“降落伞”STEAM课程的设计与教学实施研究

“降落伞”STEAM课程的设计与教学实施研究摘要：本文将STEAM教育理念与降落伞课程相结合，让学生自己动手针对伞绳数量、伞面材料、伞面大小、伞面形状、伞绳与伞面直径比、伞绳材料、伞绳长短七个因素进行实验，在设计与制作实践过程中掌握降落伞的下降规律，培养其创新思维能力和基于问题、基于工程设计、基于项目的以真实情境为背景的解决真实问题的能力。STEAM教育STEAM教育就是集科学、技术、工程、艺术、数学多学科融合的综合教育。[1]STEAM的教育理念可以概括为：以数学为基础，通过工程和艺术解读科学和技术。[2]STEAM教育是一种以项目为驱动、以问题解决为导向的课程组织方式，强调跨学科的整合学习，学生的学习不仅是学习科学知识的过程，同时也是理解工程技术艺术的过程，是了解设计、制作、反思与修正一个项目的过程。[3]STEAM教育框架如图1所示，它将多个学科连接起来，以跨学科的方式指导教学，形成了一个金字塔的形状。金字塔的最顶层是通识水平，这一水平代表的是最终的教育目标。通识教育和全人教育密切相关，因此，金字塔顶层和终身教育相互联系。金字塔的第二层为综合水平，这一水平是STE@M教育（艺术与STEM相互作用，因此STEAM表示成了STE@M），鼓励学生通过跨学科的方式去发现和解决问题。金字塔的第三层是多学科水平，这一水平在过去科学、技术、工程和数学的基础上增加了艺术，鼓励学生增加艺术美感。金字塔的第四层是具体学科水平，这一水平增强了科学、技术、工程艺术和数学学科相互之间的联系。金字塔的第五层是具体课程水平，这一水平主要是科学、技术、工程艺术和数学等学科的相关课程。[4]“降落伞”STEAM课程的设计1.课程目标设计本项目主要是引导学生知道物体在下落时所涉及的科学、数学、技术和工程等学科相关知识及思想方法;在研究影响降落伞下降快慢因素的科学实践活动过程中，通过调查收集资料寻找证据，经历发现、提出、分析、解决问题的过程，培养严谨、求真务实的态度;调整完善并最终完成降落伞的制作，通过科学探究与工程设计的融合，提高创新与实践能力;体会科学与地理、物理、工程、技术与艺术等学科的关联，感悟多学科之间的内在联系。该项目的设计体现了STEAM教育理念的五个方面，如表1所示。2.课程内容设计本课程主要针对降落伞的七个影响因素进行研究，具体研究内容如表2所示，学生通过对这些影响因素的研究，习得制作降落伞的知识，从而动手制作一款自己觉得最好的降落伞。3.课程实施设计课程对七个因素进行分项研究，每一个研究都要经过参与、解释、探索、反思、创新五个环节。通过参与环节让学生知道各自的任务，培养学生的团队合作能力;通过解释环节帮助学生进行思考，培养逻辑思维能力;在探索环节通过实践，培养学生的操作能力;在反思和创新两个环节通过再思考，并进行创新，培养学生的创新能力。4.课程评价设计根据评价的基本内容制订评价表，主要包括三个方面的评价：一是活动的内容目标;二是活动过程要素;三是活动效果分析。在划分出评价的各种类别后，根据评价的重点，赋予不同的评价项目不同的权重系数，综合评价学生在活动过程中的发展状况。为了充分了解伞绳的数量这一因素对降落伞下降情况的影响，从而促进学生在活动中达成学习目标，本课程制订了适合学生的课程学习评价方案：①教师组织各小组展示不同伞绳数量的降落伞。②小组安排成员进行汇报并展示各项成果，包括制作降落伞所产生的作品资料，如降落伞模型、过程性记录表（活动记录单）等。③活动结束后，教师组织学生对小组作品进行自我评价，采用如表4所示的评价量规表。“降落伞”STEAM课程的教学实施1.课程内容实施以下是研究伞绳数量的过程，伞面材料、伞面大小、伞面形状、伞绳与伞面直径比、伞绳材料、伞绳长短六项因素对降落伞下落时间影响实验也根据以下步骤进行。（1）参与环节——教学环境的创设教学环境：播放相同条件下不同伞面数量降落伞同时降落时的视频，让学生观察其下落时间的差异。教师提问：为什么这几个降落伞同时下落，但是它们的下落时间却并不相同呢？学生活动：思考这几个降落伞不同的地方，寻找得出此情境中的关键因素——伞绳数量。（2）解释环节——任务的发布与分析制作一组降落伞，研究伞绳数量对降落伞降落时间的影响。本次任务改变的条件为伞绳数量（根据折叠技术、裁剪技术的支持，选择不同伞绳的数量，如4根、8根、10根、12根、14根、16根等），不变的条件有伞面大小、伞面形状、相同重物、伞绳材料等。在进行实验时降落伞从同一个高度同时投放，学生及时记录每一次测量的数据以及测试过程中的现象和问题，并且重复测试。（3）探索环节——降落伞的制作与测试同组学生进行降落伞的制作，控制伞绳数量不同，保持其他条件相同，做出3个或3个以上的降落伞，将它们从同一高度进行投放，通过多次测量，选取平均值，并及时记录数据。（4）反思环节——数据的整理与选择学生根据测量得到的数据进行筛选，选择出实验得出的相同条件下最适合降落伞下落的伞面材料。同时，各小组公开实验结果，有不一致的通过反复试验，寻找出存在的问题并进行讨论与解决，难以解释的可询问教师。（5）创新环节——理想降落伞的设计与制作学生以小组为单位在规定时间内阐述自己小组的设计（小组依据自身的知识与经验进行“无限制性”设计，设计出最理想的降落伞）。在阐述设计后，组长领取材料，各组学生根据设计图分工制作降落伞。在制作完成后，挑战第一个任务，让降落伞携带10g重物（1个铁垫片）从3米左右高空安全打开降落，并进行三次测试，取平均值进行数据分析。2.课程效果评价为有效检验该模式实施效果，笔者在有限的范围内选取了案例学校实验班开展课堂教学实践，并对各小组实验数据进行分析，清晰地获得该模式的实施反馈情况。活动中统计了四组学生关于伞绳数量对比实验的数据，具体如表5所示。通过伞绳数量这一项研究可知，伞绳数量越多，降落伞能够平稳降落的时间越久，但是第四组实验得出的结论和其余组不同，他们的结论是4根尼龙绳下降时间最长，而8根却比4根时间短。笔者与该组学生进行交流，发现是由于伞绳未粘贴均匀，导致数据有误，但同时也提醒了其他学生在制作过程中要注意伞绳的粘贴。根据四组学生关于伞绳数量、伞面材料、伞面大小、伞面形状、伞绳与伞面直径比、伞绳材料、伞绳长短等的对比实验，实施效果评价，具体如下页表6所示。“降落伞”STEAM课程效果分析1.跨学科整合，STEAM素养形成2.任务導向，创新意识培养“降落伞”STEAM课程以其独特的教学模式，给予学生亲身体验获得知识的机会，让学生在操作中学习，极大地提高了学生的学习兴趣。自行设计降落伞的任务不仅仅是对知识的考量，还是对学生操作能力、反思能力、创新能力、团队精神等的考量，有利于学生的全面发展，体现了STEAM教育的核心，即发现问题—设计方法—解决问题—验证效果，实现了创新意识的培养。3.陶冶情操，艺术思维提升在降落伞制作的过程中，学生在教师的引导下考虑降落伞的色彩搭配、形状组合等视觉效果。学生在项目实施过程中，潜移默化地用艺术进行多角度的探索。通过该项目的实施，学生的情操得到陶冶，艺术思维得到提升。4.学生感悟，综合能力提升在“降落伞”课程实施过程中，学生遇到了各种问题，如降落伞伞面难以裁剪，容易损坏;在创新环节加上重物后，会与先前所得结论产生差异;自行设计降落伞时不能单纯将各个实验所得最优材料组合;自行设计时间不够等。在一次次尝试与失败中学生学会了坚持和反思，并通过知识的相互碰撞实现深层次的学习;通过小组合作，学生明白了团结的真谛，达到综合能力的高度提升。“降落伞”课程是STEAM教育理念与课程融合的一大实践，深入贯彻“主动参与，乐于探究，勤于思考”的原则，通过实验让学生去亲身体验影响降落伞下降的因素，在过程中培养了学生不断发现问题、探究合作、解决问题的能力。[1]袁利平，张欣鑫.论STEAM教育与核心素养的对接[J].陕西师范大学学报：哲学社会科学版，2017，46（05）：164-169.[2]赵慧臣，陆晓婷.开展STEAM教育，提高学生创新能力——