中国科技馆STEAM 课程模式初探

2020-11-29赵润忠

科技与创新 2020年4期

赵润忠

（云南省科技馆基建处，云南昆明650050）

2016 年，中国教育部出台的《教育信息化“十三五”规划》中明确指出有效利用信息技术推进“众创空间”建设，探索STEM 教育、创客教育等新教育模式。

1 STEM 课程概念

STEM 是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写，其含义是运用作为技术与工程学科的基础工具的数学（Mathematics）来认识世界、解释自然界的客观规律，并在尊重自然规律的基础上改造世界、实现与自然界的和谐共处、解决社会发展过程中遇到的难题（Technology and Engineering）。笔者认为还需要增加A，即艺术（Art），也即扩展为STEAM 课程。

2 科技馆STEAM 课程模式与案例分析

要做好科技馆的STEAM 课程，必须坚持“上层设计，整合社会资源”。以下根据STEAM 课程学习过程由易到难分为三种类型：实验探究型、组装制造型和研究创新型。

2.1 实验探究型模式分析与案例

实验探究型模式即学习者通过STEAM 知识的综合运用来验证并探究已知的定律或现象，同时去发现并解释某些学习者未知的现象，让学习者通过STEAM 知识的综合运用来验证这些结果并达到加深理解、领悟科学的过程。设计步骤如下：①明确问题。根据科技馆教师限定条件的多少，由学习者或科技馆教师提出问题，学习者运用自己所学的知识去寻找需要探究的问题，学习者发现的问题具有一定的指向性，但绝对不能是限定的，此过程允许探究结论不唯一，以提高学习者学习兴趣和探索能力。②设计方案。设计方案时首先确定验证的现象，学习者通过直接观察或仪器记录来记录数据，发现规律。③评估方案。方案实施必须经过师生协同评估，评估的重点包括现象和定律之间的充分性（验证定律）和方案的可行性（包括安全、成本以及作用等内容）。④实施方案。方案的可行性评估完成后，学习者可以开始验证计划，本步骤的重点是现象的观察和记录，如果遇到无法解决的状况一定要设计交互，通过不断地交互完成环境的准备、问题现象的触发和对应数据的收集。⑤分析数据。对观察得到的数据和现象进行分析，其结果可能是确定的也可能是未知的，学习者可以采用结论推导的方法，也可以采用猜想验证的方法，来解释观察到的现象和规律，考虑到解释结论可能超出学习者的能力，这些需要相互协作和教师支持。⑥分享反思。反思本验证方案的有效性和可改进性，及可渗入性及可迁移性，培养更好的问题发现能力，并分享自己的验证过程，总结本次验证掌握的技能。

案例如下：为探究“验证水中溶氧量会受不同因素影响而发生变化”，学习者猜想水中溶氧量影响因素，通过控制变量的改变来测定水中溶氧量会受不同因素影响而变化；通过使用测量水中溶氧量的仪器对不同的实验条件进行控制，小组讨论并确定实验具体步骤和个体分工（掌控实验进度、负责操作仪器、记录数据实验过程），并与教师沟通，共同评估实验的可行性与严密性；小组按照评估后的方案，循序开展验证计划。同时，学习者根据自己的观察记录和测得数据进行数据分析来探究是否其他条件不变，猜想水氧含量与水温是否成反比？气压、水压、水深、水生植物的光合作用、水生动物的呼吸活动、水域的面积等会不会影响水氧含量？能不能通过改变水氧含量来提高植物的产量和口感？

2.2 组装制造型模式分析与案例

组装制造型模式即学习者通过STEAM 知识的综合运用，经过模仿并能够完成对一个已有形态物品的生产和改良，培养其工程实践能力。设计步骤如下：①明确问题。科技馆教师介绍将要完成的物品的应用价值，要求学习者运用自己所学的知识去解释、组装和拓展。②设备培训。科技馆教师针对本次将会用到的工具、零件和材料在内设备的功能做一个简单的介绍，重点强调设备使用的安全规则。③模仿制造。学习者模仿科技馆教师组装、制造。④知识讲解。学习者完成制造目标后，教师再开始讲解所涉及的知识点，包括工作原理、加工要点、设计理念等。⑤协同改进。学习者通过小组之间的协作对原有设计进行合理的改进，制造出更有价值的作品并分享交流。

案例如下：科技馆可以联系当地相关企业探究安卓加速器应用程序，该课程是通过编写程序，用编写程序这种形式开发一款Android 应用设备，来探究设备的加速度与力的关系。学习者通过某企业了解如何创建安卓应用程序，如何创建自己的应用程序，使用该设备收集安卓设备的加速度数据并将数据存储到数据库中；应用手机内部传感器（特别是加速器）开发一款安卓应用设备，学习者按照工程设计的步骤，找出问题，制订解决、实施、测试解决方案和重新设计，完成设计任务；学习者根据加速设备形成假设，使用滑动的安卓设备收集速度和时间的数据，根据牛顿第二定律探究设备上的力是如何变化的，来探究加速度；同时利用加速度和时间的关系绘制速度时间曲线，理解加速度与施加的力的关系。该课程利用数据分析与概率论、物理学和计算机科学，通过测试学习者对速度、加速度和力的关系来理解物理与工程的融合。

2.3 研究创新型模式分析与案例

研究创新型模式即学习者通过STEAM 知识的综合运用完成一个有指向性的创新物品的设计和制造，其以物化成果为主。设计步骤如下：①问题引入。创新来自于生活，科技馆教师可以通过提出极具吸引力的新奇问题激发学习者去寻找需求并明确创造方向，创新方向要以物化成果为主。②创新导入。当学习者有了明确的创新方向后，教师对学习者所提出的创新方向进行创新的可行性分析，确定创新物化目标提供可行的创新方向和思路的指导，防止学习者设定一个目前无法实现的创新目标，让学习者失去创新兴趣。③协同设计。学习者明确了创造目标后，科技馆教师可指导采取小组协作的方式设计方案，教师统计每个成员的专业背景；教师根据学习者的专业背景分配任务，再次对学习者的设计进行评估，通过设计—评估—再设计—再评估迭代过程来得到人们都认可的合适的设计方案。这样做能从结构学、机械学、电子学、传动感应学、外观设计、动力学、人机交互学等专业进行完美整合。④合作制造。为了验证详细的设计方案是否可行，学习者进行作品的实际制造，一旦出现无法解决的问题就必须回到步骤③重新进行设计方案的修改。⑤应用改进。当作品制造出来后投入现实，对作品自身功能和用户体验两方面进行有效性验证，并形成改进意见，必要时重新回到步骤③开始新一轮的设计。⑥学习反思。学习者对作品观众交互，改进反思。

案例如下：科技馆可与当地消防器材部门合作进行“报警电路”课程设计。该课程涉及计算机、物理、工程等学科。科技馆教师通过印发或讲解关于报警器的相关资料，如消防系统采用蜂鸣器报警，蜂鸣器的工作电流相对来说比较大，并且电路中的TTL 实际中不能驱动蜂鸣器工作，应增加电流放大电路，而一个管脚又不能支持蜂鸣器发出警报声，因此，还要添加一个三极管，使蜂鸣器通过更大的电流。用蜂鸣器预警水库液位，需要设定一个上线，规定时间计算液位高度，观察安全水位范围。蜂鸣器正极接大小为5 V 的电源，负极则要接到三极管的集电极。三极管的基极需要通过与门联通单片机的引脚。当引脚为高电平时，此时的与非门（计算机术语，与非门是与门和非门的结合，与非门则是当输入端中有1 个或1 个以上是低电平时，输出为高电平；只有所有输入是高电平时，输出为低电平）输出低电平，三极管停止导通，蜂鸣器失电，不报警；当引脚电平为低时，则与非门输出高电平，三极管导通，蜂鸣器中的电流形成回路发出警报报警。让学习者初步了解工程设计的内容。学习电的基本知识和电路，主要是理解和掌握导体、绝缘体、电压、电流等科学概念，认识常见的电力技术，还有电路的构成、画简单的电路图、不同结构的电路图的工作原理、构建一个电路原理图。运用工程设计报警系统，画出满足要求的电路图，并阐明该电路的工作原理。在这过程中，每一环节相互联系，教师可以采取头脑风暴训练学习者的思维能力，帮助学习者掌握优化变量、解释数据等技能。