STEAM教育与传统文化在物理教学中的结合

林馨郁 符宇萌 王汐柠 叶晴莹 温永银

摘   要：发展STEAM课程是当前时代背景下的重点方向之一。将STEAM理念中的6E设计型学习模式与传统文化在初中物理教学中相结合并形成范式，并以传统文化中的“走马灯”为例，结合案例作为教学设计进行了展示，有效促进学生物理学科核心素养的发展。

关键词：传统文化;STEAM教育;6E设计型学习模式;走马灯

1  STEAM教育与传统文化结合的背景

在全球化、信息化这个宏观背景下，随着时代的进步，科技的繁荣创新，各个国家都在开始思考，究竟什么样的教育能够培养出未来在各领域都有所建树的高端人才？我国作为拥有五千年历史文明的古国，古代器物中蕴涵着丰富的科技成就，其中很多可以作为优秀的课程资源来加以利用和开发。我们不仅要了解中国的历史文化，还要睁眼看世界，了解世界上不同民族的历史文化，去其糟粕，取其精華，从中获得启发，为我所用[ 1 ]。STEAM教育起源于美国，指的是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）、数学（Mathematics）相融合的教育。它不仅仅提倡学习这五门学科，更提倡的是一种新的教学方式。强调在综合项目中，学生可以通过实践和独立思考来设计作品或解决问题，从而提高学生的动手能力和思维素养。如若在实际教学时，将传统文化中的一些科技产物作为STEAM设计性学习模式中需要探究构思的项目，如竹蜻蜓、公道杯、欹器、走马灯等等，并融入STEAM教育中的6E设计型学习模式，用中国古人的智慧带领学生进行物理探究，不仅能潜移默化的进行知识的传授，提高学生的学习兴趣，而且还能增强学生未来在国际上的核心竞争力，提高学生的文化自信，可谓是一举多得。

2  6E设计型学习模式与传统文化形成的范式

6E设计型学习模式是美国国际技术与工程教育学会于2014年提出的落实STEM教育的活动模式，包括六个环节：参与、探索、解释、工程、深化、评价[ 2-3 ]。六个环节与中国古代先贤设计的器物结合范式如下：

（1）参与（Engage）环节：教师通过展示中华文化中的民族智慧的结晶产物并告知学生学习任务，通过提问使学生回忆起解决本节课的任务所需的前概念，建立起知识的连接。激发学生学习兴趣和学习动机，吸引学生参与教学活动中。

（2）探索（Explore）环节：介绍古代科技产物的建模过程，学生以小组合作的形式直接参与科技产物的构建，构建的基本原则是可行、材料易获取、环保等。整个过程中，教师应给予适当的指导，使学生在自我构建出古代器物的同时，提高课堂的效率。

（3）解释（Explain）环节：学生通过参与环节中有关知识的回顾，能够运用知识去解释探究过程及探究得出的产物。以此反思并细化所学知识，学会学以致用，将所学过的知识与具体的古代器物更好地联系起来。

（4）工程（Engineer）环节：教师提供给学生器物制作所需要的相关资源，确保每一个学生都能参与到项目的制作中。学生在探究过程中学习，对制作出来的古代器物进行不断的测试。并能够提出系统的改良设计方案。

（5）深化（Enrich）环节：教师通过向学生引入新的更多维的制作活动，引导学生将所学知识应用到更广泛的工程设计中，使教学源于传统文化，又不限于古代的思想，而是结合现代大胆创新，以此促进学生对知识的深度理解。

（6）评价（Evaluate）环节：教师利用过程性评价及总结性评价对学生制成的产品以及整个探究学习过程进行评价，评价的目的是促进学生的学习，让学生了解自己的不足，及时调整，以便更好的学以致用。

6E设计型学习模式将“科学探究”思维和“工程设计”实践相结合，让学生在真实情景中运用跨学科知识解决实际问题或挑战性任务，是落实STEAM教育的有效课堂设计模式[ 4 ]。

3  基于6E模式与传统文化相结合的初中物理课堂可行性分析

《义务教育物理课程标准（2011年版）》提出从生活走向物理，从物理走向社会这一基本理念。旨在让学生体会到生活中处处是物理，而物理又时时联系着生活，培养学生运用物理知识分析、解决生活中的实际物理问题的能力。而中国古代先辈发明的走马灯，是灯笼的一种，历经两千年而不衰，以探究走马灯的原理为出发点，让学生回顾初中各章所学的知识，并将知识用于解释生活中的走马灯，辅以传统的人文涵养熏陶，让学生能切实体会到中华文化的内涵。

新课标同时指出：“科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式”。新课程标准倡导探究式教学模式，旨在摆脱以教师为中心、以课程内容为目的的传统教学模式，注重学生智力的开发，注重学生创新思维的培养，培养学生自主学习能力和创新能力，形成以学生为中心、科学素养为目标的体验式实践教学新模式[ 5 ]。这与STEAM教育理念中的6E模式不谋而合，可见在初中物理教学中融入6E模式和传统文化是完全可行的。

4  基于6E模式的传统文化教学设计

教学活动需达成的目标（见表1）

具体教学环节如下：

环节1：参与

【教师活动】

（1）情景创设：介绍走马灯历史：兴于秦汉，成熟于唐宋，由皇家渐渐流入民间，此后作为节令玩具在民间广为流传，灯内物换景移，画影流转，故唤作“走马灯”。并展现各式各样的走马灯图片，让学生感受到传统文化之美，如图1所示。

（2）提出问题：回忆之前所学过的知识，思考走马灯的原理是什么？从走马灯身上你能看到什么现象？

（3）明确任务：提出制作出一个简易走马灯的活动任务。

【学生活动】

（1）参与课堂，观看照片，感受走马灯之美。

（2）分成若干小组，合作复习旧知识，为接下来的环节进行准备。

【设计意图】

通过走马灯来源历史的介绍，激发学生的学习兴趣和好奇心，培养学生文化自信，通过提问确定制作走马灯这一目标。

环节2：探索

【教师活动】

（1）介绍走马灯模型，引导学生拆分走马灯，分析走马灯构成，如图2所示。

（2）鼓励学生进行头脑风暴，引导学生进行简易的方案设计。

（3）在学生天马行空的构想中，教师需要给学生一定程度的指导，确保任务可行易操作。

【学生活动】

（1）对走马灯模型进行拆解，分析各部分的功能和作用。

叶轮：转动机械

火焰笼：外观造型

支架：支撑

轮轴：使叶片转动

蜡烛：提供热量

吊饰：装饰

（2）在可行、环保、易获取原则的指导下，学生对走马灯进行设计。

（3）利用作图软件将小组设计的走马灯进行呈现，并在一旁注明自己对走马灯外观的设想，包括大小，形状，外观造型，所用材料等等。

【设计意图】

学生在明确目标之后，通过小组讨论，自我探究等模式来设计走马灯方案。同时让学生自我设计走马灯外观，在感受传统文化之美的基础上提出自己视角中走马灯的美，近一步提高学生自我探究的兴趣，培养自信心。

环节3：解释

【教师活动】

（1）教师组织各个小组上台分享自己的设计思路和方案，以及涉及到的学科知识，鼓励学生大胆地将学过的知识解释走马灯的原理，并在原理解释的基础上对走马灯进行进一步的扩展：走马灯上还有什么规律和现象？

（2）通过学生前概念与实际案例的结合，了解到学生对原理掌握的情况与不足，并培养学生用理论知识解释实际问题的能力。

【学生活动】

（1）学生展示对于走马灯的构想，并通过所学知识进行解释：当走马灯内的蜡烛被点燃，周围的空气分子运动会更加剧烈（分子的热运动），空气分子会膨胀，继而向上运动（密度），吹动走马灯叶片，使走马灯旋转（内能做功）。

（2）走马灯旋转起来时，灯内的吊饰会投影到墙壁上放大（光沿直线传播），当走马灯旋转速度增加，火焰笼上的图案运动了起来（视觉残留效应）。

（3）各小组进行方案比较，相互完善，彼此探讨。

【设计意图】

学生通过阐述自己对于走马灯的设计构想和走马灯中涉及的各种知识，充分暴露自己的认知水平，教师可以根据学生的回答针对性的进行因材施教。

环节4：工程

【教师活动】

（1）在学生设计的各种方案中，选择一个操作简单，可行性高，环保的项目进行动手操作（纸杯走马灯，如图3所示）。

（2）提供材料：一次性纸杯、蜡烛、水彩笔、铁丝、美工刀、打火机。

（3）学生制作时，教师进行巡视，给予指导和建议，并确保实验安全。

【学生活动】

（1）运用在上一个环节中总结的理论进行制作，将设计的各种走马灯模型转换为实际的纸杯模型。

（2）将制作好的纸杯走马灯进行性能测试，分析失败的原因：没有找到上纸杯的重心、叶片数量没把握好等等。

（3）根据测试结果，检测调试、迭代优化。

（4）将纸杯型走马灯调试过后的数据进行应用（铁丝长度、上纸杯的高度、叶片数量等）创作出科学可行易成功的走马灯，如图4所示。

【设计意图】

让学生动手进行操作，将学过的理论知识应用于实际，培养实际操作能力，在工程的基础上，加强对物理知识和数学知识的理解。

环节5：深化

【教师活动】

（1）在掌握了纸杯型走马灯原理的基础上，指导学生将自我设计的方案进行可行性改进。

（2）引导学生根据自我的方案创作出新的走马灯，让学生在新产品中将技能和知识进行迁移。

【学生活动】

（1）小组成员对方案进行改进和升级，每组成员在力所能及的基础上购买新型走马灯的材料。

（2）充分交流和讨论，再次体会工程设计的过程，制作新型走马灯，如图5所示。

【设计意图】

在本环节，教师通过提升任务的难度，引导学生进行知识的延伸与扩展，并启发学生制作多种类型的走马灯，开发学生的创新型思维。

环节6：评价

【教师活动】

（1）针对不同环节，采用形成性评价：

参与：是否积极的参与课堂。

探索：设计方案是否满足可行、环保、易获取等原则，呈现的图像是否契合实际。

解释：解释时是否能提出走马灯中蕴涵的知识。

工程：是否能构建出走马灯模型，是否美观。

深化：是否在纸杯型走马灯基础上做出更多走马灯模型，是否能将走马灯根据数据进行升级。

（2）总结性评价：对产品进行评价。评价标准依据：创新、美观、可重复、环保等。

【学生活动】

（1）组内互评：对小组成员的参与度、贡献度进行匿名评价。

（2）组间互评：小组间互相观摩彼此的最终产品，对产品进行评价。

（3）自我评价：对自我是否进步，是否收获了更多知识与技能进行评价。

【设计意图】

以评价促发展，以评价促进步，通过评价进行交流反思，让学生了解自己的不足，及时改正，促进知识与技能的提升。

参考文献：

[1] 习近平. 在中央党校建校80周年庆祝大会暨2013年春季学期开学典礼上的讲话[J]. 理论视野， 2013（3）： 5-8.

[2] 苏贡国. 基于STEAM教育的初中物理教学实践[J]. 中学教学参考， 2020， 38（23）： 44-46.

[3] Burke B N. The ITEEA 6E Learning by DeSIGN[TM]Model： Maximizing Informed Design and Inquiry in the Integrative STEM Classroom[J].Technology and Engineering Teacher，2014， 73（6）： 14 - 19.

[4] 谢丽， 李春密.整合性STEM教育理念下的课程改革初探[J].課程·教材·教法， 2017（6）：64 -70.

[5] 严文法， 芦瑾， 金普军.基于6E设计型学习模式的STEAM活动设计—以青铜器文物除锈为例[J].化学教学，2018， 380（11）： 63-67.

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