STEAM教育與傳統文化在物理教學中的結合

林馨郁 符宇萌 王汐檸 葉晴瑩 溫永銀

摘? ?要：發展STEAM課程是當前時代背景下的重點方向之一。將STEAM理念中的6E設計型學習模式與傳統文化在初中物理教學中相結合并形成范式，并以傳統文化中的“走馬燈”為例，結合案例作為教學設計進行了展示，有效促進學生物理學科核心素養的發展。

關鍵詞：傳統文化;STEAM教育;6E設計型學習模式;走馬燈

1? STEAM教育與傳統文化結合的背景

在全球化、信息化這個宏觀背景下，隨著時代的進步，科技的繁榮創新，各個國家都在開始思考，究竟什么樣的教育能夠培養出未來在各領域都有所建樹的高端人才？我國作為擁有五千年歷史文明的古國，古代器物中蘊涵著豐富的科技成就，其中很多可以作為優秀的課程資源來加以利用和開發。我們不僅要了解中國的歷史文化，還要睜眼看世界，了解世界上不同民族的歷史文化，去其糟粕，取其精華，從中獲得啟發，為我所用[ 1 ]。STEAM教育起源于美國，指的是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）、數學（Mathematics）相融合的教育。它不僅僅提倡學習這五門學科，更提倡的是一種新的教學方式。強調在綜合項目中，學生可以通過實踐和獨立思考來設計作品或解決問題，從而提高學生的動手能力和思維素養。如若在實際教學時，將傳統文化中的一些科技產物作為STEAM設計性學習模式中需要探究構思的項目，如竹蜻蜓、公道杯、欹器、走馬燈等等，并融入STEAM教育中的6E設計型學習模式，用中國古人的智慧帶領學生進行物理探究，不僅能潛移默化的進行知識的傳授，提高學生的學習興趣，而且還能增強學生未來在國際上的核心競爭力，提高學生的文化自信，可謂是一舉多得。

2? 6E設計型學習模式與傳統文化形成的范式

6E設計型學習模式是美國國際技術與工程教育學會于2014年提出的落實STEM教育的活動模式，包括六個環節：參與、探索、解釋、工程、深化、評價[ 2-3 ]。六個環節與中國古代先賢設計的器物結合范式如下：

（1）參與（Engage）環節：教師通過展示中華文化中的民族智慧的結晶產物并告知學生學習任務，通過提問使學生回憶起解決本節課的任務所需的前概念，建立起知識的連接。激發學生學習興趣和學習動機，吸引學生參與教學活動中。

（2）探索（Explore）環節：介紹古代科技產物的建模過程，學生以小組合作的形式直接參與科技產物的構建，構建的基本原則是可行、材料易獲取、環保等。整個過程中，教師應給予適當的指導，使學生在自我構建出古代器物的同時，提高課堂的效率。

（3）解釋（Explain）環節：學生通過參與環節中有關知識的回顧，能夠運用知識去解釋探究過程及探究得出的產物。以此反思并細化所學知識，學會學以致用，將所學過的知識與具體的古代器物更好地聯系起來。

（4）工程（Engineer）環節：教師提供給學生器物制作所需要的相關資源，確保每一個學生都能參與到項目的制作中。學生在探究過程中學習，對制作出來的古代器物進行不斷的測試。并能夠提出系統的改良設計方案。

（5）深化（Enrich）環節：教師通過向學生引入新的更多維的制作活動，引導學生將所學知識應用到更廣泛的工程設計中，使教學源于傳統文化，又不限于古代的思想，而是結合現代大膽創新，以此促進學生對知識的深度理解。

（6）評價（Evaluate）環節：教師利用過程性評價及總結性評價對學生制成的產品以及整個探究學習過程進行評價，評價的目的是促進學生的學習，讓學生了解自己的不足，及時調整，以便更好的學以致用。

6E設計型學習模式將“科學探究”思維和“工程設計”實踐相結合，讓學生在真實情景中運用跨學科知識解決實際問題或挑戰性任務，是落實STEAM教育的有效課堂設計模式[ 4 ]。

3? 基于6E模式與傳統文化相結合的初中物理課堂可行性分析

《義務教育物理課程標準（2011年版）》提出從生活走向物理，從物理走向社會這一基本理念。旨在讓學生體會到生活中處處是物理，而物理又時時聯系著生活，培養學生運用物理知識分析、解決生活中的實際物理問題的能力。而中國古代先輩發明的走馬燈，是燈籠的一種，歷經兩千年而不衰，以探究走馬燈的原理為出發點，讓學生回顧初中各章所學的知識，并將知識用于解釋生活中的走馬燈，輔以傳統的人文涵養熏陶，讓學生能切實體會到中華文化的內涵。

新課標同時指出：“科學探究既是學生的學習目標，又是重要的教學方式”。新課程標準倡導探究式教學模式，旨在擺脫以教師為中心、以課程內容為目的的傳統教學模式，注重學生智力的開發，注重學生創新思維的培養，培養學生自主學習能力和創新能力，形成以學生為中心、科學素養為目標的體驗式實踐教學新模式[ 5 ]。這與STEAM教育理念中的6E模式不謀而合，可見在初中物理教學中融入6E模式和傳統文化是完全可行的。

4? 基于6E模式的傳統文化教學設計

教學活動需達成的目標（見表1）

具體教學環節如下：

環節1：參與

【教師活動】

（1）情景創設：介紹走馬燈歷史：興于秦漢，成熟于唐宋，由皇家漸漸流入民間，此后作為節令玩具在民間廣為流傳，燈內物換景移，畫影流轉，故喚作“走馬燈”。并展現各式各樣的走馬燈圖片，讓學生感受到傳統文化之美，如圖1所示。

（2）提出問題：回憶之前所學過的知識，思考走馬燈的原理是什么？從走馬燈身上你能看到什么現象？

（3）明確任務：提出制作出一個簡易走馬燈的活動任務。

【學生活動】

（1）參與課堂，觀看照片，感受走馬燈之美。

（2）分成若干小組，合作復習舊知識，為接下來的環節進行準備。

【設計意圖】

通過走馬燈來源歷史的介紹，激發學生的學習興趣和好奇心，培養學生文化自信，通過提問確定制作走馬燈這一目標。

環節2：探索

【教師活動】

（1）介紹走馬燈模型，引導學生拆分走馬燈，分析走馬燈構成，如圖2所示。

（2）鼓勵學生進行頭腦風暴，引導學生進行簡易的方案設計。

（3）在學生天馬行空的構想中，教師需要給學生一定程度的指導，確保任務可行易操作。

【學生活動】

（1）對走馬燈模型進行拆解，分析各部分的功能和作用。

葉輪：轉動機械

火焰籠：外觀造型

支架：支撐

輪軸：使葉片轉動

蠟燭：提供熱量

吊飾：裝飾

（2）在可行、環保、易獲取原則的指導下，學生對走馬燈進行設計。

（3）利用作圖軟件將小組設計的走馬燈進行呈現，并在一旁注明自己對走馬燈外觀的設想，包括大小，形狀，外觀造型，所用材料等等。

【設計意圖】

學生在明確目標之后，通過小組討論，自我探究等模式來設計走馬燈方案。同時讓學生自我設計走馬燈外觀，在感受傳統文化之美的基礎上提出自己視角中走馬燈的美，近一步提高學生自我探究的興趣，培養自信心。

環節3：解釋

【教師活動】

（1）教師組織各個小組上臺分享自己的設計思路和方案，以及涉及到的學科知識，鼓勵學生大膽地將學過的知識解釋走馬燈的原理，并在原理解釋的基礎上對走馬燈進行進一步的擴展：走馬燈上還有什么規律和現象？

（2）通過學生前概念與實際案例的結合，了解到學生對原理掌握的情況與不足，并培養學生用理論知識解釋實際問題的能力。

【學生活動】

（1）學生展示對于走馬燈的構想，并通過所學知識進行解釋：當走馬燈內的蠟燭被點燃，周圍的空氣分子運動會更加劇烈（分子的熱運動），空氣分子會膨脹，繼而向上運動（密度），吹動走馬燈葉片，使走馬燈旋轉（內能做功）。

（2）走馬燈旋轉起來時，燈內的吊飾會投影到墻壁上放大（光沿直線傳播），當走馬燈旋轉速度增加，火焰籠上的圖案運動了起來（視覺殘留效應）。

（3）各小組進行方案比較，相互完善，彼此探討。

【設計意圖】

學生通過闡述自己對于走馬燈的設計構想和走馬燈中涉及的各種知識，充分暴露自己的認知水平，教師可以根據學生的回答針對性的進行因材施教。

環節4：工程

【教師活動】

（1）在學生設計的各種方案中，選擇一個操作簡單，可行性高，環保的項目進行動手操作（紙杯走馬燈，如圖3所示）。

（2）提供材料：一次性紙杯、蠟燭、水彩筆、鐵絲、美工刀、打火機。

（3）學生制作時，教師進行巡視，給予指導和建議，并確保實驗安全。

【學生活動】

（1）運用在上一個環節中總結的理論進行制作，將設計的各種走馬燈模型轉換為實際的紙杯模型。

（2）將制作好的紙杯走馬燈進行性能測試，分析失敗的原因：沒有找到上紙杯的重心、葉片數量沒把握好等等。

（3）根據測試結果，檢測調試、迭代優化。

（4）將紙杯型走馬燈調試過后的數據進行應用（鐵絲長度、上紙杯的高度、葉片數量等）創作出科學可行易成功的走馬燈，如圖4所示。

【設計意圖】

讓學生動手進行操作，將學過的理論知識應用于實際，培養實際操作能力，在工程的基礎上，加強對物理知識和數學知識的理解。

環節5：深化

【教師活動】

（1）在掌握了紙杯型走馬燈原理的基礎上，指導學生將自我設計的方案進行可行性改進。

（2）引導學生根據自我的方案創作出新的走馬燈，讓學生在新產品中將技能和知識進行遷移。

【學生活動】

（1）小組成員對方案進行改進和升級，每組成員在力所能及的基礎上購買新型走馬燈的材料。

（2）充分交流和討論，再次體會工程設計的過程，制作新型走馬燈，如圖5所示。

【設計意圖】

在本環節，教師通過提升任務的難度，引導學生進行知識的延伸與擴展，并啟發學生制作多種類型的走馬燈，開發學生的創新型思維。

環節6：評價

【教師活動】

（1）針對不同環節，采用形成性評價：

參與：是否積極的參與課堂。

探索：設計方案是否滿足可行、環保、易獲取等原則，呈現的圖像是否契合實際。

解釋：解釋時是否能提出走馬燈中蘊涵的知識。

工程：是否能構建出走馬燈模型，是否美觀。

深化：是否在紙杯型走馬燈基礎上做出更多走馬燈模型，是否能將走馬燈根據數據進行升級。

（2）總結性評價：對產品進行評價。評價標準依據：創新、美觀、可重復、環保等。

【學生活動】

（1）組內互評：對小組成員的參與度、貢獻度進行匿名評價。

（2）組間互評：小組間互相觀摩彼此的最終產品，對產品進行評價。

（3）自我評價：對自我是否進步，是否收獲了更多知識與技能進行評價。

【設計意圖】

以評價促發展，以評價促進步，通過評價進行交流反思，讓學生了解自己的不足，及時改正，促進知識與技能的提升。

參考文獻：

[1] 習近平. 在中央黨校建校80周年慶祝大會暨2013年春季學期開學典禮上的講話[J]. 理論視野， 2013（3）： 5-8.

[2] 蘇貢國. 基于STEAM教育的初中物理教學實踐[J]. 中學教學參考， 2020， 38（23）： 44-46.

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

[4] 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（6）：64 -70.

[5] 嚴文法， 蘆瑾， 金普軍.基于6E設計型學習模式的STEAM活動設計—以青銅器文物除銹為例[J].化學教學，2018， 380（11）： 63-67.

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