基于PBL理念的STEAM课程开发

栾富海

摘要：本文以“和鸣，穿越千年的礼乐STEAM课程”开发为例，基于问题学习和项目学习的理念，设置学习模块，开发学习项目，用任务驱动的方式引导学生在设计实验、科学探究、解决问题的过程中学习知识、提高技能，进而发展学生的科学思维等。

关键词：PBL;STEAM;科学思维

为加强南京市与台湾、香港、澳门地区中小学科技创新教育研究与实践的交流互动，应对科技创新教育的新挑战，探索新对策，推动中小学科技创新教育共同发展，四地联合举办了中小学科技创新教育交流活动，活动中开设了主题为“穿越两千年，奏响科技‘音”的创意制作挑战赛，旨在在文化情境中设置工程任务，让青少年在领悟中国数千年的传统文化精髓、了解古代文明深厚的文化内涵的同时，展开科学探究、实践及人工智能和编程设计，

为有效组织学生参加此次活动，基于PBL理念，笔者以研究学习为主线进行探究活动，开发了一门STEAM校本课程，取名为“和鸣，穿越千年的礼乐”。PBL有两种释义，一种是基于项目的学习，另一种是基于问题的学习。无论是基于项目还是基于问题，都是以学生为中心的知行合一的体验式和实践式学习方法。

课程目标

科学（S）：了解古代编钟的相关构造、历史及作用;理解声音产生的原理;了解各音阶的振动频率;掌握光电传感器的工作原理。

技术（T）：掌握物体敲击后谐振频率的测量及调节方法;掌握利用光电傳感器进行机器人巡线的方法;知道木工制品的制作程序，初步掌握画线、锯割、打磨、榫连接、钉连接组合等一些基本的木工加工方法，能够根据不同的材料选择合适的连接方式。

工程（E）：在了解编钟原理的基础上，结合科学和技术知识，完成编钟模型的设计;知道单、双、三及更多光感巡线的优势与劣势，能根据工程约束因素进行有效的选择。

艺术（A）：能够从美学出发，对人工智能的机器人乐手做装饰;能够将文化元素有效融入编钟和机器人乐手的制作之中;了解一定的乐理知识，并应用于机器人乐手的演奏之中。

数学（M）：能够结合材料的尺寸和配件的规格合理确定编钟和演奏机器人的大小;能够把编钟和演奏机器人的空间结构分解成平面零件图。

课程内容

1.我是“调查员”

学习项目：古代编钟的历史及构造。

古代有哪些打击乐器？编钟和编磬有怎样的区别？编钟在古代社会有怎样的作用和地位？编钟的构造到底是怎样的？带着这些问题，教师引导学生开展线下编钟学习活动。利用周末、节假日前往博物馆等地寻找编钟，此外，还可到学校图书馆等地借阅相关图书，或者利用网络搜索。

学习成果：此环节学习结束，学生要完成一篇线下学习记录，呈现编钟的历史、构造、发音原理等，并制作相关介绍PPT，小组学习成果分享。（学生结合实际问题，多渠道收集资料，提升了信息获取能力）

2.我是“调音师”

学习项目：谐振频率的测量与调节。

声音作为一种物理现象，它是由物体振动而产生，敲击一个物体，人能听到或清脆或沉闷的声音。它能否作为“do re mi fa sol 1asi”中的一个音阶？如果能，我们又如何评判这个声音到底是哪个音？这样的评判够精准吗？通过一连串的问题来开展本项目的探究实验，教师借助相关工具软件进行谐振频率的精确测量，引导学生开展软件操作的自主学习，测量声源的谐振频率。在熟练软件操作后，针对问题，变换不同实验对象，历经猜想、探究、验证、结论和交流的科学探究过程，如变换敲击物体和被敲击物体的材质（竹棍、瓷器、玻璃瓶、金属片、金属管等），变换它们的大小、长短，以及变换敲击位置（上方、中间和下方）等。

学习成果：此环节学习结束，学生对声音、频率等物理概念认知清晰，并完成对编钟模型“钟”以及“钟锤”的制作材料选型，掌握音阶的调整方法。

3.我是“小木匠”

学习项目：木工工艺初体验。

木制品在我们的身边随处可见，人们对木材巧妙加工后用以装饰生活。中国古建筑以木材、砖瓦为主要建筑材料，以木构架结构为主要的结构方式，由立柱、横梁、顺檩等主要构件建造而成，你知道它们各个构件之间是怎样连接的吗？这样的连接有何优点？由此问题入手，教师引导学生了解榫卯结构，了解我国木匠的祖先鲁班，以及他发明创造的锯、凿木工制作工具等。木工工艺中除了榫卯连接，还有胶连接、钉连接等。在教师的带领下，学生尝试使用现代木工工艺中的电动工具（钉枪、电圆锯、电钻等），遵从木工制品的制作程序——画线、锯割、打磨等，体验木工制作，制作过程中教师注意做好安全教育工作。掌握了基本的木工制作的方法后，再来分析编钟架，现代材料中，除了木质外，还可以使用哪些材料来制作编钟架？它们又可以进行怎样的连接？尝试使用生活中产生的可回收材料来实现自己的想法，完成“编钟”的制作。

学习成果：此环节学习结束，学生初步掌握通用技术中的木工加工方法，手工绘制“编钟”模型图纸，并根据安装图纸动手制作一个编钟架，悬挂上自己调音后的“钟”，最终完成“编钟”的实体模型。

4.我是“程序员”

学习项目：机器人巡线与敲击。

以马达前驱的机器人如何直行、后退、左拐及右拐？如何能够获取人所指定的轨迹信息，按指定路线行走？如何让机器人敲击物体？带着这些问题，教师指导学生由易到难，逐步深入。教师引导学生开展探究实验，讨论各种速度设置及其适用场合，并提炼观点。简单运动实现后再到复杂运动——巡线，教师引入光电传感器，带领学生明白其作用和工作原理。随后从简单的双光感巡线出发，结合图示模拟过程，探究其算法，研讨程序实现、调试等。有了机器人马达驱动的基础，最后再去解决让机器人敲击物体，即通过马达来控制摆动角度，进而实现敲击动作。在机器人巡线与敲击的调试过程中，引导学生记录问题，思考其原因，尝试自我解决以及小组互助，做好常见问题的收集整理。

学习成果：此环节学习结束，学生会分析巡线算法，编写程序，最终实现机器人复杂的巡线运动，并能控制马达实现敲击动作。针对两个任务过程中出现的问题，学生分析并找到解决问题的途径。此外，学生初步形成做工程笔记的意识，并与他人分享自己的问题解决观点和经验。

5.我是“美容师”

学习项目：美化“编钟”与机器人乐手。

中国有着数千年的传统文化，你的“编钟”和机器人乐手中有哪些传统文化内容的体现？如何围绕主题“和鸣，千年的礼乐”及活动的组织地（如南京）等来进行设计、美化“编钟”与机器人乐手？在问题的引领下教师组织学生开展讨论交流，分享想法，并集體分析这些美化举措的可行性。对可行性高的创意想法进行具体的操作，最终实现美化的目的。

学习成果：此环节学习结束，学生能结合自己对中国传统文化的认识，运用美术知识、手工知识等让“编钟”与机器人乐手更美、更逼真。作品不仅展现了科技创意与创新，还展示了学生们“发展优秀文化、创新传统文化”的开拓精神。

课程评价

1.评价方法

考虑到课程内容、学生基础、STEAM课程的开放灵活性等，本课程分别针对个人和小组开展学习过程及学习效果评价，并采用多种方法和形式进行。本课程趋向于差异化和个性化的学习，最终项目成果没有绝对的统一标准，极具多样性。

2.评价内容

针对个人的学习过程评价维度：①课堂上能积极思考，踊跃回答老师的提问;②能认真仔细观察，发现问题，并提出自己的解决方案;③有工程笔记，笔记整理工整，内容详实;④能针对教师的问题，积极参与小组内的讨论，大胆发表自己的观点。

针对个人的学习效果评价维度：①通过调查研究对古代编钟有了全面的了解;②掌握了物体敲击谐振频率的测量;③知道木工制品的制作程序，初步掌握画线、锯割、打磨、榫连接、钉连接组合等一些基本的木工加工方法;④知道了光电传感器的工作原理，并掌握了双光感巡线以及电机（马达）的使用方法。

针对小组的学习效果评价维度：①初步绘制了编钟模型的设计图;②完成了“编钟”模型的制作与调音，成功组装了具有人工智能的机器人乐手;③能自主编程，实现了具有人工智能机器人乐手的巡线、敲钟，并不断改进;④形成了“和鸣项目”完整的设计方案。

结束语

本课程的开发有效融合了语文、数学、物理、历史、音乐、美术、信息技术、通用技术等多门学科知识，设置了五个子项目，每个子项目又分别以问题来驱动，使学生在解决问题的过程中从参与体验到探究科学，再到探究技术、探究工程，在课程实施的过程中提升学生的科学研究技能，培养他们的科学研究方法、创新能力、科学思维以及计算思维等。