學生發展核心素養》報告中展示了中國教育對未來人才的新愿景，也明確了STEAM課程的價值取向.STEAM教育的突破性發展，將不僅回應中國社會經濟轉型對人才培養的嶄新訴求，更將是中國立穩世界強國之列、實現中華民族偉大復興的教育方案.

1 STEAM教育內涵

STEAM教育發源于美國，是STEM 教育的延伸與發展.2006年開始，A（藝術）這一要素受到越來越多的關注，并逐漸融入到STEM教育中，這種新型教育理念強調了科學學科與人文學科之間的相關性，注重提升學生科學素養和人文素養，培養全面發展的未來公民，自此，STEAM教育成為一種新興的教育模式，在全球范圍內開展起來.Yakman教授對STEAM各要素之間的關系進行了這樣的闡述：“我們生活在這樣一個世界，對科學的理解離不開技術，而技術又依賴于工程來呈現它的相關研究和發展，如果沒有對藝術和數學的理解，就沒有工程的創造.（ Yakman，2008）”[1].與 STEM 相比，STEAM教育的內涵更加豐富，不僅能夠有效培養學生的邏輯思維、問題解決、創新、合作、激勵等能力，還致力于將學生塑造成具有創造和革新精神的全面發展的人，支持學生成為未來的發明家與創造者[2] .

我國基礎教育受分科教學影響，學生習得的知識零碎化，缺乏統整性，創新能力與知識遷移能力有所欠缺.雖然新課程改革已明確提出現代教育要注重培養學生的科學觀念和核心素養，但在實際教學中教授給學生的知識局限于書本內容，對于跨學科知識、綜合性學科知識、基于生活情境的知識等鮮有接觸.而蘊含跨學科性與情境性等特點的STEAM教育能彌補我國中學物理教學的缺陷，對培養未來時代所需要的具有批判性和創造性思維、問題解決能力、合作共享能力、社會參與意識等“明日所需素養”的學生具有關鍵性作用.

2 基于6E的課程設計模式

美國作為推動STEAM課程改革的主要國家，開發了一些相關的課程，積累了許多可供參考的理論和實踐經驗[3].ITTEEA（International Technology and Engineering Educators Association）于2014年提出的融入“科學探究”與“工程設計” 6E設計型學習模式在近年來備受推崇.如何將6E模式與物理課堂教學相融合？筆者參照 6E模式，以“參與（Engage）”“探索（Explore）”“解釋（Explain）” “工程（Engineer）”“深化（Enrich）”“評價（Evaluate）”教學步驟為基礎，嘗試提出了基于6E的課程設計模式，如圖1所示.

3 具體課程設計案例

就物理學科而言，其本身就與技術和工程有潛在的聯系[4].因此，本文選擇物理學科大概念“運動和力”中的“摩擦力”的教學為例，基于6E課程設計模式，進行具體課程案例設計見表1.學生通過工程制造，運用科學知識、數學計算等能力驗證摩擦力相關內容，解決實際相關問題，以深化學生對大概念的理解，提高學生物理學科核心素養.

3.1 結合學生知識背景，明確研究內容（1課時）

【教師活動】

（1）播放兩個剎車視頻（同一汽車在不同路面，不同汽車在同一路面），隨即向學生提問：從視頻中觀察到什么現象？何種因素導致這種現象？

（2）以小組為單位學生結合已有知識經驗說出他們對視頻中剎車現象的理解，并引導學生猜想影響摩擦力大小的因素，并思考該如何驗證這些影響因素.

（3）在學生匯報的基礎上結合本次課程主題——摩擦力，提出研究內容：摩擦力的概念、影響因素以及如何通過項目對影響因素進行驗證.

【學生活動】

（1）學生思考導致制動距離不同的原因——摩擦力.

（2）熟悉并明確剎車情境中涉及的摩擦力知識，以小組為單位進行交流討論.

（3）猜想影響摩擦力大小的因素，構思可以從哪些維度設計方案驗證猜想.

【設計意圖】

（1）將課堂教育與真實剎車情景相結合，從切實情境中導入課程，激發學生求知欲.

（2）讓學生觀察剎車視頻，引導學生回顧初中學習的摩擦力知識，了解學生知識基礎.

（3）學生明確研究摩擦力知識內容，構思如何設計項目來驗證制動距離的影響因素，充分發揮學生的主觀能動性.

3.2 探究學習，支架引導（1課時）

【教師活動】

（1）引導學生通過多種方式查閱影響汽車制動距離的因素（輪胎花紋、地面粗糙程度、汽車質量），明確制動距離與摩擦力有關，摩擦力大小與接觸面粗糙程度和汽車質量有關.

（2）引導學生積極參與討論，并強調團隊合作的重要性.

（3）鼓勵學生頭腦風暴，自行選擇某一摩擦力影響因素，對驗證方案內容進行初步構思與設計.

【學生活動】

（1）通過查閱資料輔以教師講解的方式，明確制動距離與摩擦力有關.

（2）驗證影響制動距離的原因，提出相應的設計方案.學生可能設計方案：公路設計項目、輪胎制造項目、汽車類型項目.

（3）學生分組討論項目設計方案.

【設計意圖】

（1）要求學生能通過網絡設備等多種途徑，查閱資料檢索信息，并基于所得信息構建方案設計框架，從而在探索過程中進行學習.

（2）教師引導學生經歷提出問題、收集證據、解釋交流三個科學探究階段，以合作探究的方式科學建構物理知識模型.

（3）教師提供框架支持并給于適當引導，促使學生主動思考，培養學生創新能力與思維發散能力.

3.3 知識構建、方案的詮釋與改進（1課時）

【教師活動】

（1）向學生普及傳感器和3D打印機的工作原理、用途、使用方法以及使用時的注意事項.

（2）教師請各小組分享自己的產品設計方案，并對各組設計方案的科學性、可操作性與安全性進行簡要分析.

（3）鼓勵學生詰問其他組的方案內容，教師及時糾正學生交流過程中出現的迷思概念.

【學生活動】

（1）學生習得多種技術手段，并掌握設備的應用知識，豐富基本知識框架.

（2）傾聽其他小組的設計方案，思考他人提出的問題、解釋及意見.

（3）審視項目設計方案內容，思考方案實施的科學性、可操作性以及安全性.

【設計意圖】

（1）通過學生對方案內容的闡述，了解學生對基本概念的理解.

（2）學生通過解釋與交流過程，對摩擦力知識形成更深刻、更系統的理解.

（3）推動組間交流，引導學生深入學習，促進學生批判性思維和問題解決能力的發展.

3.4 技術應用、產品制造（3課時）

【教師活動】

（1）介紹工程設計的概念以及摩擦力項目設計的幾個維度.

（2）重述摩擦力概念、類型及其影響因素，并強調傳感器、3D打印機設備的工作原理、使用時的注意事項.為學生工程制作提供所需的材料及設備.

（3）強調實驗過程中數據的記錄以及操作過程中的安全問題.

（4）協助學生解決產品制作過程中出現的難題，并指出問題出現的原因，對學生制作過程給予適當引導與評價.

（5）從STEAM包含的各個要素對學生的制作過程提出改良的建議.

【學生活動】

（1）學生依據小組設計方案內容，使用給定的材料，采用小組合作的方式著手項目產品的初步制作.

（2）對實施過程可能出現的問題進行思考、解決和優化，適時修改方案內容.

（3）產品制作完成后，各成員依次體驗項目技術，并結合操作的結果，分享交流意見與建議，通過優化實驗操作，進而優化實驗方案設計.

【項目說明】

（1）汽車設計項目如圖2所示.通過在汽車上添加不同數量的砝碼來改變汽車質量;通過3D打印機制造不同花紋的汽車輪胎以改變汽車所受摩擦力大小.

（2）公路設計項目如圖3所示.通過改變傳送帶上的履帶作為不同粗糙程度的公路面.

【設計意圖】

（1）通過重述內容、概念以加深學生對摩擦力知識的理解.

（2）在項目設計與制作過程中，利用作品外化學習效果，促進學生知識的整合與遷移.

（3）學生能深層次參與到學科整合的過程中，領會跨學科整合的精髓，將所學有關摩擦力的知識技術手段應用到現實環境中.

3.5 技術比較、產品完善（2課時）

【教師活動】

（1）引導學生展示自己的設計方案，并介紹項目設計中應用的知識原理以及技術優勢.

（2） 將學生交流的各類型項目內容匯總并分類比較，引導學生得出驗證摩擦力影響因素的多種維度，并分析所應用各項技術手段的優缺點和適用情況.

（3）組織學生進行交流討論，優化自己的設計方案，并在改良后選出優秀作品，向同學進行展示.

【學生活動】

（1）了解如何將設計流程應用到實際情境中.

（2）小組討論完成實驗方案，選出代表匯報.

（3）聽取其他小組的匯報并對其做出評價，吸收優勢之處優化自身方案.

（4）明確各項技術手段的優缺點，與小組成員進一步討論，完善產品制作，突出技術優勢.

【設計意圖】

（1）通過不同設計方案的對比與總結，進一步深化學生對工程制作環節的認識、摩擦力知識的應用與遷移能力，提升實際操作能力.

（2）學生在原有方案基礎上進行延伸和拓展，實現知識的進一步深化和對前面各環節學習內容的整合提升.

3.6 作品展示，總結反思（2課時）

【教師活動】

（1）組織各小組展示自己的設計作品，進行解釋說明.并對學生匯報內容給與正確的評價.

（2）在學生的匯報過程中，逐步引導學生總結涉及到的STEAM知識.

（3）展示此次STEAM課程學習相比于傳統摩擦力學習的優勢所在，進一步凸顯STEAM主題.

【學生活動】

（1）完善小組的最終匯報（概念內容，技術的原理、操作方式、注意事項），并進行作品展示.

（2）學生進行自我評價，了解是否已經掌握解決問題的方法.

（3）明確STEAM模式的內涵，構建出關于STEAM知識的框架.

【設計意圖】

（1）體現學科整合的思想，包括知識和觀點的整合.

（2）學生通過評價、反思整合不同的觀點，發現自身問題，獲取他人意見，鍛煉語言組織能力和表達能力.

（3）教師反思融合STEAM教育理念的物理教學過程中出現的問題及原因，完善教學方案，提高自身教學能力.

4 結論與反思

高質量的STEAM教育是增強國家競爭力、培養創新人才的重要手段.當前STEAM教育已在北上廣等部分大中型城市快速開展，且呈蓬勃發展之勢.但是總體上我國仍處于STEAM教育改革的起步階段.在STEAM教育本土化推進的過程中，我們仍然面臨著諸多問題和挑戰，而這場變革的落腳點和突破點即在于發展STEAM課程.為此，筆者通過對摩擦力的STEAM課程設計，以期為教師有效開展STEAM教學提供支架和參考，助力創新人才的培養.

參考文獻：

[1]崔鴻，朱家華，張秀紅.基于項目的STEAM學習探析：核心素養的視角[J].華東師范大學學報（教育科學版），2017，35（04）：54-61+135-136.

[2] Yakman G， Lee H. Exploring the exemplary STEAM education in the U.S. as a practical educational framework for Korea[J]. Journal of the Korean Association for Science Education， 2012（6）：1072-1086.

[3]謝麗，李春密.整合性STEM教育理念下的課程改革初探[J].課程·教材·教法，2017，37（06）：63-68+62.

[4]謝麗，李春密.物理課程融入STEM教育理念的研究與實踐[J].物理教師，2017，38（4）：2-4.

（收稿日期：2019-08-27）