融合STEM教育的校本课程开发

刘祺 何京妮 武志伟

摘 要：通过梳理已有的STEM课程开发和研究成果，明确了适合我国STEM课程的整合形式，即科-工和科-技整合，再结合我国基础教育情况进行分析，提出了利用自制教具作为STEM课程开发资源的构想.根据该构想并结合作者的工学本科教育背景，确定使用以工程设计为主轴的6E课程设计模式，以人教版“离心现象及其应用”的自制教具“棉花糖机”为课程设计的主题 ，给出了具体的课程设计案例.

关键词：自制教具;STEM;课程设计;棉花糖机

文章编号：1008-4134（2019）21-0052 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

作者简介：刘祺（1994-），男，四川绵阳人，硕士，研究方向：中学物理教育与科学教育;

何京妮（1995-），女，广东广州人，硕士，研究方向：中学物理教学设计与实验创新;

武志伟（1991-），男，山西大同人，硕士，研究方向：中学物理学科教学.

STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）的概念最早由美国国家科学基金会（NSF）于上世纪90年代提出.科学、技术、工程、数学，相互独立又相互关联的学科是科技的基础，是高素质创新性人才所必备的核心技能，被认为是社会和经济发展的根本动力，是增强一个国家竞争力的重要手段[1].

STEM教育理论与实践的研究在我国的高等师范院校间已取得一定的成果，但是成果转化还不理想.我国在基础教育阶段还没有建立起完整的 STEM 教育体系，也没有专门的STEM中学[2].但是，我国愈来愈多的学校开始尝试开设STEM综合活动的校本课程，校本课程结合STEM开发课程资源已成为一种趋势.

本文将从探讨适合我国的STEM课程整合形式出发，阐明选择自制教具作为STEM课程资源的理由，选择6E课程模式的依据，以及确定“棉花糖”机为课程设计主题的原因，最后给出详细的课程设计.

1 适合我国的STEM课程整合形式

STEM 整合类型众多，可指向同时包含两个或两个以上 STEM 学科内容的教学活动，较为常见的有科-数整合、科-技整合、科-工整合，以及以项目为“珠”串起数学、技术、科学与工程设计理念的珠-线整合模式[3].我国的基础科学教育有着良好的科-数整合传统，但是在科-技整合和科-工整合上存在一定的缺失[4].因此，我国在STEM的整合发展中，重心应向科-技和科-工整合模式倾斜.同时，需要注意的是，科-技整合不只是计算机技术的使用，还应包括实验技能和通用技术.

2 自制教具是合适的STEM课程资源

从STEM课程倡导的真实问题情景的理念出发，笔者认为物理课程中的自制教具是理想的资源，主要有以下两个原因：

一是自制教具蕴含了STEM的四个基本组成部分.

教具在设计时就蕴含了基本的科学原理，具有良好的科学性（S）;制作教具又需要制作者拥有一定的通用技术和实验能力，技术（T）蕴含其中;依据自然科学原理，使用一定的技术手段，达成目标的过程是一个简单的工程（E）项目;高中物理学习对数学知识要求较高，数学工具的使用贯穿了整个高中物理课堂，科-数（M）整合潜移默化地完成了.

二是以自制教具为STEM课程资源符合我国基础科学的教育现状.

就我国中学物理教育现状来看，不是所有学校都能在STEM课程上投入额外的教学资源.自制教具制作成本较低，可以减少学校额外的教学资源投入.新课改鼓励物理教师们利用身边的材料做实验，这有效地推动了自制教具的发展，大量的优秀案例是理想的STEM课程资源，利用这些优秀案例进行STEM课程设计，可以减轻物理教师的课程开发负担.

3 课程设计主题和课程模式的选择

3.1 课程设计主题选择

“离心现象及其应用”是现行人教版高中物理必修二第五章第八节的内容，课本给出了多个与现实生活联系紧密的例子.除了课本上的例子外，棉花糖机也是生活中常见的离心现象及其应用的装置.笔者在一次大学生创新课堂中，展示了自制教具棉花糖机，课堂反响非常好，文史类专业同学也都对实验现象充满了好奇，不断地咨询棉花糖机的工作原理和制作方法.这正是STEM課程需要的真实而又有趣的问题情境.

当然更重要的是棉花糖机蕴含了STEM的基本组成成分.作为教具，首先其蕴含了物理知识，而且制作过程需要通用技术和实验技能.因此，该教具的制作可作为一个简单的STEM项目，供学生运用工程、实验技术将抽象的科学知识转化为实际作品.

基于以上两个原因，笔者选择棉花糖机为STEM校本课程设计的主题.

3.2 课程设计模式的选择

6E模式是美国国际技术与工程教育学会 （ITEEA）于2014年提出的设计型学习模式，是近年来广受推崇的、以工程设计为主轴的课程设计模式[5].该模式主要有6个阶段，分别是：1.参与（Engage）;2.探索（Explore）;3.解释（Explain）;4.工程（Engineer）;5.深化（Enrich）;6.评价（Evaluate）.

根据前文的论述，本文的STEM课程设计的重点整合方向是科-工和科-技方向，因此选用较为成熟的6E课程模式.由于学生在新授课已经接触了自制教具棉花糖机，形成了一定的思维定势，所以在工程设计模式的选择上采用逆向设计模式，顺应学生的思维定势.

4 自制教具棉花糖机的制作

4.1 所需材料

直径6mm铜管、铝合金联轴器2个、标准轴550电机、热熔胶、电烙铁等.

4.2 制作方法

（1）在易拉罐上部和下部四等分点打4个孔，下部4个孔用十字型细铁丝穿过，并在外部预留有一定余量.而上部4个孔，则需要使用V字型细铁丝对称交错排布，同时也应在易拉罐外部预留一定余量，如图1所示.

（2）铜管下部装上联轴器，穿过交叉放置的V型铁丝中间空隙，确保其在中心位置，随后收紧V型铁丝，使得易拉罐悬挂于联轴器上.针线缠绕后再使用热熔胶固定V型铁丝和联轴器.

（3） 对于预留在易拉罐外的部分铁丝余量，用4根长细铁丝连接穿过易拉罐上部和下部，用铜丝固定.连接方式上，下部用电烙铁焊接，上部用热熔胶连接.之后，从易拉罐底部开始打小孔，如图2所示.

（4）在易拉罐中部缠绕散热铜丝，用电烙铁焊接，如图3所示.

（5）使用4根长细铁丝交错布置在铜管上部，并使用针线和热熔胶连接固定，如图4所示.

（6）用联轴器连接铜管和电机，置于铁架台上，并以串联电路的形式连接电路.这样，一个自制的棉花糖机就完成组装了，如图5所示.

（7）自制教具蕴含了STEM学科知识.

笔者依据4节课时列出的成功方案以及两个重点：技术和工程，总结了自制教具涉及的STEM学科知识，见表1.

5 课程设计的教学流程

根据表1的STEM学科知识，使用6E模式进行课程设计.设计重点放在了科-技和科-工两个整合方向，即教师提出相关核心问题，推动学生完成逆向设计过程.根据课程内容，课程时长为6节，具体教学流程见表2.

6 结束语

要让STEM课程真正地融入中学的课程体系，不仅需要高等院校研究者的研究与推动，更需要中学一线教师在教学中充分实践与创新.但是，我们又不能回避一线教学教师工作压力大、对STEM课程接受度参差不齐、对技术和工程相关知识认知不足的问题.鉴于此情况，我们可以不急于推行对教师综合能力要求较高的STEM课程，转而利用我国物理教育积累的优质资源，进行“因地制宜”的STEM课程开发.

在笔者的教学实验中，该课程难度适中，成功的关键因素在于装置的制作与安装的精度，学生动手能力与团队合作能力得到了很大的发展.教师应该重视最后的“深化与评价”环节，尤其是作为课程学习主体的学生的意见，推动课程的循证优化.

参考文献：

[1]谢丽，李春密.物理课程融入STEM教育理念的研究与实践[J].物理教师，2017，38（04）：2-4.

[2]周礼，章亚楠，朱悦卫等.基于STEM理念的校本课程——以制作“天气瓶”为例[J].化学教学，2016（10）：12-15.

[3]B. Y. White. Intermediate Causal Models：A Missing Link for Successful Science Education？[J]. Advances in Instructional Psychology，1993（4）：177-252.

[4]唐小為，王唯真.整合STEM发展我国基础科学教育的有效路径分析[J].教育研究，2014（9）：61-68.

[5]Burke B N.The ITEEA 6E Learning by DeSIGNTM Model，Maximizing Informed Design and Inquiry in the Integrative STEM Classroom[J].Technology and Engineering Teacher，2014，73（6）：14-19.

[6]Committee on K-12 Engineering Education.Understanding the Status and Improving the Prospects[M].Washington D.C.：National Academies Press，2009.

（收稿日期：2019-08-10）