融入STEAM理念的物理课程设计

樊燕 杨雨轩 谢丽

摘 要： 在教学中融入STEAM教育理念已成为一种新兴的教育趋势，对提升学生的科学素养和人文素养，培养全面发展的未来公民具有重要意义.在物理教学中融入STEAM 教育理念，应用跨学科知识解决实际问题将有利于发展学生的学科核心素养.本文以物理学科大概念“运动和力”中的“摩擦力”教学为例，依据包含“科学探究”与“工程设计”过程的6E设计型模式，尝试提出课程设计模式，并据此进行课程案例设计，深化学生对概念的理解和掌握，助力创新人才的培养.

关键词： STEAM教育;6E设计型模式;摩擦力;课程设计

文章编号： 1008-4134（2019）23-0038     中图分类号： G633.7     文献标识码： B

20世纪80年代，为保持在国际上的可持续竞争力，美国政府提出了“STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）教育集成”的建议，并将其发展成为国家性教育战略.后来，在STEM教育的基础上出现一种新型教育模式——STEAM教育，这种教育使得STEM教育中注入了情感因素和对美感的追求.新媒体联盟（New Media Consortium）2015-2018年间在《地平线报告（基础教育版）》（Horizon Report K-12 Edition）连续指出：STEAM教育是全球性的科技教育战略，对基础教育有着至关重要的影响.中国教育部于2016年发布《中国学生发展核心素养》报告中展示了中国教育对未来人才的新愿景，也明确了STEAM课程的价值取向.STEAM教育的突破性发展，将不仅回应中国社会经济转型对人才培养的崭新诉求，更将是中国立稳世界强国之列、实现中华民族伟大复兴的教育方案.

1 STEAM教育内涵

STEAM教育发源于美国，是STEM 教育的延伸与发展.2006年开始，A（艺术）这一要素受到越来越多的关注，并逐渐融入到STEM教育中，这种新型教育理念强调了科学学科与人文学科之间的相关性，注重提升学生科学素养和人文素养，培养全面发展的未来公民，自此，STEAM教育成为一种新兴的教育模式，在全球范围内开展起来.Yakman教授对STEAM各要素之间的关系进行了这样的阐述：“我们生活在这样一个世界，对科学的理解离不开技术，而技术又依赖于工程来呈现它的相关研究和发展，如果没有对艺术和数学的理解，就没有工程的创造.（ Yakman，2008）”[1].与 STEM 相比，STEAM教育的内涵更加丰富，不仅能够有效培养学生的逻辑思维、问题解决、创新、合作、激励等能力，还致力于将学生塑造成具有创造和革新精神的全面发展的人，支持学生成为未来的发明家与创造者[2] .

我国基础教育受分科教学影响，学生习得的知识零碎化，缺乏统整性，创新能力与知识迁移能力有所欠缺.虽然新课程改革已明確提出现代教育要注重培养学生的科学观念和核心素养，但在实际教学中教授给学生的知识局限于书本内容，对于跨学科知识、综合性学科知识、基于生活情境的知识等鲜有接触.而蕴含跨学科性与情境性等特点的STEAM教育能弥补我国中学物理教学的缺陷，对培养未来时代所需要的具有批判性和创造性思维、问题解决能力、合作共享能力、社会参与意识等“明日所需素养”的学生具有关键性作用.

2 基于6E的课程设计模式

美国作为推动STEAM课程改革的主要国家，开发了一些相关的课程，积累了许多可供参考的理论和实践经验[3].ITTEEA（International Technology and Engineering Educators Association）于2014年提出的融入“科学探究”与“工程设计” 6E设计型学习模式在近年来备受推崇.如何将6E模式与物理课堂教学相融合？笔者参照 6E模式，以“参与（Engage）”“探索（Explore）”“解释（Explain）” “工程（Engineer）”“深化（Enrich）”“评价（Evaluate）”教学步骤为基础，尝试提出了基于6E的课程设计模式，如图1所示.

3 具体课程设计案例

就物理学科而言，其本身就与技术和工程有潜在的联系[4].因此，本文选择物理学科大概念“运动和力”中的“摩擦力”的教学为例，基于6E课程设计模式，进行具体课程案例设计见表1.学生通过工程制造，运用科学知识、数学计算等能力验证摩擦力相关内容，解决实际相关问题，以深化学生对大概念的理解，提高学生物理学科核心素养.

3.1 结合学生知识背景，明确研究内容（1课时）

【教师活动】

（1）播放两个刹车视频（同一汽车在不同路面，不同汽车在同一路面），随即向学生提问：从视频中观察到什么现象？何种因素导致这种现象？

（2）以小组为单位学生结合已有知识经验说出他们对视频中刹车现象的理解，并引导学生猜想影响摩擦力大小的因素，并思考该如何验证这些影响因素.

（3）在学生汇报的基础上结合本次课程主题——摩擦力，提出研究内容：摩擦力的概念、影响因素以及如何通过项目对影响因素进行验证.

【学生活动】

（1）学生思考导致制动距离不同的原因——摩擦力.

（2）熟悉并明确刹车情境中涉及的摩擦力知识，以小组为单位进行交流讨论.

（3）猜想影响摩擦力大小的因素，构思可以从哪些维度设计方案验证猜想.

【设计意图】

（1）将课堂教育与真实刹车情景相结合，从切实情境中导入课程，激发学生求知欲.

（2）让学生观察刹车视频，引导学生回顾初中学习的摩擦力知识，了解学生知识基础.

（3）学生明确研究摩擦力知识内容，构思如何设计项目来验证制动距离的影响因素，充分发挥学生的主观能动性.

3.2 探究学习，支架引导（1课时）

【教师活动】

（1）引导学生通过多种方式查阅影响汽车制动距离的因素（轮胎花纹、地面粗糙程度、汽车质量），明确制动距离与摩擦力有关，摩擦力大小与接触面粗糙程度和汽车质量有关.

（2）引导学生积极参与讨论，并强调团队合作的重要性.

（3）鼓励学生头脑风暴，自行选择某一摩擦力影响因素，对验证方案内容进行初步构思与设计.

【学生活动】

（1）通过查阅资料辅以教师讲解的方式，明确制动距离与摩擦力有关.

（2）验证影响制动距离的原因，提出相应的设计方案.学生可能设计方案：公路设计项目、轮胎制造项目、汽车类型项目.

（3）學生分组讨论项目设计方案.

【设计意图】

（1）要求学生能通过网络设备等多种途径，查阅资料检索信息，并基于所得信息构建方案设计框架，从而在探索过程中进行学习.

（2）教师引导学生经历提出问题、收集证据、解释交流三个科学探究阶段，以合作探究的方式科学建构物理知识模型.

（3）教师提供框架支持并给于适当引导，促使学生主动思考，培养学生创新能力与思维发散能力.

3.3 知识构建、方案的诠释与改进（1课时）

【教师活动】

（1）向学生普及传感器和3D打印机的工作原理、用途、使用方法以及使用时的注意事项.

（2）教师请各小组分享自己的产品设计方案，并对各组设计方案的科学性、可操作性与安全性进行简要分析.

（3）鼓励学生诘问其他组的方案内容，教师及时纠正学生交流过程中出现的迷思概念.

【学生活动】

（1）学生习得多种技术手段，并掌握设备的应用知识，丰富基本知识框架.

（2）倾听其他小组的设计方案，思考他人提出的问题、解释及意见.

（3）审视项目设计方案内容，思考方案实施的科学性、可操作性以及安全性.

【设计意图】

（1）通过学生对方案内容的阐述，了解学生对基本概念的理解.

（2）学生通过解释与交流过程，对摩擦力知识形成更深刻、更系统的理解.

（3）推动组间交流，引导学生深入学习，促进学生批判性思维和问题解决能力的发展.

3.4 技术应用、产品制造（3课时）

【教师活动】

（1）介绍工程设计的概念以及摩擦力项目设计的几个维度.

（2）重述摩擦力概念、类型及其影响因素，并强调传感器、3D打印机设备的工作原理、使用时的注意事项.为学生工程制作提供所需的材料及设备.

（3）强调实验过程中数据的记录以及操作过程中的安全问题.

（4）协助学生解决产品制作过程中出现的难题，并指出问题出现的原因，对学生制作过程给予适当引导与评价.

（5）从STEAM包含的各个要素对学生的制作过程提出改良的建议.

【学生活动】

（1）学生依据小组设计方案内容，使用给定的材料，采用小组合作的方式着手项目产品的初步制作.

（2）对实施过程可能出现的问题进行思考、解决和优化，适时修改方案内容.

（3）产品制作完成后，各成员依次体验项目技术，并结合操作的结果，分享交流意见与建议，通过优化实验操作，进而优化实验方案设计.

【项目说明】

（1）汽车设计项目如图2所示.通过在汽车上添加不同数量的砝码来改变汽车质量;通过3D打印机制造不同花纹的汽车轮胎以改变汽车所受摩擦力大小.

（2）公路设计项目如图3所示.通过改变传送带上的履带作为不同粗糙程度的公路面.

【设计意图】

（1）通过重述内容、概念以加深学生对摩擦力知识的理解.

（2）在项目设计与制作过程中，利用作品外化学习效果，促进学生知识的整合与迁移.

（3）学生能深层次参与到学科整合的过程中，领会跨学科整合的精髓，将所学有关摩擦力的知识技术手段应用到现实环境中.

3.5 技术比较、产品完善（2课时）

【教师活动】

（1）引导学生展示自己的设计方案，并介绍项目设计中应用的知识原理以及技术优势.

（2） 将学生交流的各类型项目内容汇总并分类比较，引导学生得出验证摩擦力影响因素的多种维度，并分析所应用各项技术手段的优缺点和适用情况.

（3）组织学生进行交流讨论，优化自己的设计方案，并在改良后选出优秀作品，向同学进行展示.

【学生活动】

（1）了解如何将设计流程应用到实际情境中.

（2）小组讨论完成实验方案，选出代表汇报.

（3）听取其他小组的汇报并对其做出评价，吸收优势之处优化自身方案.

（4）明确各项技术手段的优缺点，与小组成员进一步讨论，完善产品制作，突出技术优势.

【设计意图】

（1）通过不同设计方案的对比与总结，进一步深化学生对工程制作环节的认识、摩擦力知识的应用与迁移能力，提升实际操作能力.

（2）学生在原有方案基础上进行延伸和拓展，实现知识的进一步深化和对前面各环节学习内容的整合提升.

3.6 作品展示，总结反思（2课时）

【教师活动】

（1）组织各小组展示自己的设计作品，进行解释说明.并对学生汇报内容给与正确的评价.

（2）在学生的汇报过程中，逐步引导学生总结涉及到的STEAM知识.

（3）展示此次STEAM课程学习相比于传统摩擦力学习的优势所在，进一步凸显STEAM主题.

【学生活动】

（1）完善小组的最终汇报（概念内容，技术的原理、操作方式、注意事项），并进行作品展示.

（2）学生进行自我评价，了解是否已经掌握解决问题的方法.

（3）明确STEAM模式的内涵，构建出关于STEAM知識的框架.

【设计意图】

（1）体现学科整合的思想，包括知识和观点的整合.

（2）学生通过评价、反思整合不同的观点，发现自身问题，获取他人意见，锻炼语言组织能力和表达能力.

（3）教师反思融合STEAM教育理念的物理教学过程中出现的问题及原因，完善教学方案，提高自身教学能力.

4 结论与反思

高质量的STEAM教育是增强国家竞争力、培养创新人才的重要手段.当前STEAM教育已在北上广等部分大中型城市快速开展，且呈蓬勃发展之势.但是总体上我国仍处于STEAM教育改革的起步阶段.在STEAM教育本土化推进的过程中，我们仍然面临着诸多问题和挑战，而这场变革的落脚点和突破点即在于发展STEAM课程.为此，笔者通过对摩擦力的STEAM课程设计，以期为教师有效开展STEAM教学提供支架和参考，助力创新人才的培养.

参考文献：

[1]崔鸿，朱家华，张秀红.基于项目的STEAM学习探析：核心素养的视角[J].华东师范大学学报（教育科学版），2017，35（04）：54-61+135-136.

[2] Yakman G， Lee H. Exploring the exemplary STEAM education in the U.S. as a practical educational framework for Korea[J]. Journal of the Korean Association for Science Education， 2012（6）：1072-1086.

[3]谢丽，李春密.整合性STEM教育理念下的课程改革初探[J].课程·教材·教法，2017，37（06）：63-68+62.

[4]谢丽，李春密.物理课程融入STEM教育理念的研究与实践[J].物理教师，2017，38（4）：2-4.

（收稿日期：2019-08-27）