STEM课程在科技馆的实践与探索

徐瑞芳

摘 要 STEM教育是基于科学、技术、工程和数学的跨学科整合教育，近年来受到全球教育研究者们的高度关注，也为我国课程改革及创新型人才的培养提供了启示。以上海科技馆“STEM科技馆奇妙日”系列课程为对象，重点剖析科技馆STEM课程的教学模式并提出优化建议，以期对今后我国科技场馆STEM课程的开发实施有所启发和裨益。

关键词 STEM 上海科技馆 非正式教育

0 引言

当今社会竞争异常激烈，迫切需要拥有创新能力的杰出人才。“为何近现代科技与工业文明没有诞生在当时世界科技与经济最繁荣的中国？”“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”李约瑟难题、钱学森之问让中国的教育界不断反思并探索教育改革的方向。美国STEM教育理念无疑给我们提供了新的思路。其名称来源于四门学科的英文首字母：科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）。它不仅体现了跨学科的课程整合理念，更是将工程教育放在了突出位置，要求学生具备在真实生活情境中学习、运用知识的能力。

STEM教育甚至已经上升为美国的国家战略。2016美国财年预算显示，对联邦政府各部门的STEM教育计划共投入了30多亿美元，比2015年实际支出上升了3.8%，并将投资重点放在联邦政府STEM教育五年战略计划中的五个关键领域，即K-12阶段教育（即中小学及学前教育）、本科教育、研究生教育、扩大女性及少数族裔等人群在STEM领域的参与度、在课堂外进行的STEM教育活动，特别强调提高非正式STEM教育的普及程度。

虽然我国还未将STEM教育理念正式引入课程改革，但是部分学校已经开始尝试以兴趣班的形式开设STEM课程。另外，许多企业、社会机构和研究人员都尝试从不同角度，采取多种形式对其展开探究。

科技馆作为社会重要的非正式教育场所，是校外科普教育的主要阵地，其最大的优势就在于大量展品和藏品实物资源，这是科技馆的立馆之本、教育之基，也是它区别于学校、青少年活动中心等教育机构的优势和特色所在。科技馆STEM课程偏向于“活动课程”，以学生为中心，尊重学生的兴趣和认知发展需求。其与分科课程相对，不仅打破了学科界限，更以综合性学习为主要内容，以学生的主体活动及经验为主要形式，以促进学生的认知、情感、行为统一协调发展为主要目标。当然，课程的最终目标并不是为了把每位学生都努力培养成STEM领域的专家，最重要的是要帮助他们掌握获取科学知识的方法，帮助他们发现生活中的“STEM”。

1 课程概述

2015年7月16日起，由上海科技馆、上海STEM云中心、上海青少年科学社共同打造的“STEM科技馆奇妙日”系列课程正式亮相上海科技馆。活动每周开展一次，为所有崇尚科学、富有探究精神的青少年提供融合科学、技术、工程、数学的科学内容，注重通过实践解决问题.。由于这是上海科技馆首次开展STEM课程，为了寻找最适合的实施路径不断进行摸索、改进、优化。

笔者利用问卷调查法针对2015年和2016年课程进行抽样调查，分别采集样本150个，累计产生300份问卷样本。同时还采用了参与式观察法、半结构式访谈法等多种研究方法对课程进行了为期一年多的连续性跟踪调查，通过观察记录、总结分析，尝试找出适合科技馆STEM课程的实施路径。

2 课程实施调整

上海科技馆“STEM科技馆奇妙日”系列课程的实施主要分为两个阶段：第一阶段为2015年7月至2015年12月；第二阶段为2016年1月至2016年12月。期间，课程的主题内容、实施流程、教师结构均有不同程度的调整，主要表现在以下方面：

（1）课程主题。“STEM科技馆奇妙日”每期课程主题均来源于生活实际问题。课程重点培养学生多学科融合思维和实践能力。如表1所示，2015年课程共涵盖了7个主题，主要由上海STEM云中心负责课程的完整开发与实施；2016年课程共涵盖了10个主题，主要是在2015年课程基础上优化删减并新增了上海科技馆原创课程。

主题调整的原因，一是由于2015年的部分课程场馆资源利用率低。场馆再现了真实世界中的现象，可以激发学生科学兴趣，通过知识的有效构建进行有意义学习。如“谍影重重——密码学初探课程”，学生可以通过参观上海科技馆“信息时代”展區，身临其境地了解从古至今信息传递的方式，并可以实际操作模拟信息编码、解码等过程，这对于课程实施的情境引入有着极大的推动作用。为推出具备科技馆特色的STEM课程，我们梳理了所有2015年课程，优胜劣汰、反复打磨，在保留部分优秀课程的基础上，通过自我原创开发，2016年对外投入实践10个主题课程（见表2）。

二是充分尊重学生兴趣爱好，满足学生认知需求。如图1所示，通过对2015年参与课程的学生进行问卷调查，其中60.40%的学生表示更喜欢以“机器人”为主题的课程。因此，在新课程的开发上也有所倾斜，如“迎宾小车”、“机器情报员”等都涉及机器人领域知识。

（2）课程实施流程。2015年STEM课程的全部授课时间为6个课时，于1天内完成。共包括四个主要流程：第一部分，场馆探索，即以任务驱动方式让学生完成科技馆展区探究，主要以小组合作形式完成课程配套的STEM学习任务单；第二部分，教师授课，即由教师进行理论介绍并引入课程知识点；第三部分，实践探索，即学生设计构想，动手实践完成属于自己的作品；第四部分，总结反思，即学生作品展示并进行活动总结。

2016年STEM课程实施流程中取消场馆探索，全部授课时间调整为3个课时，约2 h。最初课程设计的场馆探索任务，要求学生组成临时探究小组，相互配合共同完成探索任务。通过展馆探索任务，一方面可以培养学生的探究能力，另一方面更有效加强了学生的团队协作意识。在之后的课程中亦会沿用此小组形式完成其他环节。通过对2015年STEM课程的学生调查问卷发现，有54.46%的学生就“今天的活动中你最感兴趣的是哪个环节？”一题中选择了“场馆探索”选项，足可窥其价值所在。但由于时间成本、安全成本以及人力成本的多方面考量，2016年的课程实施流程将此部分任务删除。

（3）授课人员。为了达到更好的课程实施效果，2015年课程主要由上海STEM云中心的专职老师现场授课。上海科技馆的科学老师们全程辅助并观摩学习，特别是场馆探索任务需要科技馆科学老师协助学生共同完成，一是为了保证安全性，二是可以给予辅助教学和引导。2016年的课程缩减了场馆探索任务，科技馆的科学老师们也通过统一培训，具备了授课资格，实现了课程的自主管理。

3 案例分析

根据上海科技馆STEM课程报名参与度排名，“水火箭的空气动力学”是“STEM科技馆奇妙日”系列课程开展以来最受学生、家长及老师欢迎的课程之一，本文以此为例展开具体分析。

3.1 课程设计

课程主题：水火箭的空气动力学

课程时间：3课时

课程目标：学生使用废弃饮料瓶等材料制作水火箭，利用压缩空气发射，使之冲上云霄。通过水火箭放飞过程，解释牛顿第一、第二、第三定律（作用与反作用、惯性、能量守恒定律），从而让学生了解基本的空气动力学和飞行力学等方面的知识。

课程实施流程：

（1）教师授课阶段

首先，讲解实验伦理安全规范。STEM课程注重实验伦理和实验安全，教师在课前会着重指出此课程中使用的美工刀、502胶水等实验工具的安全隐患，要求学生在实践的过程中务必佩戴护目镜制作水火箭，防止胶水误入眼睛。

然后，介绍实验器材。实验器材包括STEM配套材料工具盒1个（内含火箭尾翼、喷嘴、火箭头、护目镜、美工刀、502胶水等）、发射架、打气筒、定位号码贴、百米卷尺、水桶、警示带等（馆方统一准备）；同款饮料瓶2个（由学生自备）。

再进行基于情境式问题导入理论知识。通过近期热点话题引入问题，如“天宫二号”发射等事件来构建问题情境，将完成火箭发射任务作为课程任务布置给学生。STEM课程应以学生为中心，基于问题情境展开学习，而不是理论的直接灌输，我们可以通过提问“火箭为什么能飞行？”、“火箭飞行需要的能源是什么”等逐步引入理论知识点。

最后，探索科學问题。教师鼓励学生以小组为单位展开“头脑风暴”，对水火箭的结构和动力来源进行讨论，探索水火箭飞行的原因，设计水火箭专用的动力系统。

（2）实践探索阶段

第一步，设计模型，并使用材料制作属于自己的水火箭。

第二步，设计实验测试方案，用控制变量法进行研究，选取不同的变量进行对比。影响水火箭发射的因素包括自变量如火箭结构、燃料重量、燃料性质、角度、气压以及因变量如飞行高度、飞行稳定性、飞行距离。

第三步，团队分工。四人为一组进行任务分工，其中一人担任组长（安全员），一人担任安装员，一人担任发射员，一人担任测量记录员。

第四步，水火箭发射，记录数据。来到室外进行水火箭的发射准备，确保场地开阔，以警示线为界。安装发射架后，每两个小组一轮一同进行发射，观察测量水火箭飞行高度、距离和平衡性，并记录数据和现象。

第五步，根据发射数据及原理，改进火箭设计。改变相关变量，记录水火箭的发射数据，并进行优化改进，填写STEM课程记录表。

（3）活动总结阶段

在课程的最后，应帮助学生反思失败原因或总结规律经验，并指导学生整理现场。

3.2 效果分析

“水火箭的空气动力学”课程注重培养学生的多种STEM素养。一是培养科学素养，即运用科学知识来理解自然界的能力。学生通过对水火箭的制作和发射，了解动量守恒、气压、作用力与反作用力等空气动力学的知识，并学会利用这些物理知识对水火箭的发射效果进行优化。二是培养技术素养，即理解、运用技术的能力。学生通过该课程的学习，了解到火箭相关技术的发展历程，并且用相似的原理技术制作出水火箭并成功进行发射。三是培养工程素养，即对技术的工程设计与开发过程的理解能力。课程中，教师用工程问题的解决方法对课程进行了设计，并让学生运用简单的材料制作水火箭，从而拉近了火箭这个高科技、高难度的知识领域和学生之间的距离，有效激发学生学习热情。四是培养数学素养，即运用逻辑运算、推理、变量控制等方法进行计算、判断、分析的能力。该课程中，学生对水火箭的发射角度，加水量（水充当燃料）、打气量都可以进行测算。学生还学习使用控制变量法，并以此来观察改变某些变量后出现的现象并认真做好数据记录。

笔者通过参与式观察法和问卷调查法对“水火箭的空气动力学”这一课程进行了观察和记录，从课程实施过程中反映出以下几个现象：

（1）课程内容存在一定难度，但学生进步明显。如图2所示，通过问卷调查及访谈沟通，笔者发现学生对于空气动力学、飞行力学的相关知识理解存在困难，仅有24.75%的学生觉得课程知识点容易理解，大多学生存在部分问题难以理解，甚至有约1%的学生表示几乎完全没有理解。不过值得肯定的是，通过课程学习，有92.17%的学生表示学习到了新知识。比如，学生们以往对于火箭的理解停留在只有科学家才可以参与制作并进行发射的阶段，但是课程利用身边材料制作的水火箭拉近了学生和火箭之间的距离。虽然部分知识点过于专业化，但是通过老师引导，学生们对相关知识有进一步的理解，有效地培养了学生的动手实验能力、科学探究能力和学习热情。

至于学生无法理解课程内容的原因主要有以下两个方面：一是课程难度缺乏精细化划分。“STEM科技馆奇妙日”系列课程的学习对象主要是三年级至六年级学生。事实上，关于课程中涉及的力的知识在初中阶段才会详细且系统化的学习。因此对于三、四年级的学生而言存在一定的认知困难。建议可以根据学习对象的认知发展水平，设计不同难易程度的课程内容和要求。二是教师专业性程度不够。STEM教育要求教师有扎实的学科知识、专业的教育学背景和灵活的教学能力，才能够在复杂的情境中培养学生的问题解决能力。然而，科技馆的科学老师并非都是教育背景出身。中国以往单科教学的模式，使得科学老师对于跨学科的知识整合缺乏必要的灵活性和专业性。

（2）课程参与度饱和，学习对象性别比例悬殊。自“科技馆奇妙日”系列课程推出以来，线上微信报名、线下团队预约火爆且出勤率远高于其他馆内课程。可惜的是，参加课程的学生性别比例悬殊，男生比例达到63.37%，而女生仅为36.63%。

事实上，不论从水火箭制作质量和飞行效果来看，女生表现甚至超越男生。“水火箭的空气动力学”和上海科技馆其他STEM课程一样，要求学生基于工程设计方法来解决实际问题，需要严谨的态度和严密的逻辑。在我国的社会认知和学校教育中，通常认为男女生学习方式、性格特点存在差异，存在女性较为感性，而男生偏好逻辑和实践学习的刻板印象。

（3）不善于运用数学工具、工程设计方法解决问题。笔者通过参与式观察法发现，学生在课程中遇到困难时，往往更倾向于寻求老师、同伴的直接帮助，自我探究能力较差，不善于通过记笔记、绘图、运用公式计算等方式解决问题。这在学生的调查问卷中也有体现。

如图3所示，问卷调查表明学生较为缺乏自我探究精神。STEM课程要求学生灵活运用各类解决问题的“工具”，如利用逻辑运算得出水火箭加水量的多少，通过绘图初步构建水火箭的模型，通过笔记来进行水火箭的飞行记录等。但我国学生因“填鸭式教学”的习惯往往更依赖老师和书本直接获取“答案”，这就需要老师在课程中更多的将机会给予学生，鼓励学生勇于提出假设、反复实验，尽可能通过自我探究解决问题。

4 优化建议

通过一年多的实践，“STEM科技馆奇妙日”系列课程不断优化，但是仍有较大的提升空间。

一是基于科技馆各类教育资源，打造场馆特色STEM课程。科技馆的非正式教学环境，不拘于学校课堂的刻板与规范，将科学知识以真实的情境展现在学生面前，让学生自然而然地产生对科学的兴趣和求知欲。在科技馆实施的STEM课程，应充分利用场馆资源进行整体规划设计与实施，打造具有科技馆特色优势的课程。课程实施前，可以通过网络分享STEM任务学习单、参观手册等便于家长或者学校老师引导学生课前开展场馆探究活动；课程实施中，教师基于学生对于相关展品展项的参观经历构建真实的学习情境；课程实施后，学生可进一步参与体验相关展項，在实践中巩固课程习得的知识。

二是基于学生认知发展水平，对STEM课程内容进行精细化分类设计，全面考虑儿童的认知发展水平。皮亚杰将儿童心理或思维的发展分为感知运动阶段（0～2岁）、前运算阶段（2～7岁）、具体运算阶段（7～12岁）和形式运算阶段（12～16岁）。通过问卷调查，发现参与上海科技馆STEM课程的学生年龄段主要集中在10～13岁，基本处于具体运算阶段和形式运算阶段这两个认知发展水平间。针对不同学习对象进行课程设计时，可以按照其认知发展水平来进行划分，同一主题可以设置小学低年级、中高年级和初中以上学生的不同版本。只有进行精细化设计，才能使课程的实施效果最大化。

三是基于真实问题情境引导，激发学生探究热情和团队合作能力。实际上，教师在课程中创建了一个真实生活的“实习场”，学生在此遇到的问题与进行的实践，可能会在今后现实生活中再次遇到。STEM课程不仅需要教师设计一个来源于真实生活的问题情境，将学生导入课堂教学中，更是通过一个个真实复杂的情境问题为线索，逐步深入引导学生以小组合作的形式进行探究，进而完成复杂的STEM课程任务。作为课程情境设计者和引导者，教师需要整体规划和实施，专业性要求较高。

四是基于工程设计方法，建立以科学探究和工程设计相结合的STEM教学模式。摩尔等提出，将工程实践或工程设计作为情境会可以很自然地将学生引入整合性STEM学习中。通过工程设计的思路进行教学，有助于培养学生的工程素养及实际问题的解决能力。工程设计流程包括识别问题、研究、构想、分析想法、构造原型、测试和完善、交流和反思。结合工程设计流程和探究式课程中的5E教学模式，我们设计出更适合科学探究和工程设计相结合的场馆STEM教学模式，共分为6步：（1）明确问题：为学生预设课程情境，明确课程主题；（2）展开探究：问题导向，鼓励学生展开场馆探究；（3）解释迁移：引入理论知识点，进行解释、迁移和拓展；（4）构想设计：鼓励学生采用“头脑风暴法”进行小组讨论，团队共同设计方案；（5）实践完善：让学生制作属于自己的STEM作品，并引导其反复测试、优化完善；（6）总结评价：对课程内容进行总结，并对学生新知识的掌握度进行评价。

5 结语

STEM教育作为美国教育改革的重点，是国际教育改革的风向标。上海科技馆尝试推广的“STEM科技馆奇妙日”系列课程在学习国外经验的基础上，结合馆情和实际授课情况，反复调整课程模式，从非正式教育角度出发进行STEM教育实践，不失为一条绝佳的研究路径。

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