基于“脑靶向教学法”的STEAM课程的实施策略——以《百变投石机》为例

□ 项 珍

约翰·霍普金斯大学教育学院院长玛利亚·哈迪曼创立的“脑靶向教学法”在认知发展理论的基础上融入了脑科学、神经科学和学习科学领域的研究成果。它基于科学，落脚于艺术，有六大目标：好玩、新鲜、全局、强化、实践、多元，以期真正破解“激发学生的兴趣”“让学习有效且持久”的难题。

STEAM教育就是集科学、技术、工程、艺术、数学于一体的综合教育。它倡导将各个领域的知识通过STEAM课程结合起来，让学生在综合的环境中学习，在项目活动中应用多个学科的知识解决问题。

由此可见，在STEAM课程中运用“脑靶向教学法”，通过《百变投石机》等项目的学习和探究，探索无边界课程的实施路径，提升学生的科学素养，培养学生的科学思维和创新能力。

一、创造积极情感体验——好玩

华中师范大学杨丽华教授在《“脑靶向教学法”的六个“脑目标”》一文中提出：据神经科学研究显示，大脑的边缘系统是人类产生情感的反应区域，不良的情绪反应是导致边缘系统不肯向认知中心伸出“橄榄枝”的原因之一。相反，积极的情绪体验会促使大脑产生某些化学物质或神经递质，有助于神经元的连接和巩固长期记忆。

因此，教师要积极创造良好的课堂氛围，促使学生产生积极的情感体验——好玩。以《百变投石机》为例，在导入环节，教师利用自行设计的小型派送机，准确地将糖果派送至一位学生面前，由此引发“投石机”的话题。投石机是儿童比较感兴趣的一种玩具，部分学生通过乐高积木或者机器人课程的学习积累了类似经验，但对于它的工作原理却很少研究。教师通过创设情境，激发学生的学习兴趣，把教学目标变成学生的学习需要。这也成为STEAM课程有效的起点。

二、创造良好物理环境——新鲜

玛利亚·哈迪曼在创造良好的物理环境中提出，可以通过照明、声音、摆设等创造出与以往不一样的感觉，让学生觉得有趣、新鲜，来激发学生主动探究的欲望。

在《百变投石机》学习中，教师积极营造新鲜的环境氛围和真实的问题背景。首先，研究小组由学生自己命名并通过席签公示，如牛顿组、爱迪生组、钱学森组、祖冲之组、张衡组等。浓浓的科学研究氛围，激发了学生参与、合作、分享和创新的主动性和积极性。其次，要求研究小组完成一件真实作品——投石机。问题背景的真实性是指建立在真实需要基础上的，这种真实性更容易被学生理解和接受，更容易让学生快速“入境”。因为有了真实的问题背景，学生立即与自己的经验产生联结，产生了解决问题的兴趣与需要，学习就自然发生。

三、设计体现整体概念——全局

“脑靶向教学法”认为课程设计要遵循大脑神经元“相互连接、一起激活”规律，体现整体概念，由此勾画知识大图景，促进学生对概念的深层次理解。

教师在《百变投石机》的课始就出示大型投石机的图片并设置投掷任务，要求学生利用已经掌握的杠杆原理制作投石机，以投准为要求从而对投石机加以改进，以实现投石机的投准功能。这样，就帮助学生把目前所学的知识嵌入到已有的知识网络中，加强学习活动之间的联系。投石机是利用杠杆原理制作的抛射石弹的人力远射兵器，它的支撑点在杠杆的1/8或1/9处，比数越大，用的力量和达到的速度就越大，相对的石头的重量就越小。如果教师直接将投石机的秘诀传递给学生而未经运用，神经元之间的强劲连接也就无法形成，新知识只是一种“过眼云烟”。

因此，教师紧紧抓住核心问题，并将核心问题分解成几个小活动、小问题，引发学生发现问题，提出问题，有层次地推进。具体如图1所示。

图1 反馈评价层次性示意图

教师要求以桌子的一端为起点，用自制投石机将糖果投射进桌子另一端的水槽内。学生每人操作投石机三次，用图示法记录糖果投射的第一落点位置。教师针对学生投射记录就“三次有一次投中的”“第一次就投中的”两个问题进行调查统计，发现大部分学生自制的投石机能做到“三次有一次投中的”，但只有少数学生能做到“第一次就投中的”。教师就此提出核心问题“影响投石机投中目标的因素”，使学生明确自己的任务目标。接着，教师引导学生从橡皮筋的数量、用力的大小、支架的高度、支点的位置等方面对投石机进行调整和改进。教师在引导学生解决问题的过程中充分理解学生思考和学习方式，以新融旧，即将新的知识点整合到学生既有的知识网络中，使学生获得了成功的喜悦。这种积极的情感体验强化了他们完成任务的愿望，促使学习真正发生，刺激更深层次的学习的发生。

四、多种手段反复演练——强化

哈迪曼指出：“大脑必须经过反复的、强烈的信息输入的刺激，才能形成永久链接。为此，对于同一基础概念，学生必须一练再练，教师能做的就是提供不同的学习活动，以避免枯燥和效率低下。”

大多数学生都认为投石机的投射距离与力量有关，却忽视了橡皮筋的作用。教师通过投射演示，引导学生关注橡皮筋的弹力和投射距离有关。但是该如何证明呢？

在解决任务的过程中，教师并没有规定制作投石机的材料和方法，而是以开放的方式，期待探究过程和结果能百花齐放。教师建议每个学生投射三次，记录投射落点位置，进行数据分析，归纳投石机的工作原理，以调整和改进投射方法。无论是学生自己投射，还是观看他人投射，每一次投射都是一次演练，学生通过记录投射数据、求平均值以及分析数据等方式，促使大脑不断重组、修改和加强神经元之间的连接方式和程度，既保持前后知识的连贯性，又产生了新的认识，加深学生对科学概念和科学探究的理解，促进工程问题的解决。通过实验的方法使观察更仔细，数据更准确，思考更深入，设计更严谨。解决任务的过程成为人人参与、人人记录、人人观察、人人思考、人人动手的过程。学生通过小组合作，不断尝试，反复练习。学生练习的次数越多，使用的方法越多，越有利于同一概念信息被处理和加固，更新已有知识网络，创新认知模式。

五、促进对知识的应用——实践

“脑靶向教学法”认为，因为不同脑区之间是互相对话、互相连接、互相影响的。知识获取只是有效教学的第一步，学生只有将知识应用于实践，通过高阶思维完成解决问题的任务后，才算是真正掌握了知识。

在学生研究投石机弹力与投射距离的关系后，教师播放了微视频《愤怒的小鸟》，又出示了四种不同材料、不同类型的投石机的图片，学生以小组合作的方式研究这些投石机分别靠什么力量投石。学生通过观察，模仿图示选用不同的材料，制作不同结构、不同用途的投石机，从而发现“投石机可以运用重力、拉力、物体本身的弹力等投射物体，而投石机的材料和结构差异是产生不同力量的因素”（见图2）。

图2 不同材料、不同结构的投石机

实践出真知。学生制作一架真正符合要求的投石机，需要调动和学习关于科学、技术、工程和数学的背景知识，用适当的方式将新获得的知识与技能运用到问题解决的过程中去。实践激活了大脑各脑区之间的对话，将学习活动推向深入，促进学生对知识的运用，培养了学生综合学习的能力和解决问题的能力，锻炼了学生更高阶的认知能力。

六、实施全程学习评估——多元

“脑靶向教学法”认为，评价与学习过程同等重要，每个阶段都包括学习评估，尤其是即时评价可以增强学生的记忆和学习效果。因此，STEAM课程的评价应贯穿教学活动的始终且形式多元，既要关注知识技能的习得，也要关注过程的若干要素，如开放式的问题解决方案、活动指导及评价要素等。

以《百变投石机》为例，教师根据STEAM课程的要求提早设计了评价量表。学生在讨论设计方案前，先认真阅读所给的评价量表，用量表中的评价标准去指导自己的设计，就此明确活动任务和评价标准（见表1）。

表1 “投石机”设计制作的评价量表

从表1可见，《百变投石机》的评价方式多元化。例如，每个小组会领到一张材料清单，如使用过某种材料，则写明数量；如未使用，则写0；如使用了不在提供范围内的其他材料，也须注明。通过了解活动所需材料的成本，帮助学生形成控制工程成本的意识。该评价表既有对投石机稳定度、准确度、创新度、美观度的整体评价，也有对制作投石机成本及性价比的单项评价，更包含提升学生设计文案和演讲汇报等能力的综合评价。在竞赛和比较中增强学生科学探究的兴趣与信心，提升鉴赏能力。

当然“脑靶向教学法”对传统类型的评估进行了扩展，除了使用口头和书面的评估、测量量表、学生成绩和反思外，还可以通过艺术手段建立评估方式，如表演、展览等。

“脑靶向教学法”，是通过对“大脑如何学习的”研究形成的一种新型教学法，破解了“激发学生的兴趣”“让学习有效且持久”的难题。基于“脑靶向教学法”的STEAM课程，充分把握了小学生的学习特点和需求，将知识与技能、理解与实践很好地结合在一起，通过项目式学习激发学生的创造性和积极性，进一步诠释了STEAM课程跨学科、趣味性、体验性、协作性、设计性、实证性等核心特征，有效地提升小学生的综合素质，达成STEAM课程的教育目标，实现其教育价值。