基于6E学习模式的STEM课例开发

茅君平

摘   要：情境整合是STEM教育中比较典型的课程设计模式。文章介绍了备受工程设计领域青睐的6E设计型学习模式，并对高中物理“多用电表”课例进行了基于6E模式的设计研究，以探讨在高中必修课程中推进STEM教育之实践路径。

关键词：6E设计型学习模式;STEM;课例开发

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）4-0009-4

在STEM教育的各種跨学科整合模式中，情境整合模式被广泛应用于工程设计类的课例中。基于情境整合模式的STEM教育强调让学生面对真实情境，经历科学探究、工程设计、数学方法和技术制作等一系列过程，运用跨学科知识和方法解决实际问题。该模式以涉及STEM的主题为中心，以情境或问题激发学生的好奇心，在问题支架的引领下，学生通过工程设计活动，将科学、数学和技术知识进行链接，制作出相关作品。在此类STEM课堂中，学生的学习是面向真实情境的、探究是主动积极的、体验是沉浸式的。教师则是情境的设计者、学习活动的组织者、必要支架的提供者、评价量规的制定者。

1    6E设计型学习模式

情境整合模式的STEM课程强调选择真实的情境主题，以问题驱动并通过科学探究获得知识为原则，依托适切的程序支架构建完整的课程体系。针对此类STEM课程的开发，美国国际技术与工程教育学会提出了著名的6E设计型学习模式。它包括六个阶段，如表1所示。

6E设计型学习模式结合了“科学探究”思维和“工程设计”实践，让学生在跨学科的具体情境中感知和提出自己的问题，运用跨学科的知识应对和解决挑战性任务，是STEM教育中比较适切的课程设计模式。

2    基于6E模式的STEM课程设计

在高中阶段，以物理学科为基础，整合其他多学科开发STEM课程、开展STEM教育是一个有意义的尝试。本文结合情境整合类STEM课程的特点，以人教版高中物理选修3-1中的“多用电表”为例，探讨基于6E模式的STEM课程开发程序。

2.1    STEM课程教学目标的描述

STEM课程的教学目标可以从三维目标结合素养目标等角度描述。本课例的学习目标可描述为：“学生通过运用闭合电路欧姆定律探究设计欧姆表，即通过理论探究学习欧姆表的原理;通过实验探究经历欧姆表的设计过程，深化理解欧姆表的原理;按照工程设计和技术制作程序，完成三表合一的制作任务;进行测试，最后根据测试结果完善设计方案。”教学目标分解如表2所示。

2.2    STEM课程教学活动的设计

根据6E设计型教学模式，我们把本主题的教学活动分成6个环节，以下重点对各个活动环节中教师的指导活动和学生的学习活动作出说明。

教学活动1：参与（Engage）

【教师指导活动】

（1）设置情境：播放电工检修电器视频，视频介绍需要检测的物理量，视频展示电工的工具箱、电工检测电路所要用的仪表;

（2）提出问题：电工为什么不同时携带电压表、电流表、电阻表？

（3）引导学生思路聚焦：视频中集测量电压、电流、电阻功能于一体的多用电表是如何设计的？

【学生活动】 （1）集体观看视频，并回答前面两个问题;（2）根据已有知识经验，绘制电压表和电流表原理图;（3）任务聚焦：测电阻的欧姆表该如何设计？

【设计说明】 在“参与”环节，主要任务是创设情境导入课题，激发兴趣和动机。就本课例而言，教师通过设置电工检修电路这一真实的生活情境，激发学生的求知欲，从而调动学生的学习热情。让学生绘制电压表和电流表原理图是对已有知识经验的回顾复习。学生在问题的引导下注意力被聚焦到“设计能直接测量阻值的仪表”这个富有挑战性的目标上来。

教学活动2：探索（Explore）

【教师指导活动】

（1）明确任务：设计测量电阻的电路，当接入电阻时，电流表显示待测电阻值;

（2）板书问题支架，引导探究路径：①不同标准的电阻接入，电流表读数是否相同？②电流表读数是否从某种意义上反映了接入电阻的大小？③能否在电流表刻度上直接标注接入的电阻值？④电流零刻度该标多大阻值？电流满偏刻度呢？中间刻度呢？⑤电阻刻度是均匀的吗？为什么？⑥电流值和接入电阻之间是否存在对应的函数关系？

（3）组织讨论，形成共识：根据闭合电路欧姆定律，可以寻找表头电流I和待测电阻Rx间的函数关系，确定各电流刻度上对应的Rx值。

【学生实践活动】 （1）明确探究目标，依托问题支架开展分组探究;（2）开展分组讨论，分组设计欧姆表草图;（3）组内成员间相互诘问设计原理和细节。

【设计说明】 在“探索”环节，主要任务是在清晰目标的基础上充分讨论、开展头脑风暴、形成设计方案。教师在这个阶段的主要任务是帮助学生明确探究任务、提供探究支架，组织深入有序的探究活动。欧姆表的原理是教学的重点也是难点。在学习的起点（闭合电路欧姆定律）到终点（设计欧姆表）之间学习跨度较大，难度也较大。本活动分两步走：组织学生讨论出欧姆表的原理图和标注刻度盘。其中，在标注刻度环节，教师通过设计问题支架，引导学生逐一探究，最终达成学习目标。

教学活动3：解释（Explain）

【教师指导活动】 （1）组织各小组上台讲解设计思路、展示欧姆表完整的原理图，一人主讲、全员参与;（2）重点关注学生对刻度标注的解说，引导学生阐述最大值、零值、中值电阻的标注办法，鼓励学生诘问;（3）要求学生阐述一般刻度的标注办法;（4）说出电阻刻度的特点，分析该特点背后的原因。

【学生实践活动】 （1）向其他小组同学展示欧姆表设计图，讲解设计思路以及串联可调电阻的原因;（2）阐述电阻刻度的标注办法;（3）说出电阻刻度的特点及原因;（4）倾听和评价他人的解释，必要的时候发起诘问。

【设计说明】 在“解释”环节，主要是学生阐述探究思路，展示探究成果并接受其他学生的提问。学生的解释表现反映了其运用闭合电路欧姆定律设计欧姆表的理解水平。教师在这个环節可鼓励其他学生通过诘问等方式推动组间交流，把学习引向深入。

教学活动4：工程（Engineer）

【教师指导活动】 （1）提供实验工具和资源（泡沫面板、电池、表头、可变电阻、导线、测量表笔、标签纸、笔、待测电阻若干）;（2）组织学生分组制作，教师参与指导工作;（3）利用制作的欧姆表测量已知阻值的电阻，检测准确程度;（4）引导学生得出欧姆表的正确使用步骤。

【学生实践活动】 （1）利用提供的教具仪器，制作出欧姆表;（2）在表头刻度上粘贴标签纸，在标签纸上标注电阻刻度值;（3）用表笔测量已知阻值的电阻，检验准确度;（4）归纳得出使用欧姆表测量电阻的操作步骤。

【设计说明】 在“工程”环节，主要是利用科学知识和技术去建立问题解决方案的程序，包括明确任务、初步设计、画图标识、计划步骤、原型试验等。在本课例中，该环节主要体现为学生运用工程设计的程序、经历工程设计的各个环节制作欧姆表，在实践中进一步检验自己的理论探究成果。

教学活动5：深化（Enrich）

【教师指导活动】 （1）能否实现三表合一，设计集测电流、测电压、测电阻于一身的多用电表？教师抛出问题后引导学生分别画出电压表、电流表的原理图，组织学生讨论：① 新表需要几个电流表表头？②测量表笔是否共用？ ③测电压、测电流、测电阻应如何选择量程？（2）先组织分组设计多用电表，后呈现标准多用电表原理图，引导各组分析对比。（3）组织学生制作多用电表（在泡沫板上布线，课后封装）。

【学生实践活动】 （1）聚焦问题分组讨论，以目标为导向、以问题为支架，在讨论中不断修改设计图以达成目标;（2）在设计好完整的多用电表原理图后，进行组间交流，通过诘问等方式深化认识;（3）和教材提供的多用电表原理图进行对比分析，找出差异，比较设计中的思维偏差。

【设计说明】 在“深化”环节，主要内容是对工程环节的进一步深化，提升任务难度，进行装置的再次升级和制作。在该过程中，通过增加任务难度，引导学生进行知识和技能的提升以及迁移，学生在原设计方案的基础上进行延伸和拓展。从单一功能的欧姆表拓展到多功能的多用电表，背后是知识的进一步拓展，是学习的进一步深化，也是对前面各环节学习的整合提升。

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（上接第11页）教学活动6：评价（Evaluate）

【教师指导活动】 （1）分组展示作品，解释作品;（2）呈现评价量规（列举评价细目表），指导学生自评;（3）组织学生根据参与度、积极性等表现对组内同学进行互评，促进相互鼓励;（4）发放诊断性小测验，测量、评价学习效果。

【学生实践活动】 （1）向同学展示作品，听取其他小组和老师的评价分析;（2）根据学习过程中的表现，对同伴进行互评、提出建议和鼓励;（3）完成诊断性知识技能测验，检测目标达成情况。

【设计说明】 在“评价”环节，主要是依据评价标准，师生一起对学习效果进行检测，包括自评、互评、测验等，并给予反馈。以过程性评价为主、总结性评价为辅，评价的重点应体现在问题的解决能力、协作能力和创新能力等方面。本环节教师设置了案例型的书面诊断测验，作为结果性的评价之一，检查学生知识技能目标的达成情况。

基于情境、项目、问题、协作学习的STEM教育，模糊了学科的界限，把学生拉回到真实的情境中，通过“科学探究”和“工程设计”等实践活动开展学习，任务解决过程本身就是学习的过程。笔者认为，STEM教育不但能较好地落实学生的知识能力目标，也能很好地对其达成素养目标的培养。

参考文献：

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

[2]李春密，赵芸赫.STEM相关学科课程整合模式国际比较研究[J].比较教育研究，2017，39（5）：11-18.

[3]李克东，李颖.STEM教育与跨学科课程整合[J].教育信息技术，2017（10）：3-10，13.

[4]谢丽，李春密.物理课程融入STEM教育理念的研究和实践[J].物理教师，2017，38（4）：2-4.

（栏目编辑    赵保钢）

收稿日期：2018-11-29

作者简介：茅君平（1979-），男，中学高级教师，主要从事中学物理教学工作和研究，曾获台州市教学大比武一等奖。