中美合作STEAM课程的教学魅力

□ 丁建勇

一、关于STEAM教育核心概念的界定

STEAM是科学 （Science）、 技术（Technology）、 工程（Engineering）、艺术 （Arts） 和数学 （Mathematics）五个学科的简称。其中，“S”是指科学的概念，是开展STEM课程的基础，因为无论课程主题是什么，都要围绕一个科学概念来展开；“T”所代表的技术是学生在课程中操作工具、运用材料等动手能力；“E”即工程，是进行问题分析、设计方案、建模、测试等解决问题的过程，这也通常是课程设计的主线；“A”即艺术，指广泛的人文艺术科目，涵盖社会研究、语言、形体、音乐、美学和表演等；“M”是数学和计算思维，是指学生和教师进行数据解读与分析的能力。STEAM教育支持学生通过整合学科知识并运用这些知识认识世界、改造世界，达到培养自身解决问题的创新能力。它要求学习者带着问题学习，是基于项目式、情景式、探索式的学习。它要求教育者拥有多学科、跨学科、综合性、多面性的知识，以趣味性、游戏性的教学方式去设计和开发STEAM课程。

STEAM教育由美国政府主导的STEM教育计划演变而来。STEM教育研究最早起源于美国科技促进协会在1985年发起的一项致力于改革美国科学、数学与科技教育的 “2061计划”。STEM教育模式以项目为引领，强调在众多孤立的学科中建立一个新的桥梁，为学生提供整体认识世界的机会，以消除传统教学中各学科知识割裂、不利于学生综合解决实际问题的障碍，是一种大综合的科学教育理念。后因部分学者主张，STEM只是 “理工科”的学习，不应该只包含理工科知识，还需要有艺术、人文、社会、情感等学科的融入，所以应该加上一个“A”， 即艺术 （Arts）， 故而 STEM变成了STEAM。

国外STEAM教育主要集中在美国、英国等发达国家。如美国的“项目引路”（PLTW）机构在中学阶段推出的STEAM课程的教学活动多为基于项目或问题的学习，让学生在产品研究、设计、测试中得到综合训练。美国还建立了专门的STEAM中学，学生可以申请经费、得到专家的指导，学校为表现好的学生设立大学先修课程，大幅提高了学生在这些领域的知识及科研水平。

STEAM教育中国特色体系已初现端倪。2016年，《教育信息化“十三五”规划》中指出，有条件的地区要积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用。2017年，教育部印发的《中小学综合实践活动课程指导纲要》明确将创意物化能力培养作为课程目标，引导中小学开展STEAM教育。2018年1月，在新颁布的普通高中课程标准中，很多学科也都明确渗透或倡导了STEAM教育思想。STEAM教育已成为我国进一步深化课程教学改革、创新人才培养模式和选拔模式、提升学生科学与创新素养的重要抓手。

二、中美合作STEAM课程项目教学实践案例

2017—2018年，河北定州中学与美国加利福尼亚州奇诺谷学区开展项目合作，在河北省基础教育领域率先尝试了中美合作全英文STEAM课程项目，将学校课程体系与美国科学类、技术类、工程类、数学类、文学类、艺术类、外语类等课程对接和融合，围绕学校特色综合实践类校本课程建设和特色拓展探究类校本课程建设展开研究与探索，并取得了一定实际效果，为推进STEAM课程本土化和特色化研究与实践提供了可行性范例，具有重要的现实意义和实践价值。

（一） 关于《制作净水设备》的课程案例

1.课程目标

培养学生环保意识和创造理念，在世界范围内研究解决水污染问题的方法和策略，确保农村水污染地区用水安全。制作一个多种类型的、易于使用的净水设备，最终成品是学生做出的净水系统，学生们以专题广告形式和画廊陈列模式来展示产品，进行模拟商业销售。

2.科目设置及授课内容

该项目总学时30小时，包括英语语言文学、化学、数学、3D虚拟设计、工程 （3D实体模型）等五个科目教学内容。英语课：阅读关于水污染的研究文章，讨论当地水污染问题，并为净水系统写使用说明并作为销售广告。化学课：学习净水系统的原理并对净化前后的水进行检测。数学课：计算净化出的纯水占净化之前的百分比，并计算出需要净化多少水以供家庭使用。工程课：在电脑上设计净化系统，并使用工程设计制法来制作模型。

授课期间，学生以合作小组形式人人参与，运用英语进行阅读、写作和交流，并设计、制定问题解决方案，同时反复论证、修改。活动结束时，学生通过广告设计、3D作品、实体模型等形式，展示设计思路和产品，并进行模拟商业销售。

（二）关于《卫星和轨道航天器》的课程案例

1.课程目标

发掘学生的创造潜能，开发学生想象力和动手操作能力，增强社会实践能力；陶冶学生的语言、文学、美术、健体等艺术修养，提升学生的跨文化语言交际能力；引领学生了解自身兴趣爱好、性格特征，提高学生对未来进行职业规划的能力。学生以绘画艺术、电脑设计、实体模型来展示卫星、机器人和宇宙飞船图案，并通过实际操作演示宇宙飞船着陆。

2.科目设置及授课内容

本项目总学时30小时，包括以下科目：《工程Engineering》：工程建造、评估和重新设计模拟发射卫星；工程设计和建造减震系统以运输宇宙飞船。《艺术欣赏Art Appreciation》：行星艺术品，学习艺术元素——形状、线、颜色、明暗度、纹理。《科学Science》回顾和注释与卫星和航天器有关的文章。《数学探究 Mathematical Inquiry》：制定一个几何机器人，送入太空；制定和草拟卫星设计。《大学/职业规划 College/Career Readiness》：使用计算机实验室探究自己感兴趣的领域和职业。《美国历史American History》： 马丁·路德·金及美国黑人运动史等。《体育运动Physical Education》：美式橄榄球、排球、篮球、跳绳等。

在完成项目的过程中，学生发挥想象力和创造力，设计外形美观的卫星和机器人模型。通过力学装置，将物理力学、建筑学和艺术审美有机结合起来。项目任务不仅涉及了物理、工程等基础知识，而且还从团队协作、数学探究、职业规划、艺术修养、人文历史及强健体魄等综合角度全方位让学生体验不同专业学科领域常识。

三、中美合作STEAM课程项目的运作流程、主要特征及其教学魅力

中美合作STEAM课程项目基于 “一个核心”（课程的核心或立足点基于要解决的问题或项目），围绕 “两个循环”开展 （教师的教学设计和学生的学习活动围绕 “探究学习循环”和 “设计制作循环”），呈现 “六个特征”（即课程具有 “跨学科学习、跨文化交流、工程设计主导、学生动手操作、团队共同参与、成果多元开放”的主要特征），凸显 “六个魅力”（即创新魅力、人文魅力、思维魅力、实践魅力、合作魅力、个性魅力）。

（一）中美合作STEAM课程的目标、核心或立足点基于要解决的问题或项目

STEAM课程强调在看似杂乱无章的学习情境中发展学生的问题设计能力和问题解决能力。学生学习的过程就是解决实际问题和完成实际项目的过程，是对传统的分学科教学中教师 “讲授原理”“举例说明”“巩固训练”等惯性教学方式和学习方式的一种颠覆和革命。因此，基于现实情境的真实问题或项目的解决构成了驱动学习的任务目标、核心因素和关键点位。

（二）教学始终围绕“探究学习循环”和“设计制作循环”进行

STEAM项目研究过程包括了“探究学习”和 “设计制作”两个并行或串行展开基本循环。在STEAM课堂上，学生围绕问题或项目，根据个人的兴趣及学习中的困惑和疑问，开展 “探究学习”和 “设计制造”活动，主动搜集资料、分析数据，并设计、测试和改进问题的解决方案，同时不断与合作伙伴交流、分享研究成果，进而提高学生对科学概念的理解，充分发展学生的实践与创新能力。

（三）中美合作STEAM课程的主要特征及其教学魅力

与传统分学科教学相比，中美合作STEAM课程具有鲜明的跨学科、跨文化、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、趣味性、实证性和技术增强性等特点，尤其凸显了 “跨学科学习、跨文化交流、工程设计主导、学生动手操作、团队共同参与、成果多元开放”等主要特征，并在 “创新性、人文性、实践性、工程思维、合作学习、学生个性发展”等方面展现出独特的教学魅力。

1.跨学科学习展现STEAM课程的创新魅力

STEAM课程的跨学科学习是一种现代教育哲学，具有方法论意义。它不是把科学、技术、工程、艺术和数学等知识进行简单叠加，而是在解决实际问题中使各门学科有目的、有意识地有机融合。

首先，对中国教师来说，跨学科学习促使其跳出基于标准化考试的传统教育思维定式，使其勇于以融合多种学科的视角积极探索，在教育理念、教学方式和教学内容上不断革故鼎新。其次，对中国学生来说，不仅在跨越学科界限、综合运用多种学科知识设计解决方案的过程中，逐步形成跨学科的思维习惯和学习习惯，而且在对一个个模糊不确定的课题的一次次锲而不舍的探究过程中，会进一步启迪求异思维，发掘创造潜质，生成创新意识、创新思维和创新能力。再次，对中国学校来说，课程项目本身最直接、最重要的价值就是引发对校本课程体系的改革创新。

2.跨文化交流彰显STEAM课程的人文魅力

跨文化交流为学生搭建了平台，提供了机会，增强了学生的人文情怀、艺术修养和语言修为。一是为帮助学生树立人类命运共同体意识和多元文化意识，形成开放包容的态度创造了条件，为学生未来适应经济全球化和社会信息化奠定了基础。二是通过美术、音乐、健体等艺术课程人文素养浸润，培养学生高尚的审美情操和艺术鉴赏品位。三是地道的英语口语教学和英美文学增强了学生的语言、文学修养，提升学生的跨文化语言交际能力。四是职业规划课程学习，引领学生了解自身兴趣爱好、性格特征、擅长的学科，进一步提高对未来进行职业规划的能力。

3.工程设计主导透视STEAM课程的思维魅力

工程始终是STEAM课程的主导或主线，能够在有意义的情境中整合，强化科学、技术、艺术、数学等学科学习和应用。工程的关键是在工程设计和研究过程中要形成工程思维。工程思维是一种筹划性、系统性的思维，是运用各种知识解决工程实践问题的核心，关系到提出问题的时机、工作的排序与调整、形成有效的思维模式、如何判断工作成果优劣等程序和方法。通常包括以下步骤：一是确定需要解决的问题和需要达成的目标；二是研究和制定解决问题的方案；三是根据已有知识与目标制作模型；四是对模型进行评估，选择最优方案；五是如果没有达到预期目标，则重新定义问题设计步骤。

当前高中学校的教学方式多以认知型思维为主。STEAM课程将工程思维引入课堂教学，是一种思维方式的变革。工程思维能够使学生完整地经历提出问题、规划方案、修订方案、解决问题、形成成果、展示交流、评价改进的各个阶段，使学生的知识与技能、实践应用能力、迁移创新能力、跨领域合作沟通能力等不断发展，对学生思维方法、心智模式、统筹能力的形成具有重要意义。

4.学生动手操作体现STEAM课程的实践魅力

STEAM教室与传统教室不同，是一个布置着木板、锉刀、画笔、电线、电路板、芯片、3D打印机以及各种教育科技产品的工作坊或操作间。学生的认知与学习，是通过动手操作活动这一中介体完成的。在做中学，在学中做。用互联网查询资料、构想可行性方案、动手制作产品等一系列实践活动，由此激发学生无穷的创造潜能，这就是STEAM教育的实践魅力。

5.团队共同参与凸显STEAM课程的合作魅力

STEAM课程凸显了教学过程中沟通、互动、交往和合作的本质。传统教学中的学习方式为“孤独学”或“单一学”，而STEAM 为 “对学”或 “群学”。传统教学中的信息传递方式为“一对多”，而STEAM课程中实现了多元化，既有 “一对多”，也有“多对一”，更有 “一对一”和 “多对多”。

一是在达成团队目标的过程中，通过个体发言、同位商讨、小组讨论、同学辩论、教师点评等多维互动方式展示不同的观点和经验，实现课上互学、课下互助、师生互动、生生合作的多边活动形态，有利于项目顺利开展。二是通过合作学习、质疑争辩，增强学生学习动机，为学生提供更多参与课堂的机会，融洽同学之间的合作关系，进而提高课堂教学活力。三是在反思、改进的过程中，提高学生接受反馈、与同伴对话、反思改进的能力，主动纠正错误，享受学习愉悦，感受成长幸福，有助于学生创造生命力的生成、持续和延展。

6.成果多元开放释放STEAM课程中学生的个性魅力

成果的多元开放是STEAM教育的真正魅力所在。在进行工程设计时，学生们或分析归纳，或联想想象，或发散收敛，或探索批评，常会提出一些出乎教师意料的充满奇思妙想和个性思维的设计思路，在思维灵活性、联想和创新能力等方面表现出风格迥异的个性特点和魅力。

当然，学生的探究结果有可能与教师预期结论并不相同，也可能是失败的，但STEAM课程允许挫折、弯路和失败。事实上，创新就是一个试错的过程，基于失败作品的重新研制也是正常且必要的，对失败的反思、重新设计与制作的过程，就是一个再认识、再思考和再创造的过程。尊重差异，允许失败，发掘学生的聪明才智和创新潜质，绽放学生个性发展的魅力之花！

四、结语

新时代，新思维，新课程。在当前推进中国学生发展核心素养落地、加强创新型人才培养的大背景下，学校课程建设要主动作为，把培育学生积极的人生态度、价值取向、创新意识和关键能力有机整合为课程目标，积极借鉴国外STEAM教育优质资源，加强STEAM教育的本土化、特色化探索，让科学与创新深入每一个孩子的心田，进一步培养学生的家国情怀、国际视野和人类命运共同体意识，努力写好高中新课程改革的奋进之笔！