從“凳子結(jié)構(gòu)探析和技術(shù)演變”教學(xué)案例談STEAM課程的開(kāi)發(fā)和實(shí)施

陳玉潔

摘要：近年來(lái)，隨著STEAM教育廣泛興起，中小學(xué)校開(kāi)始廣泛開(kāi)發(fā)相關(guān)課程。STEAM教育充分體現(xiàn)了“統(tǒng)整”的教學(xué)設(shè)計(jì)思維，如何厘清STEAM課程支持要素，在教學(xué)設(shè)計(jì)中如何從系統(tǒng)觀的視角整合STEAM課程支持要素框架是本文著重要解決的問(wèn)題。作者期望通過(guò)STEAM教學(xué)案例分析，為一線教師進(jìn)行STEAM教學(xué)資源開(kāi)發(fā)和利用提供參考。

關(guān)鍵詞：STEAM；教學(xué)案例

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2019）01-0064-04

隨著STEAM教育廣泛興起，中小學(xué)校也都開(kāi)始開(kāi)發(fā)相關(guān)課程，筆者也嘗試運(yùn)用STEAM教育理念來(lái)進(jìn)行教學(xué)。下面，介紹一個(gè)運(yùn)用STEAM教育理念的教學(xué)活動(dòng)，此教學(xué)活動(dòng)以蘇教版《通用技術(shù)教學(xué)大綱》為指導(dǎo)，由不同學(xué)科教師組成的團(tuán)隊(duì)打磨的一系列的工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)活動(dòng)來(lái)實(shí)施教學(xué)，參與的學(xué)生來(lái)自高二年級(jí)。活動(dòng)分為五個(gè)部分：探究、設(shè)計(jì)、制作、拓展、評(píng)價(jià)。活動(dòng)的目的是讓學(xué)生建構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)，然后通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，運(yùn)用他們所了解的關(guān)于結(jié)構(gòu)的知識(shí)來(lái)完成工程設(shè)計(jì)。

課程目標(biāo)分析

STEAM課程結(jié)構(gòu)以主題學(xué)習(xí)形式為主，同時(shí)主題學(xué)習(xí)兼顧STEAM全要素學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成。

舉例來(lái)說(shuō)，若以“結(jié)構(gòu)”作為教學(xué)主題，好像教學(xué)內(nèi)容的方向十分明確，然而仔細(xì)一想，關(guān)于結(jié)構(gòu)的議題非常廣，到底是要討論結(jié)構(gòu)的哪個(gè)方面呢？是結(jié)構(gòu)的含義、分類(lèi)、強(qiáng)度、穩(wěn)定性，還是在日常生活中的應(yīng)用？還是不同結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史或者文化意義？因此，只有“結(jié)構(gòu)”二字的教學(xué)主題，過(guò)于簡(jiǎn)單，對(duì)教學(xué)的實(shí)際指導(dǎo)意義不大。針對(duì)不同的教學(xué)對(duì)象，由于其認(rèn)知能力的差異，教師在選定主題方向和深度時(shí)要做出適度調(diào)整。

如果將“以知識(shí)理解和運(yùn)用為核心”作為教學(xué)重點(diǎn)來(lái)舉例，知識(shí)點(diǎn)的講解必須循序漸進(jìn)。首先，教師要引導(dǎo)學(xué)生理解穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的含義，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?xún)蓚€(gè)方面舉例讓學(xué)生理解。其次，要通過(guò)案例和試驗(yàn)探究影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的因素。最后，尋找生活中的例子分析穩(wěn)固結(jié)構(gòu)是如何在生活中被運(yùn)用的。

如果“以認(rèn)知、設(shè)計(jì)和解決實(shí)際問(wèn)題為核心”來(lái)教學(xué)，則必須根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知理解力來(lái)加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)。實(shí)際問(wèn)題的解決必然是多因素綜合的問(wèn)題集，單一學(xué)科或單一工具難以支持對(duì)實(shí)際問(wèn)題提出完美的解決方案，STEAM的興起，正是基于這樣的教學(xué)困境，從培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)際問(wèn)題綜合解決能力入手，綜合各學(xué)科知識(shí)和工具，在設(shè)計(jì)思維的引領(lǐng)下，建構(gòu)出較為復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題解決方案。同時(shí)，知識(shí)建構(gòu)的過(guò)程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)造力也具有重要意義。本活動(dòng)的主題從“結(jié)構(gòu)”拓展到“凳子結(jié)構(gòu)探析和技術(shù)演變”，從設(shè)計(jì)三要素入手，深入分析學(xué)生對(duì)課桌凳子的需求，在解決凳子結(jié)構(gòu)缺陷問(wèn)題的同時(shí)，還要結(jié)合凳子的技術(shù)發(fā)展史，設(shè)計(jì)一款能更好地滿足學(xué)生需求的課桌凳子。這個(gè)活動(dòng)從生活出發(fā)，將“結(jié)構(gòu)”認(rèn)知建構(gòu)融入到實(shí)際問(wèn)題解決過(guò)程中，學(xué)生在運(yùn)用設(shè)計(jì)思維分析問(wèn)題時(shí)，可以綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)知識(shí)解決問(wèn)題，還可以在角色扮演、調(diào)查訪談的時(shí)候發(fā)現(xiàn)更多的用戶需求，結(jié)合設(shè)計(jì)三要素，提出有價(jià)值、有創(chuàng)造力的問(wèn)題解決方案。在綜合解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作，需要建立溝通能力和領(lǐng)導(dǎo)力，需要表達(dá)自己，需要學(xué)會(huì)項(xiàng)目管理，這些能力的培養(yǎng)都是學(xué)生綜合素質(zhì)的體現(xiàn)。另外，知識(shí)建構(gòu)和方案構(gòu)思以網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的形式完成，21世紀(jì)是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)上的自主和協(xié)作學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)也是至關(guān)重要的。

本教學(xué)活動(dòng)運(yùn)用“統(tǒng)整”思維整合課程資源，以設(shè)計(jì)思維的生成為線索，以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為突破口，整合環(huán)境資源、項(xiàng)目管理工具和互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)平臺(tái)作為STEAM學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)，進(jìn)而進(jìn)化為系統(tǒng)完備的STEAM課程支持要素模型（如右圖），這樣的STEAM課程支持系統(tǒng)將會(huì)對(duì)學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)、思維發(fā)展、綜合素養(yǎng)提升產(chǎn)生有益的影響。

STEAM課程實(shí)施過(guò)程

1.主題背景

教室里，工字形的學(xué)生課桌凳子腿很容易折斷，這是為什么呢？凳子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有沒(méi)有什么缺陷呢？凳子在人們的生活中有重要作用，我們可以隨處看到各式各樣的凳子，凳子的發(fā)展也經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程，這個(gè)活動(dòng)就是希望學(xué)生能夠深入研究自己對(duì)課桌凳子的需求，從設(shè)計(jì)三要素入手，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合自己對(duì)生活中凳子的觀察和思考，設(shè)計(jì)出一款結(jié)構(gòu)良好并且能夠滿足不同需求的凳子。

反思分析：發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題往往比解決問(wèn)題更重要，要發(fā)現(xiàn)一個(gè)有價(jià)值的問(wèn)題，就要在生活中培養(yǎng)學(xué)生的觀察力和好奇心，一個(gè)好的問(wèn)題必然來(lái)自人的真實(shí)需求、技術(shù)缺陷等。追求技術(shù)的“真、善、美”是找到一個(gè)好的學(xué)習(xí)主題的重要途徑。

2.探究：教室課桌凳子結(jié)構(gòu)缺陷

首先，教師提問(wèn)：地震中房子坍塌的原因是什么？電動(dòng)摩托車(chē)為什么會(huì)被大風(fēng)刮倒？并引導(dǎo)學(xué)生相互討論，教師通過(guò)這一過(guò)程可以了解學(xué)生頭腦中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前概念。

然后，通過(guò)分析空調(diào)安裝的過(guò)程，研究三腳架的材料，讓學(xué)生明白結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度跟材料有關(guān)；改變紙張結(jié)構(gòu)，研究不同結(jié)構(gòu)紙張的承重能力，讓學(xué)生明白結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度跟形狀有關(guān)。再要求學(xué)生設(shè)計(jì)一條凳子的模型，在制作過(guò)程中研究木質(zhì)結(jié)構(gòu)不同的連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，進(jìn)一步研究金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度跟連接方式的關(guān)系，學(xué)生通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度跟連接方式有關(guān)。

接著，出示兩張圖片——東方明珠塔、兩位雜技演員走鋼絲，提出兩個(gè)問(wèn)題：“東方明珠塔的哪些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠增強(qiáng)它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性？”“這兩個(gè)雜技演員哪一個(gè)更容易摔下來(lái)？”播放“重心偏移模型試驗(yàn)”視頻，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的第一個(gè)因素：結(jié)構(gòu)重心的垂心如果投影在結(jié)構(gòu)支持面的內(nèi)部，結(jié)構(gòu)就能保持它的穩(wěn)定性，反之則不能。學(xué)生自主設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易不倒翁，探究“不倒翁為什么不倒”的原因，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的第二個(gè)因素：結(jié)構(gòu)的重心越低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好。對(duì)比“倒立的礦泉水和正立的礦泉水”，得出影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的第三個(gè)因素：結(jié)構(gòu)支撐面越大，穩(wěn)定性越好，反之則穩(wěn)定性越差。播放“三角形、四邊形、梯形及一些組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性探究實(shí)驗(yàn)”視頻，得出結(jié)論：三角形具有穩(wěn)定性。學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)，探究自然界中常見(jiàn)的或人類(lèi)在橋梁設(shè)計(jì)中常用到的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，如六邊形結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)等。運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題——街邊啤酒攤的遮陽(yáng)傘如何放置才能增強(qiáng)其穩(wěn)定性？

反思分析：教師給出任務(wù)清單讓學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上完成前概念的學(xué)習(xí)，任務(wù)清單完成以后學(xué)生需要在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)上分享自己的學(xué)習(xí)成果，并且進(jìn)行互評(píng)。

3.工程項(xiàng)目實(shí)施準(zhǔn)備

①設(shè)計(jì)分析及方案構(gòu)思。工程設(shè)計(jì)的前提是設(shè)計(jì)思維的形成，設(shè)計(jì)包含人、物、環(huán)境三要素，以設(shè)計(jì)的三要素為切入點(diǎn)，學(xué)生在角色扮演、采訪、問(wèn)卷調(diào)查的過(guò)程中，需要進(jìn)一步明確設(shè)計(jì)目標(biāo)。學(xué)生能夠從人的特點(diǎn)和需求、凳子的材質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能不足、使用中出現(xiàn)的問(wèn)題、使用環(huán)境出發(fā)對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)有較清晰的定位。教師需要引導(dǎo)學(xué)生明確用戶的需求是什么，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是什么，明確了用戶的需求、設(shè)計(jì)的目標(biāo)，還要進(jìn)一步明確解決問(wèn)題受到的限制及具體的設(shè)計(jì)任務(wù)。然后，教師將學(xué)生分成不同的小組進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，并設(shè)計(jì)初步的問(wèn)題解決方案。再經(jīng)過(guò)數(shù)輪方案的刪選和優(yōu)化，最終形成成熟的設(shè)計(jì)方案。②項(xiàng)目管理。從項(xiàng)目管理的角度分析，項(xiàng)目的實(shí)施包括明確項(xiàng)目目標(biāo)、制訂項(xiàng)目計(jì)劃、項(xiàng)目進(jìn)度管理及項(xiàng)目評(píng)價(jià)等。教師運(yùn)用項(xiàng)目管理手冊(cè)，對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行指導(dǎo)和記錄。

反思分析：明白“做什么”和“怎么做”是工程項(xiàng)目成功的前提，將項(xiàng)目管理的理念引入到STEAM工程項(xiàng)目中有助于項(xiàng)目的順利實(shí)施和評(píng)價(jià)。項(xiàng)目的實(shí)施往往需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作，因此，教師對(duì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和領(lǐng)導(dǎo)力的培訓(xùn)以及對(duì)小組項(xiàng)目管理能力的培養(yǎng)就顯得至關(guān)重要了。

4.制作、測(cè)試和展示

①模型制作。學(xué)生在電腦上3D繪圖，依次進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件、焊接接縫、繪制凳面和靠背、渲染上色，最后進(jìn)行3D打印。②測(cè)試。學(xué)生設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)不同工況下凳子的承重和穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。③展示。對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行展示，并且說(shuō)明設(shè)計(jì)意圖。④優(yōu)化。再次分析研究凳子的結(jié)構(gòu)受力情況，對(duì)凳子結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。⑤產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。學(xué)生和學(xué)校桌凳維修人員聯(lián)系，結(jié)合自己的設(shè)計(jì)方案對(duì)教室凳子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，并且進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估改良效果。⑥產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)。學(xué)生按小組設(shè)計(jì)一份產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，對(duì)產(chǎn)品特性進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

5.拓展任務(wù)

教師提出任務(wù)：結(jié)合學(xué)生課桌凳子的發(fā)展歷史，設(shè)計(jì)一款各自心目中理想的學(xué)生課桌凳子，并說(shuō)明這款凳子與目前教室里的凳子相比，在結(jié)構(gòu)、功能或心理體驗(yàn)上有哪些進(jìn)步之處，請(qǐng)結(jié)合設(shè)計(jì)三要素加以說(shuō)明。

反思分析：從技術(shù)史觀的視角，結(jié)合用戶的需求，分析各類(lèi)課桌凳子的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出自己的設(shè)計(jì)方案。研究技術(shù)發(fā)展路徑，拓展學(xué)生技術(shù)文化視野，幫助學(xué)生梳理創(chuàng)新的路徑，養(yǎng)成學(xué)生復(fù)雜問(wèn)題解決能力和創(chuàng)造力。

6.總結(jié)和評(píng)價(jià)

在活動(dòng)過(guò)程中，學(xué)生要將自己的階段性成果記錄下來(lái)，作為過(guò)程性評(píng)價(jià)的一部分。項(xiàng)目結(jié)束，學(xué)生還要對(duì)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的表現(xiàn)進(jìn)行組內(nèi)互評(píng)。項(xiàng)目展示環(huán)節(jié)組長(zhǎng)和教師要對(duì)設(shè)計(jì)作品進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜合多種評(píng)價(jià)形式，按照一定的權(quán)重，教師遴選出優(yōu)秀作品進(jìn)行展示，并且對(duì)表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生進(jìn)行表彰。

啟示

1.多學(xué)科融合

STEAM教學(xué)最大的特點(diǎn)就是運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)綜合解決問(wèn)題，這樣的教學(xué)模式對(duì)教師素養(yǎng)提出了很大的挑戰(zhàn)。我國(guó)當(dāng)下普遍采用分科教學(xué)模式，學(xué)科教師的跨領(lǐng)域教學(xué)能力有待提高，而且，現(xiàn)行的管理制度不適合跨學(xué)科教師的合作教學(xué)，所以，嘗試多學(xué)科教師共同備課、授課、開(kāi)發(fā)STEAM課程，多學(xué)科教師對(duì)課程進(jìn)行多視角評(píng)價(jià)，有助于提高STEAM教學(xué)質(zhì)量。

另外，培養(yǎng)面向STEAM教學(xué)的教師也迫在眉睫。面向STEAM教學(xué)的教師必須具備多學(xué)科背景綜合素質(zhì)，學(xué)校的校本培訓(xùn)可以制訂有針對(duì)性的培養(yǎng)計(jì)劃。

2.STEAM教學(xué)環(huán)境

STEAM教學(xué)環(huán)境要能夠支持學(xué)生認(rèn)知建構(gòu)發(fā)展，設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)造力的生成，還要保障項(xiàng)目的順利實(shí)施。所以，STEAM教學(xué)環(huán)境應(yīng)該擁有學(xué)生在設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)的認(rèn)知建構(gòu)支持系統(tǒng)、社會(huì)支持系統(tǒng)、項(xiàng)目支持系統(tǒng)（如下表）。

3.設(shè)計(jì)思維與創(chuàng)新

設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)是STEAM課程培養(yǎng)學(xué)生高級(jí)思維能力的首要目標(biāo)。設(shè)計(jì)思維讓學(xué)生明白他們要解決什么問(wèn)題，為什么要解決這個(gè)問(wèn)題，以及怎么去實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)思維充分顯現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)的流程思維，同時(shí)，它也解決了創(chuàng)新的問(wèn)題，創(chuàng)新的實(shí)質(zhì)無(wú)非是解決新問(wèn)題或用新方法解決問(wèn)題，設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)有助于學(xué)生找到打開(kāi)創(chuàng)新之門(mén)的鑰匙。

4.Web環(huán)境搭建

STEAM課程需要搭建開(kāi)源的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)。在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生可以提高其自主學(xué)習(xí)的能力，也可以運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行資源獲取、交流、展示和評(píng)價(jià)等。教師也可以在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)上分享教學(xué)資源，實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，對(duì)學(xué)生過(guò)程性學(xué)習(xí)進(jìn)行可視化評(píng)價(jià)等。網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)也為學(xué)生的合作搭建了新的平臺(tái)。

5.項(xiàng)目管理思維

STEAM教學(xué)項(xiàng)目的周期往往較長(zhǎng)，在兼顧整個(gè)課程目標(biāo)的過(guò)程中，還要兼顧各個(gè)階段不同的小目標(biāo)，所以，在課程實(shí)施過(guò)程中有可能出現(xiàn)管理混亂的情況。項(xiàng)目教學(xué)法為我們提供了解決上述問(wèn)題的較好的解決方法。STEAM教學(xué)實(shí)施過(guò)程就是一種項(xiàng)目學(xué)習(xí)形式，只不過(guò)STEAM教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容和概念支持系統(tǒng)上做了進(jìn)一步的明確。

結(jié)語(yǔ)

STEAM教學(xué)理念在具體教學(xué)實(shí)踐中的實(shí)效性還需要進(jìn)一步加以驗(yàn)證。本研究只是對(duì)STEAM教學(xué)理念的初步嘗試，還有很多亟待完善的地方，希望這個(gè)案例能夠?qū)Υ蠹业慕虒W(xué)工作有所啟示。

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