STEM视角下的初中科学课程教学实践研究——以伪全息3D投影制作为例

李崎颖，金晓凌，丁旭梅，余 波

（重庆市第一中学校技术教研组，重庆400030）

STEM视角下的初中科学课程教学实践研究
——以伪全息3D投影制作为例

李崎颖，金晓凌，丁旭梅，余 波

（重庆市第一中学校技术教研组，重庆400030）

文章在探讨STEM整合教育的可借鉴性基础上，探究在现有条件下开展STEM优化科学探究教学的有效模式，以重庆一中初中科技课作为实践平台，对“伪全息3D投影制作”个案进行分析。为有效融合STEM课程理念，该案例尝试以5-E教学模式，即参与、探究、解释、详细说明、评价5个阶段开展教学，希望能获得更多同行的建议指导。

STEM；5-E教学模式；伪全息3D投影；科技课

一、STEM教育的产生与发展

STEM源于美国，是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)的缩写，是以基于问题学习、基于项目学习、基于工程设计等方式将科学、技术、工程和数学四门学科融合的教育。

其本质是在多个独立的学科中建立一个桥梁，为学生提供整体认识世界的机会，引导学生重新思考科学、技术、工程和数学的内涵及他们之间存在的关系，把学习的零碎知识变成相互联系、完整统一的系统。毕竟，学生最终面对的是一个完整的世界。

1986年美国国家科学委员会发布《本科的科学、数学和工程教育》报告首次明确提出“科学、数学、工程和技术”教育的纲领性建议，被视为STEM教育的开端。2015年12月奥巴马政府正式颁布了STEM教育法案，从教师培训、社会协助、校内外相结合等角度详细规划了STEM教育的新动向。[1]

STEM教育在美国的蓬勃发展，究其原因，美国实用主义哲学的思想基础起到了重要作用，杜威的做中学思想影响深远，实用主义哲学重视知识的学以致用，更重视学习者的实际经验，这些都是STEM教育的重点。

图1 美国STEM教育发展

那么，STEM教育引入我国能否成功呢？有学者认为，科学、工程、技术的结合能够让学生体验运用科学解决实际问题的乐趣，加深对理论知识的理解，应尽快借鉴。[2]也有学者仍坚持我国应注重学科分科，含蓄表达了对“整合”的异。[3]有学者更直接地表示我国特别是一些相对落后的地区远没达到1996年 《美国国家科学教育标准》的水平，现在大规模引入将欲速则不达。[4]

单凭几家争论决定我国基础科学教育的发展走势未免失之粗疏。适用与否以及如何应用还须用事实说话。

2001年，教育部正式启动新一轮基础教育课程改革，六项改革目标备受瞩目，其中目标二：改变课程结构过于强调学科本位、科目过多和缺乏整合的现状；目标四：改变课程实施过于强调接受学习、机械训练的现状，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生分析和解决问题的能力。这两项目标与STEM课程强调要将过程和方法置于复合的真实问题情境中，应用多学科知识解决实际问题的表述有异曲同工之处。

由于STEM教育在国外仍处于发展阶段，照搬经验或全盘引进我国易引起“水土不服”，也有貌似结合我国实际的创新应用。如有的学校以单独的学科形式呈现的STEM教育，将每一个学科作为独立的课程教授，学科之间只有一点或没有融合，这显然违背了STEM教育的初衷。

以STEM学科结合类型和重点学科为分类维度，Margaret Honey等人的研究团队将STEM整合项目分为以下几类：(1)教授STEM学科中的每一门，同时更强调四门中的一门或两门学科，如SteM、sTEm；(2)将一门学科融入另外三门学科展开教学，例如工程学科能融入科学、技术和数学学科。就像是E-S、E-T、E-M；(3)四门学科相互融合。[5]

探讨STEM整合教育的可借鉴性，本文认为结合类别——《工程教育：理解地位并改进前景》中所提出的“珠—线”（beads-and-threads）模型更符合我国实际国情，以项目为珠，线绳代表课程中的核心概念和基本技能。数学、科学、技术三条线代表在工程设计中使用的学科领域。[6]

二、STEM与科技课程的结合

之所以选择科技课率先作为STEM理念的实践平台原因有三：首先，科技教育在重庆一中开始于20世纪50年代，是具有悠久历史的传统教育活动，也是重庆市第一所开展科技教学的中学。课程内容包括三模一电、科技四小活动、机器人和计算机信息技术等活动，其中科技四小活动作为联合国教科文组织研究项目“创新学习研究与实践”的一级子课题，在科技教育方面积累了较为成熟的经验，科学探究氛围浓厚，学生基础较好，便于开展实践研究。

其次，STEM课程强调真实情境、亲自动手、做中学、合作分享等理念，这与重庆一中科技教育的培养模式类似。在长期的教学实践中，为最大程度地挖掘学生的创作潜能，激发对科技活动的兴趣，重庆一中技术教研组的教师们在《课外科技活动策略》一书中提出了三段式教学策略：创设情境，激发求知欲是培养学习兴趣的前提；创造宽松的思考空间，让学生在“做中学”是引发学生学习兴趣的重要环节；科学评价，增加激励措施，是激发学生学习兴趣的催化剂。

最后，STEM教育形成发展于科学教育，STEM教育是科学教育改革的新思路。STEM名称缩写也是以科学开头，这一缩写暗示了STEM教育中科学教育是最为重要和核心的部分。[7]回看STEM教育的发展历程，有关STEM教育的研究项目和报告大多由科学机构赞助，如NASA（美国国家航天宇航局）、NSF（美国国家科学基金）、NSB（美国国家科学委员会）等。STEM教育的发展立足于科技教育，同时又在探索科技教学的改革路径，借助哲学上系统、联系的思维解析理工科，甚至文艺课教育之间的普遍联系。

在国外，STEM教育已经过了原始积累阶段，正逐步从本科教育向中小学教育推进，而在我国却是从中小学开始，最有代表性的就是现在很多中小学如雨后春笋般创客空间的建立。初中作为K-12阶段中承上启下的关键，结合我校科技课的浓厚氛围，本研究将以初中科技课作为实践STEM教育理念的主要场地。

三、STEM教育视野下科学课程的设计

1.明确初中科技培养目标

在STEM教育实践中常见的教学手段有基于工程设计、基于问题解决、基于项目探究等，在我们的科技课上，经常选用的是基于工程设计的方式。在我校初中的信息技术、科技，高中的信息技术、通用技术统称技术课程，考虑到技术课程设置的连贯性与流畅性等问题，我们将初高中的培养目标进行了区分。

图2 重庆一中技术课程设置

2.操作方式

初中科技课以模仿实例作品、验证科学原理为主，而基于工程设计正是一条有效的途径。具体如何操作呢？我们参考了贝比（Bybee，R）的5-E教学模式。[8]5-E教学模式将学习分为5个阶段：参与（engagement）、探究（exploration）、解释 （explanation）、详细说明（elaboration）、评价（evaluation），强调以学生为中心，通过实验的方式解决问题，以小组合作学习促进学生对科学概念的理解和知识的建构。

3.5-E教学模式

参与（ENGAGEMENT）阶段：该阶段的活动目的在于吸引学生的注意力，激发思考的火花，使他们能够亲身参与到课堂中，帮助学生获取记忆中的已有知识，将现有知识和已有知识发生联系。常见方式有教师提问、学生头脑风暴等。

探究（EXPLORATION）阶段：该阶段给学生留有足够的思考、设计、调查的时间，教师提供材料并进行引导。学生可团队协作进行实验，通过探索建立起科学、技术、工程、数学及其他学科之间的联系，即STEM所提倡的做中学的过程。

解释（EXPLANATION）阶段：该阶段学生将对他们的探索和探究进行分析和解释，沟通理解，分析可能性方案。他们澄清自己的理解发现，以多种方式进行交流。

详细说明（ELABORATION）阶段：该阶段学生将巩固并扩展刚刚获取的科学概念，通过修改方案或实验进行进一步的探究。

评价（EVALUATION）阶段：评价是学习环中的重要环节，但不是一个特定的阶段，它贯穿整个教学过程。在“5-E”模式中，评价是由教师、学生共同完成。它不但要求对学习结果进行评价，而且要求对学习过程进行评价。

在这五个阶段中，学生和教师都有明确的分工，教师作为引导者，指引学生针对具体内容提出有待探索的问题，进而开展研究，学生通过研究经验和总结对问题做出拓展性的理解。由于篇幅所限，这里不再做一一列举，将下面结合具体课例进行说明。

四、“伪全息3D投影的制作”教学案例

基于工程设计的STEM课程教学具体如何整合呢？本文以“伪全息3D投影的制作”为例，该课是一节基于STEM教育理念下的初中科技课例，立足于我校初中科技课的培养目标——模仿实例、验证科学原理。教师引导学生对3D、全息等高热概念展开讨论，结合具体实例，带领学生一起探索利用生活中的简单材料制作伪全息3D投影。本课以模仿探究为主，故使用了基于工程设计的教学手段，以参与、探究、解释、详细说明和评价（5-E）的教学模式展开教学。

图3 伪全息3D投影制作的5-E教学阶段

1.参与阶段（ENGAGEMENT）

活动重点：教师引导学生回顾生活中见过的3D全息投影案例。

主要教学活动：教师问同学们生活中见过哪些3D投影的例子？学生回答：3D电影、3D喷泉、3D电视等。教师进一步举例，如《钢铁侠》电影中贾维斯模拟出的各种场景，2015年春晚李宇春表演的《蜀绣》等。随后引导学生分析这些3D投影技术有何区别，是否佩戴设备 （如3D眼镜），是否有色像差等。

这里设置了如下活动：

活动1：左右眼，大不同。分析人眼看立体造型的原理——当单独用左眼或右眼看同一个物体时，得到的影像是有差别的，经大脑合成后形成立体感。

活动2：解析3D电影成像之谜。即利用偏振光等原理，通过3D眼镜的过滤将不同的影像，分别送进人的左眼和右眼，这样就有了立体感。在学生已经对3D投影技术有粗略了解的基础之上，引导学生制作今天的主题伪全息3D投影装置。

2.探究阶段（EXPLORATION）

活动重点：教师展示伪全息3D投影装置，并提示制作要点，学生小组协作制作装置，展示作品。

主要教学活动：教师展示伪全息3D投影装置，提示制作正四棱锥的要点：以播放设备的宽度作为棱锥底边长度，利用公式:棱长≈0.866×底长，计算得出棱锥的棱长。以这两个参数为基准在纸上绘制图形，剪下后以此为模板在透明塑料卡上剪下同样的图形。

图4 伪全息3D投影装置

随后，将以此作为模板剪下来的透明塑料卡用透明胶带粘贴在黑色的纸板上，做上简易的支架。学生在教师的指导下，以小组为单位完成制作，学生也可另选底长和棱长进行制作，播放视频检验作品能否达到3D效果，最后学生展示自己的作品。

3.解释阶段（EXPLANATION）

活动重点：通过演示作品是否达到3D效果，引导学生讨论、探索棱长和底长的关系。

主要教学活动：以小组为单位，演示自己的装置，有的作品能够看到明显的3D效果，有的却不能。教师询问并引导学生观察各个装置的不同之处，从选材的透明度、四棱锥结构及观看者的角度等进行分析，特别针对那些不成功的装置，寻找原因。学生通过讨论交流发现当四棱锥棱长≈0.866×底长，且塑料板的透明度高时效果最好，当然也要配合适当的观看角度。为什么呢？

教师解释伪全息3D投影的原理：a.观察播放的视频是特制的视频，一个人物运动的前后左右四个面，光线分别投向了四棱锥的四个侧面（视频技术）。b.四个面的光线被棱锥的四个侧面同时反射，像潜望镜一样，光线被反射到水平方向进入人眼（反射原理）。c.由于反射光线的棱锥侧面是透明的，所以能同时看到后面的东西，于是就有了立体投影的效果（成像原理）。

那为什么棱长和底长的比例不同会效果不一呢？

教师解释：d.由于视频光线是从上垂直射向棱锥的侧面，而我们的习惯是平视观看效果，根据反射原理可得棱锥侧面与底面的夹角应为45度，此时反射光线会水平射入正面的人眼中，从而看到一个方向上的影像。如四棱锥侧面与底面夹角不是45度时，反射光线就不会平行射入人眼。当四个面的反射光线汇聚后，就形成了3D效果，但因为这个是由反射原理形成的影像，而非真正的全息3D投影技术，所以叫做伪全息3D投影。

4.详细说明阶段（ELABORATION）

活动重点：学生小组讨论，独立计算已知当四棱锥斜面与底面夹角为45度时效果最好，那以此为条件，如何确定底边与棱长的关系呢？

主要教学活动：由于本课对象为初一年级学生，在数学中已学过勾股定理，但从未接触过立体几何，可通过将立体问题平面化的方式完成计算，考虑到难度问题，本任务作为拓展内容。教师在学生讨论、计算一段时间后进行解释说明。

图5 四棱锥底边棱边计算

教师解释：e.线po为四棱锥的高，oa⊥ab，由于底面是正方形，得出a为底边中点，三角形oab为等腰直角三角形，所以oa=ab。由于该棱锥侧面与底面夹角为45度（即∠1=450），op=oa=ab，所以ab（勾股定理），而pa⊥ab，利用勾股定理可求出棱长ab，底边为2ab，所以得出之前的公式：棱长≈0.866×底长。

随后，教师进一步提问,引导学生思考：1.如何提高投影效果的清晰程度呢？2.用平面镜代替透明塑料卡可以吗？亚克力板、相片过塑板哪些材质会更好？（技术—材质选择）3.播放的视频如何获取？从网络下载或使用摄像设备拍摄并制作。分别使用摄像机从动态物体4个面拍摄4段视频、导入电脑，使用相关视频编辑软件，如电影模仿、绘声绘影等，将4段视频合成加工为一段具有4个面的特殊视频（信息技术—视频制作）。4.如何让播放设备更稳定地放在四棱锥顶端？可在四棱锥四周设计四个支架（工程—结构搭建）。

总结本项目所用的知识，包括S科学：3D投影技术、反射折射、成像原理、偏振光原理、视频处理技术；T技术：材料与制作、构件加工；E工程：设计、结构与稳定；M数学：勾股定理、立体几何—正四棱锥。

5.评价阶段（EVALUATION）

在本案例中的评价方式多样且贯穿于整个学习过程，不仅关注学生作品效果，也注重在学习过程中的各项表现。为此，我们设计了详尽的评价标准，在课前就让学生熟悉并明确，也起到了在活动中不断引导学生完成任务的目标，教师可参照表1-3进行评价，学生也可进行自评。

表1 伪全息3D投影装置评价表

表2 小组协作能力评价表

表3 口头表达能力评价表

五、总结

本课例中以伪全息3D投影的制作为载体，以STEM课程理念为指引，应用5-E教学模式 （参与、探究、解释、详细说明和评价）展开教学。参与阶段：学生被吸引到一个有趣的挑战中，参与活动亲身感受3D成像之谜。探究阶段：学生开始根据教师的提示模仿完成作品，在制作过程中他们遇到问题、解决问题的过程都是探索科学和工程学原理的过程。解释阶段：学生展示作品，从光线反射、四棱锥公式计算等方面解释成像原因，从选材、结构等方面描述他们认为可能形成影像效果的原因，随后教师补充释疑，这也是学生向同学和老师学习的过程。详细说明阶段：学生在老师给定先决条件下，演算出该装置的一个重要关系：棱长≈0.866×底长，并思考、讨论可从哪些方面进一步改进。评价活动贯穿在整个探究活动中，有利于学生随时调整自己解决问题的方法及对知识的解释，教师和学生共同开发评估标准，可以增强学生的参与意识并促进学生积极进行自我评价，形成良好的自我效能感。

整个案例融合了物理、数学、工程、技术、信息等多学科知识，使学生了解了科学乃至工程、技术和数学领域的知识概念，增进了学生对科学探究与工程设计的参与度，形成基本的科学探究和设计的意识以及主动性，同时也发展了其解决问题进行科学探究的技能，提高了对涉及领域内容的兴趣点和关注度。

我国基础教育正经历着从分科到综合的改革阶段，培养学生对事物的整体认知能力越来越受到社会的关注，而改革最重要的莫过于如何进行课程的有效整合。STEM教育是一种新兴的跨学科整合教育，通过整合各学科内容来培养学生的综合素养和能力。本文基于对STEM教育基本问题的研究，展开了STEM教育视野下科学课程的建构构想。在平时的教学过程中，其实很多老师已经开始尝试将STEM教育理念渗透在自己的教育教学过程中，本文以本校教学实践为基础，向大家展示了我们在科技教育方面的探索，希望以此为契机，与更多同行进行更为有效的沟通交流。

[1][7]李杨.STEM教育视野下科学课程建构[D].杭州：浙江师范大学硕士学位论文,2014.5.

[2]张颖之.美国科学教育改革的前沿图景——透视美国K-12科学教育的新框架[J].比较教育研究,2012(3): 72-76.

[3]王磊,黄鸣春,刘恩山.对美国新一代《科学教育标准》的前瞻性分析——基于2011年美国《科学教育的框架》和1996年《国家科学教育标准》的对比[J].全球教育展望,2012(6):83-87.

[4]万东升,张红霞.美国 2010《科学教育框架（草案）》述评及启示[J].比较教育研究.2011(12):78-82.

[5]Margaret Honey,Greg Pearson,Heidi Schweingruber.STEM Integration in K-12 Education[DB/OL].http: //www.k12accountability.org/resources/STEM-Education/STEM-Integration-in-K12.pdf,2016-03-25.

[6]Council T A.Engineering in K-12 education:Understanding the status and improving the prospects[M].Washington,D.C.:The National Academies Press,2009: 93-95.

[8]Bybee,R Achieving scientific literacy[M].Portsmouth, NH:Heinemann,1997:35-36.

(编辑：李晓萍)

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1673-8454（2016）24-0035-05