从“凳子结构探析和技术演变”教学案例谈STEAM课程的开发和实施

陈玉洁

摘要：近年来，随着STEAM教育广泛兴起，中小学校开始广泛开发相关课程。STEAM教育充分体现了“统整”的教学设计思维，如何厘清STEAM课程支持要素，在教学设计中如何从系统观的视角整合STEAM课程支持要素框架是本文着重要解决的问题。作者期望通过STEAM教学案例分析，为一线教师进行STEAM教学资源开发和利用提供参考。

关键词：STEAM；教学案例

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2019）01-0064-04

随着STEAM教育广泛兴起，中小学校也都开始开发相关课程，笔者也尝试运用STEAM教育理念来进行教学。下面，介绍一个运用STEAM教育理念的教学活动，此教学活动以苏教版《通用技术教学大纲》为指导，由不同学科教师组成的团队打磨的一系列的工程设计挑战活动来实施教学，参与的学生来自高二年级。活动分为五个部分：探究、设计、制作、拓展、评价。活动的目的是让学生建构对结构强度和稳定性的认识，然后通过团队协作，运用他们所了解的关于结构的知识来完成工程设计。

课程目标分析

STEAM课程结构以主题学习形式为主，同时主题学习兼顾STEAM全要素学习目标的达成。

举例来说，若以“结构”作为教学主题，好像教学内容的方向十分明确，然而仔细一想，关于结构的议题非常广，到底是要讨论结构的哪个方面呢？是结构的含义、分类、强度、稳定性，还是在日常生活中的应用？还是不同结构的发展历史或者文化意义？因此，只有“结构”二字的教学主题，过于简单，对教学的实际指导意义不大。针对不同的教学对象，由于其认知能力的差异，教师在选定主题方向和深度时要做出适度调整。

如果將“以知识理解和运用为核心”作为教学重点来举例，知识点的讲解必须循序渐进。首先，教师要引导学生理解稳固结构的含义，从结构强度和结构稳定性两个方面举例让学生理解。其次，要通过案例和试验探究影响结构强度和稳定性的因素。最后，寻找生活中的例子分析稳固结构是如何在生活中被运用的。

如果“以认知、设计和解决实际问题为核心”来教学，则必须根据学生的认知理解力来加强学生的学习。实际问题的解决必然是多因素综合的问题集，单一学科或单一工具难以支持对实际问题提出完美的解决方案，STEAM的兴起，正是基于这样的教学困境，从培养学生对实际问题综合解决能力入手，综合各学科知识和工具，在设计思维的引领下，建构出较为复杂的实际问题解决方案。同时，知识建构的过程对培养学生的综合素养和创造力也具有重要意义。本活动的主题从“结构”拓展到“凳子结构探析和技术演变”，从设计三要素入手，深入分析学生对课桌凳子的需求，在解决凳子结构缺陷问题的同时，还要结合凳子的技术发展史，设计一款能更好地满足学生需求的课桌凳子。这个活动从生活出发，将“结构”认知建构融入到实际问题解决过程中，学生在运用设计思维分析问题时，可以综合运用结构知识解决问题，还可以在角色扮演、调查访谈的时候发现更多的用户需求，结合设计三要素，提出有价值、有创造力的问题解决方案。在综合解决问题的过程中，学生需要团队协作，需要建立沟通能力和领导力，需要表达自己，需要学会项目管理，这些能力的培养都是学生综合素质的体现。另外，知识建构和方案构思以网络学习的形式完成，21世纪是互联网时代，学生在网络学习平台上的自主和协作学习能力的培养也是至关重要的。

本教学活动运用“统整”思维整合课程资源，以设计思维的生成为线索，以项目式学习为突破口，整合环境资源、项目管理工具和互联网学习平台作为STEAM学习支持系统，进而进化为系统完备的STEAM课程支持要素模型（如右图），这样的STEAM课程支持系统将会对学生的知识建构、思维发展、综合素养提升产生有益的影响。

STEAM课程实施过程

1.主题背景

教室里，工字形的学生课桌凳子腿很容易折断，这是为什么呢？凳子的结构设计有没有什么缺陷呢？凳子在人们的生活中有重要作用，我们可以随处看到各式各样的凳子，凳子的发展也经历了漫长的过程，这个活动就是希望学生能够深入研究自己对课桌凳子的需求，从设计三要素入手，明确设计目标，结合自己对生活中凳子的观察和思考，设计出一款结构良好并且能够满足不同需求的凳子。

反思分析：发现一个问题往往比解决问题更重要，要发现一个有价值的问题，就要在生活中培养学生的观察力和好奇心，一个好的问题必然来自人的真实需求、技术缺陷等。追求技术的“真、善、美”是找到一个好的学习主题的重要途径。

2.探究：教室课桌凳子结构缺陷

首先，教师提问：地震中房子坍塌的原因是什么？电动摩托车为什么会被大风刮倒？并引导学生相互讨论，教师通过这一过程可以了解学生头脑中结构强度和稳定性的前概念。

然后，通过分析空调安装的过程，研究三脚架的材料，让学生明白结构的强度跟材料有关；改变纸张结构，研究不同结构纸张的承重能力，让学生明白结构的强度跟形状有关。再要求学生设计一条凳子的模型，在制作过程中研究木质结构不同的连接方式对结构强度的影响，进一步研究金属结构的强度跟连接方式的关系，学生通过对比发现，得出结论：结构的强度跟连接方式有关。

接着，出示两张图片——东方明珠塔、两位杂技演员走钢丝，提出两个问题：“东方明珠塔的哪些结构设计能够增强它的结构稳定性？”“这两个杂技演员哪一个更容易摔下来？”播放“重心偏移模型试验”视频，教师引导学生总结影响结构稳定性的第一个因素：结构重心的垂心如果投影在结构支持面的内部，结构就能保持它的稳定性，反之则不能。学生自主设计简易不倒翁，探究“不倒翁为什么不倒”的原因，教师引导学生总结影响结构稳定性的第二个因素：结构的重心越低，结构稳定性越好。对比“倒立的矿泉水和正立的矿泉水”，得出影响结构稳定性的第三个因素：结构支撑面越大，稳定性越好，反之则稳定性越差。播放“三角形、四边形、梯形及一些组合结构的稳定性探究实验”视频，得出结论：三角形具有稳定性。学生利用网络自主学习，探究自然界中常见的或人类在桥梁设计中常用到的稳固结构，如六边形结构、蜂窝结构、悬索结构等。运用所学知识解决实际问题——街边啤酒摊的遮阳伞如何放置才能增强其稳定性？

反思分析：教师给出任务清单让学生在网络上完成前概念的学习，任务清单完成以后学生需要在网络学习平台上分享自己的学习成果，并且进行互评。

3.工程项目实施准备

①设计分析及方案构思。工程设计的前提是设计思维的形成，设计包含人、物、环境三要素，以设计的三要素为切入点，学生在角色扮演、采访、问卷调查的过程中，需要进一步明确设计目标。学生能够从人的特点和需求、凳子的材质结构和功能不足、使用中出现的问题、使用环境出发对设计目标有较清晰的定位。教师需要引导学生明确用户的需求是什么，设计的目标是什么，明确了用户的需求、设计的目标，还要进一步明确解决问题受到的限制及具体的设计任务。然后，教师将学生分成不同的小组进行头脑风暴，并设计初步的问题解决方案。再经过数轮方案的删选和优化，最终形成成熟的设计方案。②项目管理。从项目管理的角度分析，项目的实施包括明确项目目标、制订项目计划、项目进度管理及项目评价等。教师运用项目管理手册，对学生设计的各个环节进行指导和记录。

反思分析：明白“做什么”和“怎么做”是工程项目成功的前提，将项目管理的理念引入到STEAM工程项目中有助于项目的顺利实施和评价。项目的实施往往需要团队协作，因此，教师对学生团队协作能力和领导力的培训以及对小组项目管理能力的培养就显得至关重要了。

4.制作、测试和展示

①模型制作。学生在电脑上3D绘图，依次进行设计结构件、焊接接缝、绘制凳面和靠背、渲染上色，最后进行3D打印。②测试。学生设计试验，对不同工况下凳子的承重和稳定性进行测试。③展示。对最终产品进行展示，并且说明设计意图。④优化。再次分析研究凳子的结构受力情况，对凳子结构进行进一步优化。⑤产品开发。学生和学校桌凳维修人员联系，结合自己的设计方案对教室凳子的结构进行改良，并且进行测试，评估改良效果。⑥产品说明书。学生按小组设计一份产品说明书，对产品特性进行详细说明。

5.拓展任务

教师提出任务：结合学生课桌凳子的发展历史，设计一款各自心目中理想的学生课桌凳子，并说明这款凳子与目前教室里的凳子相比，在结构、功能或心理体验上有哪些进步之处，请结合设计三要素加以说明。

反思分析：从技术史观的视角，结合用户的需求，分析各类课桌凳子的优缺点，并提出自己的设计方案。研究技术发展路径，拓展学生技术文化视野，帮助学生梳理创新的路径，养成学生复杂问题解决能力和创造力。

6.总结和评价

在活动过程中，学生要将自己的阶段性成果记录下来，作为过程性评价的一部分。项目结束，学生还要对项目实施过程中的表现进行组内互评。项目展示环节组长和教师要对设计作品进行评价。综合多种评价形式，按照一定的权重，教师遴选出优秀作品进行展示，并且对表现优秀的学生进行表彰。

启示

1.多学科融合

STEAM教学最大的特点就是运用多学科知识综合解决问题，这样的教学模式对教师素养提出了很大的挑战。我国当下普遍采用分科教学模式，学科教师的跨领域教学能力有待提高，而且，现行的管理制度不适合跨学科教师的合作教学，所以，尝试多学科教师共同备课、授课、开发STEAM课程，多学科教师对课程进行多视角评价，有助于提高STEAM教学质量。

另外，培养面向STEAM教学的教师也迫在眉睫。面向STEAM教学的教师必须具备多学科背景综合素质，学校的校本培训可以制订有针对性的培养计划。

2.STEAM教学环境

STEAM教学环境要能够支持学生认知建构发展，设计思维和创造力的生成，还要保障项目的顺利实施。所以，STEAM教学环境应该拥有学生在设计的各个环节的认知建构支持系统、社会支持系统、项目支持系统（如下表）。

3.设计思维与创新

设计思维的培养是STEAM课程培养学生高级思维能力的首要目标。设计思维让学生明白他们要解决什么问题，为什么要解决这个问题，以及怎么去实现。设计思维充分显现了工程设计的流程思维，同时，它也解决了创新的问题，创新的实质无非是解决新问题或用新方法解决问题，设计思维的培养有助于学生找到打开创新之门的钥匙。

4.Web环境搭建

STEAM课程需要搭建开源的网络学习平台。在网络学习的过程中，学生可以提高其自主學习的能力，也可以运用网络学习平台进行资源获取、交流、展示和评价等。教师也可以在网络学习平台上分享教学资源，实施翻转课堂教学，对学生过程性学习进行可视化评价等。网络学习平台也为学生的合作搭建了新的平台。

5.项目管理思维

STEAM教学项目的周期往往较长，在兼顾整个课程目标的过程中，还要兼顾各个阶段不同的小目标，所以，在课程实施过程中有可能出现管理混乱的情况。项目教学法为我们提供了解决上述问题的较好的解决方法。STEAM教学实施过程就是一种项目学习形式，只不过STEAM教学在教学内容和概念支持系统上做了进一步的明确。

结语

STEAM教学理念在具体教学实践中的实效性还需要进一步加以验证。本研究只是对STEAM教学理念的初步尝试，还有很多亟待完善的地方，希望这个案例能够对大家的教学工作有所启示。

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