Steam教育理念下的科學拓展性課程改進策略

陳夏

摘 要：Steam教育理念指導下的科學拓展性課程不但能提高學生的科學素養，還能解決多學科融合的復雜問題。用Steam理念改進拓展性課程需要注意通過創設情景明確任務，注重多學科知識的融合，在項目和問題驅動的學習方式下，學生學習方式轉變為主動學習和模仿，方案設計和產品要不斷改進和打磨，最后要注意解決方式的多樣性和評價方式的多元化。

關鍵詞：Steam教育理念;科學素養;解決方式

在以往的科學拓展性課程中，我們主要立足于科學教材，動用校內外資源，為學生打造一個開展課外實驗的平臺，以達到提高學生科學素養的目的。在活動開展的過程中，我發現要解決生活中的問題常常需要用到除科學以外的其他知識。于是在接觸了Steam教育理念以后，我萌發了用Steam教育理念改進拓展性課程的想法，并做了一些嘗試。

雞蛋撞地球是初見于20世紀80年代英國科促會青少年部組織的青少年科技活動，利用生雞蛋、降落傘材料、緩沖包裝材料等制作裝置使雞蛋撞地而不碎。后由香港數理教育學會的老師引入香港并在中小學生中開展;至90年代初，上海中國福利會少年宮將其進一步改進，并在上海青少年中組織開展，受到青少年的歡迎;其后，廣州物理教學研究會的老師又在廣州組織青少年進行“雞蛋撞地球”比賽，吸引了眾多青少年愛好者參加。至此，雞蛋撞地球活動就常見于各類學校的第二課堂。我校也曾將作為科技節活動的一個評比項目。其具體做法是：直接告知實驗規則，設計并制作一個保護裝置，要求生雞蛋從高空（教學樓四樓）扔下不破，且落在投放位置。材料自選，自己動手制作成品，于規定日帶回學校比賽。

為了將這一活動設計成符合Steam教育理念的拓展課，我將活動的開展方式調整如下：

一、巧設情景，拋出問題

在雞蛋撞地球的活動中，我截取了一段電影片段，宇航員乘坐太空艙返回地球，讓學生直觀感受到這是一個高速的、不斷和大氣摩擦的、驚險歷程。接下來展示楊利偉返回地球的首張照片，增強代入感，拋出問題：楊利偉從太空帶回了第一手的科研資料，現在要乘坐太空艙安全返回地球，在太空艙的設計上我們需要考慮哪些問題？說一說你的科學依據是什么？

學生根據已有知識可能會回答材料要耐高溫、夠厚、速度盡量慢些、加保護裝置等。

教師引導：如果我國的宇航員著陸在美國的國土上，是否會引起國際紛爭？我們現在大力提倡節約環保，在太空艙的制作上需要注意些什么？

學生馬上領悟，落地點要在中國的某個無人區，太空艙最好可回收利用，在保障安全的情況下耗材要少。

老師歸納后提出項目要求：今天我們用一個生雞蛋來模擬楊利偉，請各小組合作，設計一個保護裝置模擬太空艙，材料不限，要求裝置從4樓拋下，雞蛋不破，距離落點越近（直徑一米的圓圈），裝置越輕者獲勝。

Steam課程是要解決生活中的問題，熟悉的情境，真實的問題最能引發學生的興趣。我通過再現生活中真實發生的、能引起學生共鳴的場景，把學生引導到太空艙設計的項目上，再以問題為導向，讓學生自發提出項目需要滿足的要求。學生參與度大大提高。

二、深挖素材，注重多學科知識融合

不同于以往切入點小，問題簡單的科學探究活動，基于項目為導向的探究面臨更復雜的問題，需要綜合運用多學科知識和技能。我們平時的學習受學科和章節的影響，人為將知識割裂。Steam教育講求多學科融合，STEAM代表科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）、數學（Mathematics）。

在該理念指導下，我仔細分析了雞蛋撞地球這個項目，運用到了延長緩沖時間的科學原理，不同形狀牢固程度不同，所需材料數量不同的數學原理，選擇不同材料并組裝成成品的工程與技術問題……

按照這個思路，我在后面的拓展課程主題設置上，注重學科整合。如制作走馬燈，燈為什么能轉動，包含了哪些科學原理，怎樣剪裁和拼接，涉及哪些技術問題，美化和裝飾屬于藝術范疇，用電子元件代替蠟燭作為動力的設計則包含了工程設計的理念;看似簡單的吹肥皂泡活動，也被設計成幾個課時，第一課時原理探究“能不能吹一個方形的肥皂泡？”“肥皂泡的顏色”“比一比誰的肥皂泡大？”“誰的泡泡塔層數多？”第二課時“如何讓泡泡吹得更大？探究最佳溶液配比”。第三課時，調查研究市面上的吹泡器，配比、價格，算一算經濟賬，分析最受歡迎的產品特點，寫一份調查報告。

三、項目驅動下的體驗式學習和不斷改進措施

平時的科學探究是基于已有的知識和經驗，在老師的引導下，學生提出問題，建立假設、設計方案、收集證據、得出結論、評價交流。整個活動以問題驅動和實驗設計為核心，學生動手動腦合作完成實驗。一般是驗證性實驗，很少要求生產出成品。而Steam理念指導下的探究，由項目驅動，以學生自主學習為主，通過體驗來學習。工程設計是核心，任務模糊，但是要求有明確的結果，生產出成品。

雞蛋撞地球活動，涉及沖量的概念，初中生對此比較陌生，我也并沒有補充講解沖量的原理。學生根據生活經驗，比如水果外面包裹塑料網防撞傷，聯想到給雞蛋包裹一個防撞的材料，或者給雞蛋加降落傘讓速度減慢。要充分肯定學生從生活中學習到的智慧，即使他并不明白背后蘊含的科學原理。我簡單告知他們，減速和緩沖兩條思路都是正確的，這里用到了沖量的科學原理，大家可以去查閱相關資料。具體方法可以多樣，比如裹塑料泡沫可以增強緩沖能力，那么還能用別的材料，或者別的形狀來提高緩沖能力嗎？

在走馬燈的設計中，我直接播放了《櫻桃小丸子》走馬燈一集的片段，讓他們觀察、思考走馬燈的工作原理是什么。在沒有任何知識儲備和生活經驗的情況下，模仿是學習的第一步，然后才有改進。

項目的實施，不可能是一蹴而就的。產品的設計也需要不斷打磨和改進。在雞蛋撞地球的活動項目中，我們就分了三個階段：

第一階段提出問題。各小組分工合作，根據生活經驗設計圖紙，按照圖紙和給定的材料（我提前提供了一些材料：氣球、A4紙、竹簽、棉線、透明膠、礦泉水瓶、塑料袋）組裝完成自己的裝置，初步進行測試和反饋。實驗結果十個一小組，有三組未在規定時間內完成，有一組還未進行比賽雞蛋就破裂了。剩下參與比賽的六組雞蛋破裂的有四組，有兩組雞蛋完好但是均未能入圈。（因為時間問題，第一次課倉促結束沒來得及交流與評價）

第二階段：第二次課，大家吸取了上一次比賽的經驗教訓，幾乎沒有人采用氣球和降落傘，因為落點不準。設計主要集中在減震裝置上，有用紙盒加泡沫的，有用竹簽做成三棱錐的，有用兩張A4紙卷成圓錐。里面塞泡沫的，還有用兩個塑料袋充氣保護的……據說是網上查閱過資料，明顯比第一次的設計豐富多了。根據測試結果，還是出現了一些意外，比如三棱錐的竹簽斷了、A4紙做的圓錐重心不穩，側翻了……根據實驗結果，再次討論、修改、設計出可行性方案。

第三階段：第三次課，正式比賽。最后的作品在安全性和準確度方面都有加強，用泡沫紙盒和竹簽的各占一半。

走馬燈設計也是分了多次課，先用紙杯和蠟燭仿造一個走馬燈，再用扇面、扇葉組裝法做一個走馬燈，同時要求扇面設計美觀。第三次課用電力代替風力設計組裝走馬燈，由于課時所限該項目并未來得及實施。

四、解決方案的多樣性和評價的多元化

Steam教育理念下的探究，要求產生明確的結果，這個往往被理解為成品，但是我認為不能狹義地把成品理解為產品。它可以是一個作品，一份調查報告，這樣的成果和過程與方法同樣重要。在雞蛋撞地球的活動中，我只注重了最后結果的評價，忽略了過程和方法，其實每個孩子在這個項目學習中都有收獲和提高。

于是我認真反思，我們的評價方式應該更開放，更具個性化。要將學習者作為一個自主的人，對他的真實學習活動進行描述，隨時記錄下活動過程中的突發狀況，以及復雜的環境對個人評估的影響。學生的科學精神、創新能力和合作能力應是重點考核指標。評價的方式可以是口頭點評、活動記錄表、研究日志、作品展覽等，既有過程性評價，又有總結性評價，還有發展性評價，將一個全面而系統的評價體系貫穿于整個教學過程。

Steam課程不但能提升學生的科學素養，還為學生認識世界建立了一座消除學科障礙的橋梁，它將知識的獲取，方法、工具的使用以及創新的過程進行有機統一是大勢所趨。目前我國Steam課程的設置和開展均處于摸索階段。經過嘗試，我認為用Steam教育理念改進科學拓展性課程是切實可行的，也是有效的。當然，因為個人能力有限，也存在一些遺憾，如果能整合其他學科的老師一起來完成主題設計和活動指導，引進校外的3D打印、機器人或創客教育資源，我們的課程會呈現更高的水準和更佳的效果。

參考文獻：

趙呈領，趙文君，蔣志輝.面向STEAM教育的5E探究式教學模式設計[J].現代教育技術，2018，28（3）：106-112.