STEAM项目模型的构建与应用优秀获奖科研论文

STEAM项目模型的构建与应用优秀获奖科研论文

[摘

要]新课程标准倡导基于STEAM的跨学科学习方式。“一核四环”的STEAM项目模型，核心指向真实情境下的问题解决过程，并把STEAM项目的实施分解为引入、设计、物化、评估四个环节。该模型可用于优化跨学科项目式教学设计、规范项目开发、提升项目整合度，对于STEAM项目的开发與实施提供指导与参考。

[关键词]STEAM;跨学科;项目模型

STEAM教育作为跨学科融合的教学模式，以培养学生面向真实情境的问题解决能力为目标。是对传统分科教学的有益补充，符合深化课程改革的方向，有利于发展学生的创新精神和实践能力，对培养面向21世纪的拥有跨学科视野与国际竞争力的学生具有重要的价值。

一、对STEM模式的探索

赵呈领将美国生物学课程研究会（BSCS）提出的5E模式置于STEM教育背景下，以科学课教学设计了面向STEM教育的5E探究式教学模式[1]。黄桦将教学情境、整合“科学探究”和“工程设计”的教学模式、教学评量确定为STEM教育深度融入科学课程教学的三条主要实践路径[2]。高丹阳探索了STEM的教学模式融入信息技术学科，研究了BOPPPS教学模式在小学STEM课程的应用[3]。上述教学模式均以科学与信息技术学科为主体，在以下方面存在不足：一是未能从多学科融合的角度研究STEAM教学模式;二是缺少对工程与技术维度的探索，难以形成物化结果，因此未能指向学生工程思维及创新设计等能力的培养;三是项目构建虽以任务驱动，但与新一轮课程标准所倡导的基于高阶思维的学习还有一定距离。由此，STEAM项目模型的构建应着力解决这三个方面的问题。

二、STEAM项目模型的构建

STEAM项目模型的构建，应体现科学、技术、工程、数学、艺术多学科的融合，面向真实情境下的问题解决过程，并体现学生学习的特点及主动学习的过程。该模型可概括为“一核四环”：“一核”是指项目模型设计的核心，即要指向真实情境，培养学生在真实情境下解决复杂问题的能力;“四环”是指一个STEAM项目包括引入（Engage）、设计（Design）、物化（Materialize）、评估（Evaluate）四个环节。在评估后，可结束学习或重复这一循环过程（见图1）。

引入环节是项目式学习的开端，包括面向真实情境下的科学知识探究，在问题背景下对人文、历史知识的学习，运用数学工具进行分析与建模，建立数学模型并计算最优解等。设计环节围绕问题情境提出解决方案，通过对多个方案的比较与筛选，形成问题解决的合理方案及设计草图，并以技术手段完成相应的平面设计图、三维图形造型设计等。物化环节是把设计环节的抽象学习转化成具象模型的过程，可运用传统或现代的技术手段制作组件，包括各种现代加工工具的运用，如用3D打印进行立体造型，用激光切割机进行平面加工;零件加工完成后进行组装并解决组件之间的配合问题。即物化环节是将设计变成真实模型的过程。评估环节则在工程模型建立的基础上，培养学生的产品意识。这一环节会运用系统的方法对产品各个部分进行协调，采用类似工程的方法对模型进行测试，通过不断迭代升级实现对产品的优化。

在“一核四环”项目模型的四个环节，可有效融入多学科的核心知识，且各环节之间存在有机联系。该模型既可用于单个STEAM项目的设计，也可用于多个STEAM项目之间的整合。多个STEAM项目之间有两种整合形式。一是平面循环整合。在经历了一个项目的学习后，可能存在不符合设计要求，不能通过工程测试等情况，需要在该项目中重复学习;或因项目无法达到预期目标，需另行选择类似难度的项目。二是螺旋循环整合。在完成其中一个项目的学习后，再进入一个更高难度的项目任务。通过这样的项目循环，学生对知识的学习不再只是简单地重复或机械化地训练，而是会进入深度学习。

三、STEAM项目模型的应用

1.优化STEAM教学设计

如《系统的设计》为2019年浙江省课堂教学评比的指定内容之一，参赛教师拟采用微型STEAM项目[4]实现教学，教学设计时以各种机器人、循轨小车为载体，以此体现整体规划、迭代设计等思想。但是在试教中发现存在脱离真实情境、项目指向不明、学习内容碎片化等问题，导致学生对相关概念的掌握不够透彻，无法提升问题解决能力。于是教师用“一核四环”项目模型进行了优化设计，围绕“如何设计一辆简易的月球车模型”这一真实问题情境，按学生的学习路径展开教学。在引入环节探索月壤特性、结构稳定性等科学知识，认识探月工程发展历史;在设计环节设计月球车模型承载系统，并考虑不同承载底盘的影响;在物化环节对车辆的承载系统进行安装，对车辆运行距离进行测量，并结合数学运算选择合适的轮胎;在评估环节关注基本的承载系统能否满足后期扩展，并对车辆的清障能力进行优化。

在这一课中，教师运用了同一个载体，结合STEAM项目学习的路径，设计了承载系统、动力系统、清障系统三个难度递增的学习任务。学生在自主设计清障系统的过程中，提出了多种解决方案。这种由开放式任务引导的问题解决过程，使学生的思维更发散，参与度更高，任务完成度也更高。因此，学生进入了一种循环提升的学习状态。最后，该课例获得了2019年浙江省通用技术课堂教学评比一等奖。

2.规范STEAM项目开发

新课标的发布促进了STEAM项目的开发，但是在项目开发中也存在一些问题。一是开发内容混乱，项目设置目标不明确。有些学校把原来的校本课程重新包装，推出了“STEM+体育”“STEM+音乐”等所谓的STEM课程，但并未考