中小学STEAM课程设计模型建构及案例设计

赵宸

摘  要 基于STEAM的基本理念，依据STEAM教育的基本原则，融合科学、技术、工程、艺术和数学知识，构建STEAM项目学习的课程设计模型，详细解释模型中的每一步骤是如何实施的，在突出学生的主体性的同时，也强调教师的引导作用，并且给出具体的案例设计，希望可以对具体课程设计提供参考、借鉴。

关键词STEAM教育;项目学习;课程设计

中图分类号：G630    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）18-0064-05

1 STEAM教育的基本内涵

STEAM教育起源于美国，是在STEM基础上的发展。1986年，美国国家科学委员会（NSB）发表了报告《本科的科学、数学和工程教育》，提出“科学、数学、工程和技术教育集成”战略，以此来开发大量的科技人力资源，保持国家经济的全球领导地位。这被视为STEM（science、tech-nology、engineering、mathematices） 教育的开端[1]。

美国国家科学基金会（NSF）对STEM提出纲领性定义：STEM不仅包含数学、自然科学、工程和计算科学，还包括社会行为科学，如心理学、经济学、社会学和政治科学[2]。余胜泉教授认为，STEM教育并不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加，而是要将四门学科内容组合形成有机整体，以更好地培养学生的创新精神与实践能力[3]。

笔者认为可以把这几门学科称作“元学科”，当然它并不代表这些学科的简单叠加，更不是只限于这几个学科，而是重点强调这几门学科的知识。学生以数学和艺术（arts）为工具，以工程能力为整个STEAM学习过程进行规划，通过运用物理、化学和生物等相关科学原理知识，采用一定的技术，物化出产品，最终可以通过产品来解决实际的问题，以此来提高学生对于多学科知识的融合和综合运用能力，加深学生对于知识的理解程度，最终提高学生的问题解决能力和创新能力。STEAM教育让学生亲身参与实际的问题解决中，这就连接了理论与实践、具体和抽象、感性与理性。

之所以倡导STEAM教育，是因为在当今知识爆炸时代，知识量成倍增长，人们已经没有时间和精力单纯致力于知识的学习;另外，许多工作和任务已经由只需要单一学科的能力转变为多学科的知识应用，单一学科的知识背景不足以胜任当今社会的工作需求，人们需要具备多学科思维，这样才能站得更高，看得更远。因此，STEAM教育应运而生。通过STEAM教育，能够提高人们的学习能力和适应能力，不管他到任何岗位，都可以很快地胜任;不管何种环境，都可以很快适应。

STEAM教育的课程设计不同于传统的课程设计：传统的课程设计更偏向于以教师为主导的灌输式教育，这种课程设计忽视了学生的自主性，忽视了学生的自身参与;而STEAM教育是以学生为中心来进行课程设计，强调学生的主体作用的同时，也强调教师的引导作用，和传统的教学方式存在较大区别。

2 STEAM教育课程设计的原则

项目学习、问题解决、工程教育、教育标准、技术素养，这几个关键词体现了STEAM教育的本质：培养学生的素养并解决实际问题[4]。

强调跨学科  STEAM本身强调跨学科，只涉及单一学科的课程不是STEAM课程，所以STEAM课程的设计要融合数学、物理、化学、艺术等多门学科。融合了多学科的STEAM课程，不仅可以使学生对单一学科的知识理解更加深刻，更可以提升学生综合运用多学科知识的能力，让学生体会科学原理的强大力量，进而激发学生的学习兴趣。

采用项目学习法  STEAM课程的设计原则遵循“学生通过参加基于问题的学习、基于项目的学习和基于活动的学习，实现学生学术成就、高阶思维技能和合作学习能力的提高”[5]。在STEAM项目学习中，项目学习自然会融合多学科的知识，学生不仅可以亲身体验问题，还可以实际解决问题，所以项目学习非常适合STEAM教育。

将工程和技术融入课堂  将工程和技术融入课堂将会产生很多好处。物理、化学等科学课程往往较为抽象，学生在课堂上的所学往往无法进行有效运用;而运用科学知识的过程往往伴随着工程和技术，如果将工程和技术融入课堂，不仅对学生理解科学知识有帮助，而且可以对学生进行工程教育和技术教育。

明确的结果（Well-defined Outcome）和模糊的任務（Ill-defined Task）[6]  明确的结果和模糊的任务并不矛盾。在现实生活中，对于一个实际问题的解决往往伴随着一个确定的结果，如建造一座桥，制作一个机器人等。对于这样的问题，可能最终的结果要求会很明确，但是解决的途径可能很多，所以就要求对于解决问题的途径并不能限制太严格，需要给学生留下自主发展的空间。

3 课程设计模型的构建

国外的Davison等人归纳出数学和科学融合的五种方式：特定学科、内容、过程、方法论和专题[7]。Oberlin 和White建构了“Berlin-White Integrated Science and Mathematics（BWISM） Models”，这个模型包括学习、认知方式、过程和思维能力、概念性知识、态度和观念（教学）[8]。普渡大学的Edward和Leah Jamieson教授建立了EPICS项目，每个项目包含五个阶段：建立项目合作关系;组织项目团队;开发项目方案;系统设计和开发;调整系统和支持[9]。

国内对项目式学习的实践研究稀少，首新、胡卫平等人探索了基于文化—历史活动观的小学生项目式STEM学习模式[10];大多数学者仍处于评价美国项目式学习模式阶段，如丁杰和蔡苏等在研究中提到Berry主张的基于项目的学习与STEM教育结合的三种模式：中心项目模式（教师主导课堂，学生完成核心任务）、学生主导项目模式（学生自己设计项目，教师全程指导完成）、基于学生主导项目的课程（学生提出问题并解决，教师监督完成）[3]。

STEAM教育强调在实施过程中把多学科知识融于有趣、具有挑战性、与学生学习生活相关的问题中，具有能够激发学生学习动机的趣味性，进而提高学生的学习动力[3]。因为是STEAM项目学习，所以主要围绕学生进行设计。虽然强调STEAM项目学习是以学生为主，但是也不可以忽视教师的作用，教师在项目进行过程中要始终扮演脚手架的角色，为学生提供资源的支持。不同的学生在不同的阶段会有不同的问题，需要教师站在一定的高度对学生进行指导，这种指导不是包办代替，而是引导学生如何通过自己的努力一步一步达到目标。课程设计模型如图1所示。

1）项目的确定。项目的确定需要明确学生当前的特点，符合学生的认知规律。项目情境要是学生所熟悉的，是贴近学生生活的，还要有一定的难度，只有在学生最近发展区开展项目，才能使学生能力得到最佳发展。除此之外，还应该融合科学课、数学课、艺术课的内容，只有融合多学科知识的项目，并且让学生切实体验、学习、融会贯通多学科知识，才是好的项目。

2）情境构建。虽然采用STEAM项目学习法，项目已经很贴近生活，但是毕竟在课堂上，教师利用多媒体等资源创设贴近真实的情境，更能激发学生的学习兴趣，激发学生的创造性。只有经过情境创设，学生才可更好地调动旧知，进入项目角色。

3）学生分组。原则是将学生分成3～4人一组，因为一个人就算能力再强，也抵不过一个团队，一个人的时间、精力、想法必然是有限的;两个人虽然也可以，但是项目量比较大，同样会面临很大的压力;如果多于四个人，会有小组成员责任减轻的情况出现，部分小组成员会变得懈怠，教学效果就会大打折扣，起不到项目学习应有的作用。所以3～4人一组是最好的选择，每个人都会有参与感，都会有很强的责任感，都有时间与能力把自己的分内之事处理好，会有比较好的效果。

4）角色分配。在一个团队中，只有分工明确，才能保持更高的运行效率。所以在分组之后，希望对学生进行角色分配。每个学生都应该在不同的项目中轮换角色，而不是只做自己擅长的角色，这样也是为了提高团队的效率。可以设置几个角色，例如：协助者，负责通知团队会议和讨论，确保每个人都知道什么时间要做什么事情，需要携带什么物品等;计时员，需要对项目的整个进程负责，确保团队按照规定的时间完成任务;鼓励者，负责确保每个人都有公平的机会参与项目，要提醒爱多说话的人给别人留机会，给不太爱说话的人留机会发言。当然，角色的分配也不是一成不变的，一个人可以同时担任多种角色，也可以空缺角色，只要是对项目的开展有益即可。

5）明确问题与限制条件。这是项目的开始，要引起学生的重视，学生要根据教师的讲述明确问题，这样才能从问题中理清最终设计目标。同样，限制条件也很重要。比如时间和资源的限制，学生必须在有限的时间内用有限的资源完成项目。只有明确问题和限制条件，才能在问题框架的限制中，使学生朝着最终的目标前进。

6）头脑风暴。当明确问题与限制条件之后，就可以引导学生进行头脑风暴，不要让他们给自己设限，也不要给想法设限，只需要让他们把所有想到的想法记录下来。虽然有些想法看起来不可能，但是好的作品往往是几个不太可能的想法的综合，所以先集思广益，收集点子，会起到比较好的效果。

7）设计草图。学生需要对头脑风暴之后的想法进行综合分析，根据目标的限制条件确定最好的方案，将方案简单画出来，边画边思考：是不是有地方可以改进？草图的设计也要尽量精细一些，各个部分的尺寸、位置、拼插结构等多方面越具体越好。

8）学习新知识。教师需要简单复习或者讲述完成项目所需要的基础知识，这个阶段主要目的是让学生认识到，所学的知识是可以实际应用到生活中的。另外，教师还要对学生设计的草图进行评价，提出建议。之所以把学习安排到设计草图之后，是因为不想让既定的知识影响学生的头脑风暴，不想让学生产生思维定式，这样才能不给学生施加限制，让小组成员的思维随意碰撞。

9）迭代设计。学生经过学习和与教师交流后，在互联网上进行信息搜集，可以重新审视团队的设计，然后在计算机上进行建模。好的作品都是需要经过多次修改和完善的，这个时间可以适当给学生留多一些时间，让他们从“做中学”，要相信在实践中才能得到更好的发展。

10）测试。设计好最终的产品就可以用3D打印机或激光切割机进行物化，然后进行测试。需要注意的是，大部分项目学习的产品，一次设计肯定是不够的，所以还需要返回迭代设计的阶段或者设计草图的阶段进行重新设计。学生需要经过多次的设计和测试，才能接近项目的要求，也是在这个阶段可以了解到想象中和实际有什么区别，这个阶段可以学到更多。

11）展示交流。這是一个很重要的环节，是学生展示自己作品的时刻。中学生都有表现自己的欲望，所以将自己团队的作品进行展示，能更好地锻炼他们的语言表达和沟通能力。学生制作PPT，对自己的产品进行发布，需要从构思、创意、遇到的问题以及如何解决等几方面进行介绍。所有团队介绍完之后，每个人就共享了每个团队的想法，还有可能碰撞出更好的创意。

12）评价反思。评价需要自评、互评和师评。评价的结果是说明一个团队项目成功与否的标尺。只有经过评价，一个团队才会知道自己的作品有哪些地方较好，哪些地方还有待改进，对自己的作品进行反思，甚至继续改进;教师也会了解学生哪些地方比较好，哪些地方存在问题。

13）评价量规的构建。评价量规要包括学生自评、组间互评、教师评价三方面，如表1～表3所示。

4 案例设计

项目名称  项目的设计一定要围绕STEAM的基本理念，践行STEAM的基本原则，即采用项目学习法，融入多学科知识的同时，将工程和技术结合起来，要有明确的结果和模糊的任务，这样才是一个好的STEAM项目课程。

本课程设计的项目选择基于3D打印的旋转木马的设计。选择这个项目一是因为旋转木马在生活中很常见，它贴近生活，对于中学生来说基本都体验过;二是实现起来有一定难度，但是在教师的支持下是可以做到的，比较适合中学生;三是旋转木马的内部结构不是特别复杂，需要一些简单的物理知识、数学知识、工程设计知识等，对于中学生来说，学过电路之后，知识层面就不存在什么盲点;最后，它结合了3D打印技术，能锻炼学生的工程建模能力。

材料  3D打印机、电脑、亚克力胶水、电机、导线、LED灯泡、小电阻、旋转轴、上色笔、ABS塑料等。

目标  设计、建模、打印并测试一个旋转木马，木马要实现旋转，并且在旋转的同时实现上下摆动;同时装备发光的LED小灯泡，旋转木马的设计要尽可能美观。

STEAM项目课程课时安排  考虑到旋转木马的复杂性和中学生的年龄和知识限制，要有足够的时间让学生进行学习、建模设计与测试。本课程设计分为六天，每天安排120～180分钟，如表4所示。

各模块课程设计

1）模块一。教学目标：通过情境构建让学生明确最终的设计目标;简单绘制草图。教学活动如表5所示。

2）模块二。教学目标：复习或讲述相关物理、数学、工程知识，确保学生制作过程中没有知识盲区;让学生认识到学习的知识是可以实际运用的;培养学生的工程设计思维。教学活动如表6所示。

3）模块三。教学目标：让学生从“做中学”;深刻体会理论知识的运用;培养不怕失败的精神和创新思维。教学活动如表7所示。

4）模块四。教学目标：培养学生的语言表达能力和沟通能力;提升学生的元认知能力。教学活动如表8所示。

5 结语

STEAM教育无疑在培养现代化人才和创新人才上有着巨大优势，STEAM人才有着更丰富的实践知识，有着更丰富的知识融合能力，有着更强的问题解决能力和创新能力。但是目前STEAM教育在我国并不是很容易推行，需要STEAM教育和我国本土的教育更好地融合。本文进行了STEAM教育课程设计模型的初步探索，以期STEAM教育能够在我国尽快实现大规模推广。

参考文献

[1]首新，胡卫平，王碧梅，等.基于文化：历史活动观的小学生项目式STEM学习模式探索[J].中国电化教育，2017（2）：33-41.

[2]Breiner J M， Johnson C C， Harkness S S， et al. Whatis STEM？ A Discussion About Conceptions of STEM in Education and Partnerships[J].School Science and Ma-thematics，2012，112（1）：3-11.

[3]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21（4）：13-22.

[4]赵兴龙，许林.STEM教育的五大爭议及回应[J].中国电化教育，2016（10）：62-65.

[5]The National Governors Association. Buildinga Science， Technology， Engineering and Math Agenda[EB/OL].[2016-1112].http：//www.nga.org/files/live/sites/

NGA/files/pdf/0702INNOVATIONSTEM.PDF;jsessionid=A5822A26DDCFC8509D5CFBDE02CA143E.

[6]赵中建.美国中小学STEM教育研究[M].上海：上海科技教育出版社，2017：10.

[7]Davison D M， Miller K W， Metheny D L. What Does Integration of Science and Mathematics Really Mean？[J].School Science & Mathematics，1995，95（5）：226-230.

[8]Berlin D F， White A L. The berlin-white IntegratedScience and Mathematics Model[J].School Science and Mathematics，1994（94）：2-4.

[9]White D W. Urban STEM education： a unique summerprogram[J].Technology and Engineering Teacher，2013（72）：8-13.

[10]王旭卿.面向STEM教育的创客教育模式研究[J].中国电化教育，2015（8）：36-41.