基于STEM理念的“走马灯”的创意设计与制作

甘小丽

【摘要】随着教育教学改革的持续推进，利用新式教学模式培养学生已经成为教育热点。其中，STEM教学模式响应教育需求，被中小学运用在各学科的教学中。STEM教育有机地将科学、技术、工程、数学等学科融合，培养学生的综合素养，引导学生在项目活动中应用多个学科的知识解决真实问题。本文在小学综合实践活动课的基础上，以《走马灯的奥秘》为案例，介绍如何基于STEM理念对走马灯进行创意设计，克服制作难点，培养学生发散思维、创新能力。

【关键词】STEM理念;综合素养;创意设计

一、核心概念界定

（一）STEM

STEM是科学、技术、工程、数学四门学科的简称，强调多学科的融合，遵循着“进入情境与提出问题”——“探究学习与数学应用”——“工程设计与技术制作”——“知识拓展与创意设计”——“多元评价与学习反思”的5EX教学模式，并根据实际的学情与教学目标，发展和提高学生在科学、技术、工程和数学领域的能力，培养学生的综合素养。2018年，李克东教授曾提出：STEM教育是一种引导学生面对真实情境的问题，通过科学探究、数学方法、工程设计和技术制作有机统一，运用跨学科的知识和方法来解决真实问题，引导学生通过“学做结合”学会应用跨学科的知识方法，提升学生的创新意识和创新能力，促进学生的全面发展的教育方式。其中，STEM教育框架图如图1所示。

（二）综合实践活动课程

综合实践活动课程是指在教师的指导下，由学生基于自身兴趣、经验，从生活真实情境中發现问题并将其转换成活动主题，自主进行探究、体验、制作、服务的跨学科实践性课程。该课程密切联系生活，注重培养学生的综合素质，体现了对知识的综合应用。2017年，张华教授提出，综合实践活动课程的新内涵是着眼于发展学生的高级能力与社会责任感。而国家教育部在《基础教育课程改革纲要（试行）》中提出：综合实践活动课程打破了传统单一学科的界限，将社会课题与学生问题、课内与课外、人类社会的综合性知识、理论与实践、跨学科知识和学生感兴趣的问题 ，统整成主题活动，以学生为主体的、创造性的问题解决学习活动，有机地将跨学科的综合性知识与单一学科性知识、体验性知识和学问性知识、校内和校外结合起来，以促进学生身心和谐发展。

二、分析现今综合实践课中存在的主要问题

现在的综合实践课堂的每个活动主题都包括“活动目标——活动任务——活动方式——方法导航——课时建议——具体实施”，活动主题又会细分成每个小活动。其主要教学模式一般是“发现问题——进行实践——进行评价——拓展延伸”。但是，在课堂上，大部分学生都被局限于“提问、实践、评价、拓展”的流程，缺乏多样性、针对性，而对于学科方面的知识与技能的掌握不深、甚至不知。这样的教学模式，并不能一直引起学生的兴趣，不能有效地培养学生的综合素养，也不能真正地解决真实情境中的问题。这尤其导致学生在“创意物化”方面侧重于片面化地完成设计制作，忽视操作技能培养提升和跨学科知识的融合创作。

而STEM教育与综合实践活动课程有着很多相似点，比如跨学科、以学生为主导等等。二者的相关内容如表1所示。因此，引入STEM理念创设主题进行探究，有利于突破原课堂模式的局限，进行创意设计，克服制作难点，培养学生发散思维、创新能力。

三、融合STEM理念的走马灯的设计与制作

在综合实践课堂的基础上，参考STEM课程建设理念思路，将综合实践活动课程与STEM理念融合，创设主题《走马灯的奥秘》（四年级）来对课程进行简单的教学分析。其中，STEM课程建设理念思路如图2所示，《走马灯的奥秘》主题教学框架如图3所示。

（一）进入情境与提出问题

1.以兴趣激发问题——走马灯初探

在日常生活中，灯笼是常见的，但是学生对于具有中国传统特色的走马灯（灯笼的一种）了解不深甚至不知，因此学生对于探索走马灯的奥秘兴趣极大。通过对走马灯的初探，引导学生了解走马灯的历史、简单结构、用途及应用，激发学生对于走马灯的运转原理产生头脑风暴，并为接下来课程的开展奠定知识基础，使得他们对于走马灯有了大致的了解，以此促进学生今后主动地获取更多信息。

在此课开展时应当注重知识的梳理，同时注意课前引导学生扩大对于走马灯的阅读面、具备一定的课外阅读调查基础，以此萌发学生心中的好奇种子。在一定知识储备支撑下，学生才能以兴趣为内驱力前往更高的水平台阶。

（二）探究学习与数学应用

1.设计实验，探索原理——走马灯的秘密（走马灯转动的原理）

在初探走马灯的基础上，提升问题高度，通过对比普通灯笼和走马灯聚焦问题“为什么走马灯会转动起来？”引发学生从走马灯结构方面进行猜测，并引导学生根据所提供的材料自主设计实验验证猜想、制作叶轮和制造研究装置探索走马灯转动的原理。

学生在四年级科学上册的《我们的热气球》学习中已经掌握了“空气受热膨胀变轻，上升形成气流”的科学知识，可以发现走马灯中的“热源”和“叶轮结构”是影响走马灯转动的主要结构。但是，在探究过程中，应当注重培养学生自主设计实验探究的能力，以通俗易懂的话语引导学生学会利用“控制变量法”进行探究，尽量引导学生设计简单化实验，使得学生可通过最简单省时的实验，完成探究。

（三）工程设计与技术制作

1.工程制作，深入探究

在了解了走马灯转动的原理后，从学生出发，确定下一步的探究方向，深入研究影响走马灯转速的因素，以此对走马灯有深入的了解。学生通过对比生活中常见的各种类型的走马灯，了解到走马灯之间的一些相同点和不同点。通过观看两个走马灯转动的视频，引导学生深入思考“为什么转动速度不同？”引发学生根据不同点进行猜测、确定研究方向、自主设计实验进行探究。

（1）走马灯的奥秘探索一：热量大小对走马灯转速的影响

由走马灯的蜡烛热源的结构组成，引发学生思考“热量对走马灯转速的影响”，由学生思考如何制作实验装置完成探究，将话语权交给学生，由学生小组讨论交流实验材料、工具清单、小组分工、实验观察对象、实验记录等等。学生提出了各种各样的想法，例如，“可以利用蜡烛的数量来改变热量的大小。”“在点燃蜡烛时，打火机和火柴哪个更好呢？”“利用什么来固定走马灯呢？”“怎么判断走马灯的转动快慢呢？”“如果实验过程中，着火了，怎么办？”……然后，教师协助学生确定材料清单、探究步骤、观察对象、探究记录等。最后，进行实验探究、展示，得出结论。

（2）走马灯的奥秘探索二：材料輕重对走马灯转速的影响

由走马灯的制作材料轻重，引发学生思考“材料轻重对走马灯转速的影响”，由学生思考如何制作实验装置完成探究，将话语权交给学生，由学生小组讨论交流实验材料、工具清单、小组分工、实验观察对象、实验记录等等。学生提出了各种各样的想法，例如：“可以在转筒上添加重物来改变轻重。”“在添加重物的时候，应当注意什么问题？”……然后，教师协助学生确定材料清单、探究步骤、观察对象、探究记录等。最后，进行实验探究、展示，得出结论。

（3）走马灯的奥秘探索三：探究体积大小对走马灯转速的影响

由走马灯的转筒和叶轮的组成部分，引发学生思考“体积大小对走马灯转速的影响”，由学生思考如何制作实验装置完成探究，将话语权交给学生，由学生小组讨论交流实验材料、工具清单、小组分工、实验观察对象、实验记录等等。学生提出了各种各样的想法，例如：“可以改变转筒大小来改变走马灯的体积大小。”“实验时，用几根蜡烛比较好？”……然后，教师协助学生确定材料清单、探究步骤、观察对象、探究记录等。最后，进行实验探究、展示，得出结论。

学生在交流讨论、实验过程中会有想法碰撞，碰撞过程中可能会存在一些争议、矛盾。此时，教师应当引导学生记录争议、解决矛盾。从争议融合中，激发和培养学生的发散思维;从矛盾解决中，培养学生的价值体认和责任感。

（四）知识拓展与创意设计

1.发散思维，结构与功能相适应——设计走马灯

（1）创意设计走马灯

在了解走马灯历史文化、结构、转动原理及影响因素后，以问题为导向，引导学生设计一个转动较快的走马灯。在设计过程中，引导学生联系生活，寻找灵感，确定走马灯类型，完成设计图，并加以文字说明。

（2）创意设计之改进

引导学生展示创意设计图、讲解他们的设计方案，同时引导其他同学对设计图进行提问，指出不足以及给予建议。再由学生进行想法汇总，教师进行补充，从而确定设计图的改进方向。修改设计图后，再引导学生思考“制作走马灯的步骤”，并记录下来。

在设计过程中，有的小组比较理想化，设计存在超脱现实的理念;有的小组比较注重实用，紧靠生活，但是缺乏新意;有的小组局限于生活原型、他人的想法，习惯性地模仿别人，缺乏小组特色;有的小组善于融合想法，创意设计。所以，在设计过程中，教师应当进行适当的指引。

而在改进过程中，教师应当针对设计过程中存在的一些典型设计现象进行展示，引发学生的思考，需要让学生了解到作品需要具备实用性、创造性、美观性，并要注意培养学生尊重他人想法的价值体认、为个人一言一行而负责的责任担当，从而更好地促进创意物化。

2.创意物化，体验创造的乐趣——制作走马灯

（1）走马灯造型工程一

制作前，全班制定制作注意事项，确保安全;经过讨论交流，确定制作流程，并引导学生根据设计图和制作流程制作走马灯，以竞赛的形式促进小组凝聚力及小组间的竞争意识。

（2）走马灯造型工程二

基于初步制作，引导学生继续完成走马灯，并以剪贴画、皮影、立体动画等形式进行美化、增加个性化和创意点。

在制作过程中，教师是充当为学生提供材料和工具的角色，给予学生自由的空间进行创意物化。这样，可以提高学生小组团队合作、协作能力，培养学生的合作意识和竞争意识。

（五）多元评价与学习反思

1.走马灯的测试与改进

完成走马灯的制作后，引导学生确定测试方案，并协助学生进行走马灯的测试、记录。测试后，引导各组学生对数据进行整理统计，并分享实验结果。其中，各组的数据都会有所不同，由数据引发学生思考原因，再根据具体原因对作品提出修改意见，进行改进。在分享展示过程中，同时根据展示情况和评价量表对走马灯进行多元评价和反思。

四、“基于STEM理念的走马灯的创意设计与制作”的教学效果与展望

基于综合实践活动课程的基础，融合STEM教育理念，创设的走马灯的创意设计与制作，存在以下的教学效果：

1.跨学科学习，培养学生综合素养。学生可在每节课中从科学、工程学、技术、数学、艺术等学科方面进行课堂学习。在潜移默化中，不但培养了学生的学科知识、技能，还培养学生的价值体认和责任担当，提高学生的综合素养。

2.项目式学习，发散思维，培养学生创新能力。学生经过一系列的学习后，能够自主设计实验进行深入探究，而不是流于表面的探究。同时，学生能够小组合作、头脑风暴进行创意设计、制作具备小组特色的走马灯。这不但培养学生的发散思维能力，还促进提高学生的创新能力。

虽然STEM教育和综合实践活动课程存在很多共同点，但是在课程的设计、开展、实施方面仍需继续融合。以下是对课程的未来期望：

1.如何基于《小学综合实践课程标准》深入地将STEM教育与综合实践活动课进行更好的融合，使得学生在课程当中能够更为大胆地进行思考、尝试实际、动手创造。

2.是否可以融合其它学科对应年级的学习内容，进行主题深化设计，使得学生在课程学习中能够同时从其它学科学习对应的知识与技能，构建连贯的知识结构。

参考文献：

[1]郭小娜. 基于STEM教育理念的小学综合实践活动课程设计研究[D].温州大学，2019.

[2]陈业聪， Chenyecong. 在新课程理念下培养学生的创新精神和实践能力[J]. 基础教育研究， 2005（2）.

[3]陈良红. 浅议小学综合实践的指导策略[A]. 教育理论研究（第十一辑）[C].重庆市鼎耘文化传播有限公司，2019：1.

[4]李克东，李颖.STEM教育跨学科学习活动5EX设计模型[J].电化教育研究，2019，40（4）：5-13.