融合STEM教育的校本課程開發

劉祺 何京妮 武志偉

摘?要：通過梳理已有的STEM課程開發和研究成果，明確了適合我國STEM課程的整合形式，即科-工和科-技整合，再結合我國基礎教育情況進行分析，提出了利用自制教具作為STEM課程開發資源的構想.根據該構想并結合作者的工學本科教育背景，確定使用以工程設計為主軸的6E課程設計模式，以人教版“離心現象及其應用”的自制教具“棉花糖機”為課程設計的主題 ，給出了具體的課程設計案例.

關鍵詞：自制教具;STEM;課程設計;棉花糖機

文章編號：1008-4134（2019）21-0052?中圖分類號：G633.7?文獻標識碼：B

作者簡介：劉祺（1994-），男，四川綿陽人，碩士，研究方向：中學物理教育與科學教育;

何京妮（1995-），女，廣東廣州人，碩士，研究方向：中學物理教學設計與實驗創新;

武志偉（1991-），男，山西大同人，碩士，研究方向：中學物理學科教學.

STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）的概念最早由美國國家科學基金會（NSF）于上世紀90年代提出.科學、技術、工程、數學，相互獨立又相互關聯的學科是科技的基礎，是高素質創新性人才所必備的核心技能，被認為是社會和經濟發展的根本動力，是增強一個國家競爭力的重要手段[1].

STEM教育理論與實踐的研究在我國的高等師范院校間已取得一定的成果，但是成果轉化還不理想.我國在基礎教育階段還沒有建立起完整的 STEM 教育體系，也沒有專門的STEM中學[2].但是，我國愈來愈多的學校開始嘗試開設STEM綜合活動的校本課程，校本課程結合STEM開發課程資源已成為一種趨勢.

本文將從探討適合我國的STEM課程整合形式出發，闡明選擇自制教具作為STEM課程資源的理由，選擇6E課程模式的依據，以及確定“棉花糖”機為課程設計主題的原因，最后給出詳細的課程設計.

1?適合我國的STEM課程整合形式

STEM 整合類型眾多，可指向同時包含兩個或兩個以上 STEM 學科內容的教學活動，較為常見的有科-數整合、科-技整合、科-工整合，以及以項目為“珠”串起數學、技術、科學與工程設計理念的珠-線整合模式[3].我國的基礎科學教育有著良好的科-數整合傳統，但是在科-技整合和科-工整合上存在一定的缺失[4].因此，我國在STEM的整合發展中，重心應向科-技和科-工整合模式傾斜.同時，需要注意的是，科-技整合不只是計算機技術的使用，還應包括實驗技能和通用技術.

2?自制教具是合適的STEM課程資源

從STEM課程倡導的真實問題情景的理念出發，筆者認為物理課程中的自制教具是理想的資源，主要有以下兩個原因：

一是自制教具蘊含了STEM的四個基本組成部分.

教具在設計時就蘊含了基本的科學原理，具有良好的科學性（S）;制作教具又需要制作者擁有一定的通用技術和實驗能力，技術（T）蘊含其中;依據自然科學原理，使用一定的技術手段，達成目標的過程是一個簡單的工程（E）項目;高中物理學習對數學知識要求較高，數學工具的使用貫穿了整個高中物理課堂，科-數（M）整合潛移默化地完成了.

二是以自制教具為STEM課程資源符合我國基礎科學的教育現狀.

就我國中學物理教育現狀來看，不是所有學校都能在STEM課程上投入額外的教學資源.自制教具制作成本較低，可以減少學校額外的教學資源投入.新課改鼓勵物理教師們利用身邊的材料做實驗，這有效地推動了自制教具的發展，大量的優秀案例是理想的STEM課程資源，利用這些優秀案例進行STEM課程設計，可以減輕物理教師的課程開發負擔.

3?課程設計主題和課程模式的選擇

3.1?課程設計主題選擇

“離心現象及其應用”是現行人教版高中物理必修二第五章第八節的內容，課本給出了多個與現實生活聯系緊密的例子.除了課本上的例子外，棉花糖機也是生活中常見的離心現象及其應用的裝置.筆者在一次大學生創新課堂中，展示了自制教具棉花糖機，課堂反響非常好，文史類專業同學也都對實驗現象充滿了好奇，不斷地咨詢棉花糖機的工作原理和制作方法.這正是STEM課程需要的真實而又有趣的問題情境.

當然更重要的是棉花糖機蘊含了STEM的基本組成成分.作為教具，首先其蘊含了物理知識，而且制作過程需要通用技術和實驗技能.因此，該教具的制作可作為一個簡單的STEM項目，供學生運用工程、實驗技術將抽象的科學知識轉化為實際作品.

基于以上兩個原因，筆者選擇棉花糖機為STEM校本課程設計的主題.

3.2?課程設計模式的選擇

6E模式是美國國際技術與工程教育學會 （ITEEA）于2014年提出的設計型學習模式，是近年來廣受推崇的、以工程設計為主軸的課程設計模式[5].該模式主要有6個階段，分別是：1.參與（Engage）;2.探索（Explore）;3.解釋（Explain）;4.工程（Engineer）;5.深化（Enrich）;6.評價（Evaluate）.

根據前文的論述，本文的STEM課程設計的重點整合方向是科-工和科-技方向，因此選用較為成熟的6E課程模式.由于學生在新授課已經接觸了自制教具棉花糖機，形成了一定的思維定勢，所以在工程設計模式的選擇上采用逆向設計模式，順應學生的思維定勢.

4?自制教具棉花糖機的制作

4.1?所需材料

直徑6mm銅管、鋁合金聯軸器2個、標準軸550電機、熱熔膠、電烙鐵等.

4.2?制作方法

（1）在易拉罐上部和下部四等分點打4個孔，下部4個孔用十字型細鐵絲穿過，并在外部預留有一定余量.而上部4個孔，則需要使用V字型細鐵絲對稱交錯排布，同時也應在易拉罐外部預留一定余量，如圖1所示.

（2）銅管下部裝上聯軸器，穿過交叉放置的V型鐵絲中間空隙，確保其在中心位置，隨后收緊V型鐵絲，使得易拉罐懸掛于聯軸器上.針線纏繞后再使用熱熔膠固定V型鐵絲和聯軸器.

（3） 對于預留在易拉罐外的部分鐵絲余量，用4根長細鐵絲連接穿過易拉罐上部和下部，用銅絲固定.連接方式上，下部用電烙鐵焊接，上部用熱熔膠連接.之后，從易拉罐底部開始打小孔，如圖2所示.

（4）在易拉罐中部纏繞散熱銅絲，用電烙鐵焊接，如圖3所示.

（5）使用4根長細鐵絲交錯布置在銅管上部，并使用針線和熱熔膠連接固定，如圖4所示.

（6）用聯軸器連接銅管和電機，置于鐵架臺上，并以串聯電路的形式連接電路.這樣，一個自制的棉花糖機就完成組裝了，如圖5所示.

（7）自制教具蘊含了STEM學科知識.

筆者依據4節課時列出的成功方案以及兩個重點：技術和工程，總結了自制教具涉及的STEM學科知識，見表1.

5?課程設計的教學流程

根據表1的STEM學科知識，使用6E模式進行課程設計.設計重點放在了科-技和科-工兩個整合方向，即教師提出相關核心問題，推動學生完成逆向設計過程.根據課程內容，課程時長為6節，具體教學流程見表2.

6?結束語

要讓STEM課程真正地融入中學的課程體系，不僅需要高等院校研究者的研究與推動，更需要中學一線教師在教學中充分實踐與創新.但是，我們又不能回避一線教學教師工作壓力大、對STEM課程接受度參差不齊、對技術和工程相關知識認知不足的問題.鑒于此情況，我們可以不急于推行對教師綜合能力要求較高的STEM課程，轉而利用我國物理教育積累的優質資源，進行“因地制宜”的STEM課程開發.

在筆者的教學實驗中，該課程難度適中，成功的關鍵因素在于裝置的制作與安裝的精度，學生動手能力與團隊合作能力得到了很大的發展.教師應該重視最后的“深化與評價”環節，尤其是作為課程學習主體的學生的意見，推動課程的循證優化.

參考文獻：

[1]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（04）：2-4.

[2]周禮，章亞楠，朱悅衛等.基于STEM理念的校本課程——以制作“天氣瓶”為例[J].化學教學，2016（10）：12-15.

[3]B. Y. White. Intermediate Causal Models：A Missing Link for Successful Science Education？[J]. Advances in Instructional Psychology，1993（4）：177-252.

[4]唐小為，王唯真.整合STEM發展我國基礎科學教育的有效路徑分析[J].教育研究，2014（9）：61-68.

[5]Burke B N.The ITEEA 6E Learning by DeSIGNTM?Model，Maximizing Informed Design and Inquiry in the Integrative STEM Classroom[J].Technology and Engineering Teacher，2014，73（6）：14-19.

[6]Committee on K-12 Engineering Education.Understanding the Status and Improving the Prospects[M].Washington D.C.：National Academies Press，2009.

（收稿日期：2019-08-10）