深度教学视角下STEM教育实施品质课堂的策略

邓汉盘 毕燕辉

摘 要：在当前的政策背景下，依据建构主义和杜威“做中學”两大理论，东莞市常平镇振兴中学提出了构建STEM课程的设想并付诸实践。学校在近几年的研究过程中取得丰硕的研究成果，开发一系列STEM课程和活动项目，提出一系列的课程开展模式。经过实践发现，深度教学模式更能体现STEM课程的教育性。文章通过探究深度教学视角下STEM课程模式和实施深度教学的策略，从而有效提升学生的创新思维、工程思想和科学素养。

关键词：深度教学;STEM教育;课程模式;实施策略

2021年6月国务院印发《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》的通知指出：“科学素质是国民素质的重要组成部分，掌握基本科学方法，了解必要科技知识，并具有应用其分析判断事物和解决实际问题的能力具有十分重要的意义。”从中可以看出，目前国家非常重视学生科学素质的培养，STEM课程不但是实施科学素质培养的课堂阵地，也是培养学生工程思想和创新思维的场所。

一、目前STEM教育的现状

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）的简称。STEM教育就是集科学、技术、工程、数学多领域融合的综合教育，对锻炼学生动手能力、编程能力、培养团队协作精神有很大帮助。开展STEM教育活动，其根本目的在于发展学生的创造能力和综合设计能力，进而形成良好的科学素养和创新思维品质。然而，在传统的STEM教育中，教师依然停留在技能的教育。近几年，很多教师开始把开源硬件、3D打印、人工智能融入STEM教育中，但目前STEM课程尚缺乏系统的探讨，大部分教师只进行简单的学科叠加，或者把一般的机器人教育认为是STEM教育。

二、借助深度教学相关理论，开展STEM品质课堂教育

2005年，华中师范大学郭元祥教授率先在我国提出了深度教学理论，指出深度教学不是无限增加知识难度和知识量，不是对知识的表层学习和表演学习，不是对知识的简单占有和机械训练，而是基于知识的内在结构，通过对知识完整处理，引导学生从符号学习走向学科思想和意义系统的理解和掌握，是对知识的深度学习。深度教学理念强调引导学生对知识的完整理解和深刻学习，追求的是教学的发展性，既让学生在认知、情感、技能等方面发生系统的变化，又能使学生的学科核心素养和关键能力得到整体提升。在深度教学的课堂中，郭元祥教授提倡要有学习的丰富性和多样性，提倡沉浸式学习与学习投入，深度教学采用的教学策略有理解性教学策略、问题导向教学策略、回应性教学策略。目前深度教学理念已经广泛被用于品质课堂、STEM教育、创客教育、PBL项目式学习等教学中。

三、品质课堂理念下，STEM课程的开展模式

品质STEM课堂以三个核心为主，包括课程、活动、评价。课程是基础，是学生学习基础技能的保证;活动是提升，是在课程基础上，对学生知识机构的提升和完善;评价是反馈，学生可以通过评价知道自己的不足，教师可以从评价中了解课程的发展性。

三大核心相辅相成，在课堂中，采用问题导向教学策略，最终的效果是使学生提升三个关键能力点，分别是掌握传感器技术、培养创新思维能力，提高科学素养水平。品质课堂STEM课堂模型如图所示：

四、STEM课程实施，打造品质课堂的策略

STEM课程主要使用问题导向教学策略。郭元祥指出：体验和探究是学生知识学习的必经过程，是学生学科能力发展的根本途径。以问题为导向，引导学生体验和探究具体知识所隐含的思想与方法，以及问题解决的核心策略，是发展学生学科能力的基本要求，也是丰富学生学科经验和课程履历的根本要求。在课程实施过程中，我们采用如下的具体措施。

（一）基于观察法和实验法，突出STEM教学的教育功能

观察法是指研究者根据一定的研究目的、研究提纲或观察表，用自己的感官和辅助工具去直接观察被研究对象，从而获得资料的一种方法。在观察法中，为了能对观察到的数据得出结论，往往还需要我们对数据归纳分类，对比分析。例如，在教学生制作碰碰车项目时，可先让学生观察碰撞传感器主要有哪些部件，碰撞开关的长度是多少，碰撞传感器的接口线接在主板哪个数字端口。在编写完碰撞检测程序后，可让学生自己设计观察表格，学生必须要对观察数据进行分析和归类，才能得到正确的结论，这锻炼了学生对数据归纳的能力。在实验法里我们可以以基于项目的形式去开展实验研究，提高学生的自我探究能力。在开展实验法教学过程中，可以使用实验探究表，让学生在设计实验过程中能有一个指引方向，做到自主学习和任务驱动相结合。最后是重视小组合作，让学生在小组合作中学会对任务进行分解。

在STEM教学中，如果能适当加入各种科学实验探究方法，久而久之，学生经过潜移默化，在研究新生事物时，或在自己设计新项目时候，就会应用上所学的探究方法，这无论是对于学生综合素质的提高，还是学生科学素养的培养都有很大的帮助。

（二）在传感器应用教学中融入科学素养的培养

基本科学素养的主要内涵包括三个方面：1. 对科学知识（科学术语和科学基本观点）达到基本的了解程度;2. 对科学方法达到基本的了解程度;3. 对科学技术对社会和个人所产生的影响达到基本的了解程度。在传感器教学中，如何完成提高学生科学素养的使命呢？我们可以采用以下几种方法：第一，讲原理。例如讲超声波传感器的时候，可以和声音的特性联系在一起，给学生讲清楚声音的传播需要的介质和声音的反射。讲轨迹传感器的时候，可以和光的直线传播和光的反射联系在一起。讲颜色传感器的时候，可以和光的组合和光的三原色原理联系在一起，并了解不同颜色的光可以组合成不用的颜色。第二，讲应用。先让学生明白所讲的传感器的作用是什么，可以应用在哪些方面。例如讲人工智能摄像头时，可以向学生介绍，现在所有停车场、人脸识别、二维码扫描都用到视觉摄像头，讲光敏传感器的时候，和光感应灯联系在一起，讲震动传感器的时候，可以和地震监测仪联系在一起。第三，讲设计。学生学完传感器之后，利用所学的传感器来设计一个作品，从而不断提升学生的工程思想。

（三）课堂采用6E设计型学习模式凸显工程思想

美国国际技术与工程教育学会于2014年提出的6E设计型学习模式，它包含六个阶段，参与（engage）、探索（explore）、解释（explain）、工程（engineer）、深化（enrich）、评价（evaluate）等六个环节。其中参与阶段是指让学生通过自主观察发现问题，自我思考，并确定自己的主题任务。例如让学生去观察现在的老人怎样用婴儿盘给婴儿洗澡，从而他们定下要设计《会温度报警的安全婴儿沐浴盘》的任务。探索阶段是学生基于主题任务开展的探究活动，学生在这一阶段通过头脑风暴法或文献法，去对第一阶段确定下来的主题任务进行可行性设计。解释阶段是学生用所学知识来解释自己项目的设计，从理论上证明设计的科学性。这一阶段，教师会针对学生设计的作品进行初步检验，并要求学生向教师解释作品的设计原理，所使用到的传感器。工程阶段是需要学生利用工程思路来设计自己的作品，对自己的作品不断的迭代。在这一阶段，是学生自己制作模型和编程测试。深化阶段是对项目进行拓展和深入研究，在这一阶段，我们可以要求学生在功能上、外观上完善自己的作品。例如原来的电梯模型只有2层，如何加到3层;淘气机器人如何在外形上改进，使其更可爱。评价阶段是指按照评价标准进行多维评价，在这一环节，可采用小组评价、自己评价、教师评价的方式评价学生的作品和课堂表现，具体的评价标准可以参考STEM教育、创客教育评价标准。

（四）重视创新思维的培养，让课堂进入微创新时代

在STEM课堂中，要重视创新思维的培养。具体做法如下，第一课程设计上要突出微创新，立足的是知识的广度而不是深度。不要求把系统做得多复杂，只需要学生在功能或程序方面进行完善，强调的是微创新。例如在讲《简易电梯》一章时，课本上电梯的结构和功能还不是很完善，可以引导学生从外观、功能、结构等方面去进行“增加”“调整”“代替”“改进”，这就是微创新。让学生了解，创新并不是一件很难的事。

第二，STEM课程的设计可以从生活中物品的改造入手，以智创生活为主题进行开发。这些物品可以是喝水的水杯、扫把、台灯，取材容易，成本不大，家长也可以一起参与进行亲子活动。例如，学生对家里的遥控器并不陌生，但有时往往要找很久才能找到，在此可以启发学生，在电视遥控器上安装一个接收器和蜂鸣器，当找不到遥控器时，按一下安装在固定位置的开关，遥控器上的蜂鸣器开始响，就能够找到遥控器了。再例如家里的台灯，我们可以启发学生，安装一个光敏传感器，当主板检测到光线暗的时候，让台灯亮起来，实现智能化。学生还可以参考以下实例：会自动加热的座位垫、倒水自动显示文字的杯子、自动浇花器等。实践证明，学生对这些设计是非常有兴趣的，我们在课堂中也很容易组织这些活动。

（五）利用智慧课堂环境进行高效课堂教学

在STEM课堂中，教师借助智慧课堂系统来提高课堂效率和课堂组织，实现教学决策数据化、评价反馈即时化、交流互动立体化。学生在项目制作过程中，可以通过智慧课堂系统，提交自己工程笔记或模块任务，教师通过查看学生工程笔记或模块任务，了解学生项目进度，及时介入遇到问题而无法继续项目的小组，实现教学决策的数据化。在评价方面，可以通过班级优化大师系统，进行课堂实时评价，提高学生积极性，实时把教师的评价反馈给学生，实现评价反馈即时化，在整个项目开展过程中，师生可以通过倒计时、随机点名、生生互动等方式实现交流互动立体化。倒计时，可以对学生制作的任务计时，提高学生积极性;当项目需要展示或回答问题，可以使用随机点名功能，让系统自动选择一个学生或小组，使得学生可以高度集中精神;生生互动可以让学生对自己的项目进行拍照或录像，上传分享，师生进行点评讨论。

五、打造STEM品质课堂的成效

自学校开展STEM课程建设以来，无论是学校还是学生，都取得了不错的成绩，集体荣誉方面，学校先后被评为东莞市首批百校创新人才培育基地、首批東莞市创客教育学校、2012—2017东莞市优秀科技活动学校;学生成绩方面：2015年我校获得第八届亚洲机器人锦标赛冠军，从2017年东莞市有科技特长生政策以来，我校共有16位学生通过科技特长生途径进入五大校和普通高中。负责课程建设的教师中，邓汉盘老师被评为名师工作室主持人、信息技术学科带头人、综合实践学科带头人、广东省青少年科技活动咨询专家，林辉德被评为初中综合实践教学能手。

■参考文献

[1]郭元祥.论深度教学：源起、基础与理念[J].教育研究与实验，2017（03）.

[2]郭元祥.“深度教学”如何真实发生[J].今日教育，2017（06）.