基于STEAM教育生态理念的主题探究式项目设计及实践

毛国坚

STEAM是本世纪初首先兴起于美国的旨在提高学生技术素养、增强国家科技竞争力的综合教育实践活动。起初以科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）等相关科目的英文首字拼写命名为“STEM”，后来发展为加入艺术科（Arts）的“STEAM”。学校在新课程创新实验中引入了STEAM教育的理念，开展了始于通用技术的STEAM教育实践，着力培养学生的整合应用与科技创新能力，构建师生共同成长的实践场，营造一种新的教育生态，让身处其中的师生回归生命的成长和可持续成长。

一、STEAM教育生态理念的构建

“尊重、适合、选择”是学校新课程创新实验的课程理念，即学校提供给学生的课程应该满足学生的个体需求，让学生根据自己适合的兴趣爱好自主选择，让每个学生的潜能得到发展，甚至成为学生与别人交往以及分享的空间。基于此，学校坚持“立足实践、突出综合、重在创新”的原则，积极构建STEAM教育生态系统。

1.立足实践

我们突出课程的“实践育人”价值，在课程中不断提升学生的创新能力、动手技能、分析判断、合作学习的能力。例如，在STEAM学科教室建设中，我们故意留白，让学生主动建设的实践空间，有的参与教室的文化设计与制作，有的参与实验设施的设计与制作。目前，50个学科教室都是由师生设计、建设的教室，学生的潜能就这样的在实践中得以发现与唤醒。

2.突出综合

我们对科学、技术、工程、数学、艺术等多个学科（STEAM）进行整合，开展基于探究的学习（基于项目的学习、基于问题的学习、基于设计的学习），尝试项目教学模式：在研究教材、理解课标、分析学情后，我们进行设计研发，形成一个多功能、多学科的联合的教学项目，一改以往的“讲知识”“背技术”的授课模式。

3.重在创新

我们的研究分为三个层次：首先，我们研发一系列的综合性的活动和项目涵盖通用技术内容标准的要求；其次，我们在设计课程中对教材进行重构创新研发的一系列探究式的课程，体现出课程的价值；最后，我们整合科学、技术、工程、数学、艺术等多个学科注重提升学生的综合素养。

二、基于STEAM教育生态理念的探究项目开发与实施

学校的STEAM教育课程项目开发实施步骤共五步，分别为：

1.生成项目主题

生成项目主题的关键是了解学生，了解学生喜欢探究的些什么。不同的学生群体兴趣点不同，我们主动接触学生，召开交流讨论会，发现学生的兴趣点。此外，教师也可结合自己的兴趣和专长，生成课程。项目主题，我们还力求关注科技前沿、时事政治等问题。

2.制订项目计划

这一阶段主要完成两项工作：1. 确定项目开展的可行性；2. 确定项目实验技术、实验资源。这一环节实施的要点是：课程项目必须适合学生的学情，以学生的角度思考问题。

3.学生了解课程项目探究主题

这一阶段的主要任务是让学生充分了解研究对象是什么，预估自己能研究到哪个深度或层次，并对探究结果做一个预期。具体而言，我们引导学生了解研究的主题涉及面、研究过程需要应用到的知识与技术，鼓励学生大胆假设、提出问题，让学生思考研究经费来源，并指导学生开展预期实验。

4.学生规划探究的方案

这一阶段的主要任务是组织学生进行实验并做好实验记录、收集实验数据，指导学生进行统计分析，思考改进实验的办法。具体而言，引导学生将数据做成表格或者图形，思考数据说明了什么，在此基础上进一步引导学生发现问题、寻找规律，告诉学生，可以接受或者推翻假设，引导学生思考实验结果是否有价值，能否解决现实问题。

5.成果评价与交流

学校给学生提供展示的平台。这一阶段，学生可以以小组为单位设计展板、PPT，进行口头报告，或者撰写研究论文。

三、主题探究式项目设计及实施案例

2012年至今，全校各科组教师积极参與STEAM课程项目的开发与实施，现在每个学期都有50多个创新实验课程项目供学生选择。本文以“弹珠挑战”项目的设计实施为例，具体阐述如何开展主题探究式项目。

【项目·弹珠挑战】在一个60cm×

60cm的木质底板上设计一个纸质轨道结构，高度不低于30cm，弹珠一次顺利的滚下。要求有180度的弯道，弹珠下落的时间不能低于12秒，时间越长越好，材料越少越好，整体设计美观。

环节1：利用高中所学知识分析项目的可行性

弹珠挑战项目虽然没有明确的问题，但是学生通过讨论提出了关键的问题：

1.物体从30CM高度自由下落要多长时间？自由落体公式算的

t=0.24秒。可见自由下落时间很短，但是项目要求是12秒。这个问题突出挑战的

意义。

2.如果物体从高30cm倾角为α的斜面无摩擦下滑12秒轨道要多长时间？建模分析：如果高度H=30cm下落时间t=12秒，需要多长的轨道呢？一个理想的轨道无摩擦，下落做匀加速运动①，加速

度与斜面的倾角α有关α=gsinα②，倾角与高度有关③，联立得：

。解得S=14.7m。学生思考到这里就会发现，要在60cm×60cm的底板上建立一个14m长的轨道的是不现实的。

3.我们可以通过什么方法使得下落时间达到或者超过12秒呢？

学生总结延缓下落时间方法有：

（1）尽量减小坡度

（2）尽可能将轨道做长

（3）想办法让轨道的摩擦力增大（例如铺设海面等软物体。）

这一环节，学生的思考其实就是一种设计和控制了。

环节2：思考、探索结构的承压能力

常见的支撑结构有三类：圆柱形、四棱柱形、三棱柱形（见图b）。圆柱形结构外形美观、制作简单；四棱柱形结构：大多数房屋的支柱都是四棱柱形的；三棱柱形结构比上述两种横向抗压能力强、节省材料。根据项目要求，哪种支撑结构适合本组设计要求？

该环节指导学生用实验探究三种结构的承压能力：

1.各组分发三张普通A4纸

2.分别折成空心的四棱柱、圆柱、三棱柱（见图b），接合处用双面胶粘住

3.分别在四棱柱、圆柱和三棱柱上放一硬质塑料板，然后往塑料板上不断添加细沙，直到支柱被压塌，

4.用天平称出添加细沙的总质量并记录。

支柱形状 四棱柱 圆柱 三棱柱

塑料板与细沙总质量/克 830 880 450

实验探究的结果各个小组基本相同。在相同材料的情况下圆柱形和四棱柱形承压差不多，最容易压垮的是三棱柱形。

其实设计用沙来做承压实验比较麻烦，因为硬质塑料板面积有限，较多细沙在上面容易在四周流出，学生也发现这个问题。有学生回家改进实验的方法，用盆子盛水来代替细沙。但是，在最后做出的作品中发现几乎没有圆柱形的支撑结构，为什么呢？学生在制作过程中总结出经验：

1.在制作過程发现纸张越小制作圆柱形的结构越困难，制作三棱柱形反而难度并没增加。

2.抗压小的地方可以选择三棱柱形因为制作简单节省材料，抗压大的地方可以制作四棱柱形的结构。圆柱形结构接触面小，不利于各个支柱间，支柱与轨道间的粘贴。

3.三棱柱结构其他两种结构横向抗压能力强，

4.项目要求是材料越节省越好，所不能盲目统一都制作某一种支撑结构。

5.项目要求具有艺术性及结构说明。

弹珠课程设计这个结构承压探究实验，能较好达到结构与设计的内容标准。

环节3：优化系统，思考流程对设计的影响

学生学会制作伞形控制盘后发现，控制盘放在起点或者终点，时间差异很大。每一释放的位置、速度不同，弹珠在控制盘下落的时间也不同。所以学生要思考伞形控制盘在他的作品中最佳的位置摆放。通过测试总结出规律：

1.弹珠落到控制盘上时应该有一定的速度。不要在一开始就设计控制盘。

2.弹珠落到控制盘上时速度应该切向的，如果径向容易掉落失去设计的

意义。

学生在利用控制功能部件时也在考虑他的流程的安排，随意的放置并不能达到最佳的效果。学生对控制位置设定的思考，实现流程对设计的影响的认识。这个过程其实也是学生对系统的优化

过程。

环节4：设计评价与交流

设计的评价与交流体现学生在设计过程中的思考，所以应该形成文字的记录，建立档案，建立系统、完善的学生评价方案，记录好在创新实验实施过程中学生各方面的变化。

我们惊喜地看到，“弹珠挑战”项目活动可以促进技术素养；可以促进科学学习，特别是可促进科学原理的学习与理解；可以促进师生合作精神；可以提高学生的动手能力；可以提高学生观察问题分析问题解决问题的能力；可以提升学生用数学为基础，用工程、艺术的角度理解科学与技术。

在课程实施过程中我们发现：STEAM教育实践更强调关联学科的整合学习，项目活动更好地体现了课程的开放性、实践性、综合性、创造性和科学与人文融合性；项目活动能集中地体现更复杂和更高级的学习，由于知识整合更好地让学生将各科知识融会贯通，提高学习效果和质量；项目活动使学生学会尊重、学会做事、学会合作与交流；项目活动让学生更容易接触社会、了解社会。我们会在STEAM课程的探索之路上坚持走下去。

（作者单位：广西梧州市第二中学）

责任编辑：肖佳晓

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