“降落伞”STEAM课程的设计与教学实施研究

李可克

摘要：本文将STEAM教育理念与降落伞课程相结合，让学生自己动手针对伞绳数量、伞面材料、伞面大小、伞面形状、伞绳与伞面直径比、伞绳材料、伞绳长短七个因素进行实验，在设计与制作实践过程中掌握降落伞的下降规律，培养其创新思维能力和基于问题、基于工程设计、基于项目的以真实情境为背景的解决真实问题的能力。

关键词：STEAM教育;降落伞;STEAM课程

STEAM教育

STEAM教育就是集科学、技术、工程、艺术、数学多学科融合的综合教育。[1]STEAM的教育理念可以概括为：以数学为基础，通过工程和艺术解读科学和技术。[2]STEAM教育是一种以项目为驱动、以问题解决为导向的课程组织方式，强调跨学科的整合学习，学生的学习不仅是学习科学知识的过程，同时也是理解工程技术艺术的过程，是了解设计、制作、反思与修正一个项目的过程。[3]

STEAM教育框架如图1所示，它将多个学科连接起来，以跨学科的方式指导教学，形成了一个金字塔的形状。金字塔的最顶层是通识水平，这一水平代表的是最终的教育目标。通识教育和全人教育密切相关，因此，金字塔顶层和终身教育相互联系。金字塔的第二层为综合水平，这一水平是STE@M教育（艺术与STEM相互作用，因此STEAM表示成了STE@M），鼓励学生通过跨学科的方式去发现和解决问题。金字塔的第三层是多学科水平，这一水平在过去科学、技术、工程和数学的基础上增加了艺术，鼓励学生增加艺术美感。金字塔的第四层是具体学科水平，这一水平增强了科学、技术、工程艺术和数学学科相互之间的联系。金字塔的第五层是具体课程水平，这一水平主要是科学、技术、工程艺术和数学等学科的相关课程。[4]

“降落伞”STEAM课程的设计

1.课程目标设计

本项目主要是引导学生知道物体在下落时所涉及的科学、数学、技术和工程等学科相关知识及思想方法;在研究影响降落伞下降快慢因素的科学实践活动过程中，通过调查收集资料寻找证据，经历发现、提出、分析、解决问题的过程，培养严谨、求真务实的态度;调整完善并最终完成降落伞的制作，通过科学探究与工程设计的融合，提高创新与实践能力;体会科学与地理、物理、工程、技术与艺术等学科的关联，感悟多学科之间的内在联系。该项目的设计体现了STEAM教育理念的五个方面，如表1所示。

2.课程内容设计

本课程主要针对降落伞的七个影响因素进行研究，具体研究内容如表2所示，学生通过对这些影响因素的研究，习得制作降落伞的知识，从而动手制作一款自己觉得最好的降落伞。

3.课程实施设计

课程对七个因素进行分项研究，每一个研究都要经过参与、解释、探索、反思、创新五个环节。通过参与环节让学生知道各自的任务，培养学生的团队合作能力;通过解释环节帮助学生进行思考，培养逻辑思维能力;在探索环节通过实践，培养学生的操作能力;在反思和创新两个环节通过再思考，并进行创新，培养学生的创新能力。

学生将通过一个学期54个课时（共18周每周3节课）的学习完成一架能够平稳运送物品的降落傘的制作，项目前期学生需要知道相关理念以及注意事项，所以第一周到第四周先了解项目有关的注意点，在了解的基础上进行实验，即第五周到第十一周进行分项研究。在进行分项研究过程中，学生发现LED灯可能会对降落伞的降落有一定的影响，于是产生了第八项研究，即研究LED灯与降落伞的关系。因此，在第十二周进行LED灯的研究，在第十三周到第十八周根据前面的研究得出最后的设计并实施，最后结题汇报。具体安排如下页表3所示。

4.课程评价设计

根据评价的基本内容制订评价表，主要包括三个方面的评价：一是活动的内容目标;二是活动过程要素;三是活动效果分析。在划分出评价的各种类别后，根据评价的重点，赋予不同的评价项目不同的权重系数，综合评价学生在活动过程中的发展状况。

为了充分了解伞绳的数量这一因素对降落伞下降情况的影响，从而促进学生在活动中达成学习目标，本课程制订了适合学生的课程学习评价方案：①教师组织各小组展示不同伞绳数量的降落伞。②小组安排成员进行汇报并展示各项成果，包括制作降落伞所产生的作品资料，如降落伞模型、过程性记录表（活动记录单）等。③活动结束后，教师组织学生对小组作品进行自我评价，采用如表4所示的评价量规表。

“降落伞”STEAM课程的教学实施

1.课程内容实施

以下是研究伞绳数量的过程，伞面材料、伞面大小、伞面形状、伞绳与伞面直径比、伞绳材料、伞绳长短六项因素对降落伞下落时间影响实验也根据以下步骤进行。

（1）参与环节——教学环境的创设

教学环境：播放相同条件下不同伞面数量降落伞同时降落时的视频，让学生观察其下落时间的差异。

教师提问：为什么这几个降落伞同时下落，但是它们的下落时间却并不相同呢？

学生活动：思考这几个降落伞不同的地方，寻找得出此情境中的关键因素——伞绳数量。

（2）解释环节——任务的发布与分析

制作一组降落伞，研究伞绳数量对降落伞降落时间的影响。本次任务改变的条件为伞绳数量（根据折叠技术、裁剪技术的支持，选择不同伞绳的数量，如4根、8根、10根、12根、14根、16根等），不变的条件有伞面大小、伞面形状、相同重物、伞绳材料等。在进行实验时降落伞从同一个高度同时投放，学生及时记录每一次测量的数据以及测试过程中的现象和问题，并且重复测试。

（3）探索环节——降落伞的制作与测试

同组学生进行降落伞的制作，控制伞绳数量不同，保持其他条件相同，做出3个或3个以上的降落伞，将它们从同一高度进行投放，通过多次测量，选取平均值，并及时记录数据。

（4）反思环节——数据的整理与选择

学生根据测量得到的数据进行筛选，选择出实验得出的相同条件下最适合降落伞下落的伞面材料。同时，各小组公开实验结果，有不一致的通过反复试验，寻找出存在的问题并进行讨论与解决，难以解释的可询问教师。

（5）创新环节——理想降落伞的设计与制作

学生以小组为单位在规定时间内阐述自己小组的设计（小组依据自身的知识与经验进行“无限制性”设计，设计出最理想的降落伞）。在阐述设计后，组长领取材料，各组学生根据设计图分工制作降落伞。在制作完成后，挑战第一个任务，让降落伞携带10g重物（1个铁垫片）从3米左右高空安全打开降落，并进行三次测试，取平均值进行数据分析。

2.课程效果评价

为有效检验该模式实施效果，笔者在有限的范围内选取了案例学校实验班开展课堂教学实践，并对各小组实验数据进行分析，清晰地获得该模式的实施反馈情况。活动中统计了四组学生关于伞绳数量对比实验的数据，具体如表5所示。

通过伞绳数量这一项研究可知，伞绳数量越多，降落伞能够平稳降落的时间越久，但是第四组实验得出的结论和其余组不同，他们的结论是4根尼龙绳下降时间最长，而8根却比4根时间短。笔者与该组学生进行交流，发现是由于伞绳未粘贴均匀，导致数据有误，但同时也提醒了其他学生在制作过程中要注意伞绳的粘贴。

根据四组学生关于伞绳数量、伞面材料、伞面大小、伞面形状、伞绳与伞面直径比、伞绳材料、伞绳长短等的对比实验，实施效果评价，具体如下页表6所示。

“降落伞”STEAM课程效果分析

1.跨学科整合，STEAM素养形成

根据表1的课程目标，从课程效果分析来看已经基本完成了预期目标。学生通过探索研究，明白了伞绳数量、伞面材料、伞面大小、伞面形状、伞绳与伞面直径比、伞绳材料、伞绳长短等因素对降落伞的下落时间有着重要影响，掌握了降落伞方面的科学知识，完成了S的目标;在进行降落伞设计制作时，小组成员利用圆规、小刀等工具进行裁剪，利用铅笔画降落伞示意图，学生的动手操作能力有了极大的提升，满足了T的目标;就E而言，小组成员共同经历了降落伞的设计、制作、测试等一系列的活动，工程性思维有了明显的提升;在确保降落伞质量的同时，学生对降落伞进行了绘画、装饰来使其外观更具美感，提升了学生的艺术修养，完成了A的目标;学生通过对降落伞大小、伞绳长短、比例的设定完成了M的目标，“降落伞”课程实施的整个过程。实现了跨学科整合，学生的STEAM素养逐渐形成。

2.任务導向，创新意识培养

“降落伞”STEAM课程以其独特的教学模式，给予学生亲身体验获得知识的机会，让学生在操作中学习，极大地提高了学生的学习兴趣。自行设计降落伞的任务不仅仅是对知识的考量，还是对学生操作能力、反思能力、创新能力、团队精神等的考量，有利于学生的全面发展，体现了STEAM教育的核心，即发现问题—设计方法—解决问题—验证效果，实现了创新意识的培养。

3.陶冶情操，艺术思维提升

在降落伞制作的过程中，学生在教师的引导下考虑降落伞的色彩搭配、形状组合等视觉效果。学生在项目实施过程中，潜移默化地用艺术进行多角度的探索。通过该项目的实施，学生的情操得到陶冶，艺术思维得到提升。

4.学生感悟，综合能力提升

在“降落伞”课程实施过程中，学生遇到了各种问题，如降落伞伞面难以裁剪，容易损坏;在创新环节加上重物后，会与先前所得结论产生差异;自行设计降落伞时不能单纯将各个实验所得最优材料组合;自行设计时间不够等。在一次次尝试与失败中学生学会了坚持和反思，并通过知识的相互碰撞实现深层次的学习;通过小组合作，学生明白了团结的真谛，达到综合能力的高度提升。

“降落伞”课程是STEAM教育理念与课程融合的一大实践，深入贯彻“主动参与，乐于探究，勤于思考”的原则，通过实验让学生去亲身体验影响降落伞下降的因素，在过程中培养了学生不断发现问题、探究合作、解决问题的能力。

参考文献：

[1]袁利平，张欣鑫.论STEAM教育与核心素养的对接[J].陕西师范大学学报：哲学社会科学版，2017，46（05）：164-169.

[2]赵慧臣，陆晓婷.开展STEAM教育，提高学生创新能力——访美国STEAM教育知名学者格雷特·亚克门教授[J].开放教育研究，2016（05）：4-10.

[3]袁磊，郑开玲，张志.STEAM教育：问题与思考[J].开放教育研究，2020，26（03）：51-57+90.

[4]魏晓东，于冰，于海波.美国STEAM教育的框架、特点及启示[J].华东师范大学学报：教育科学版，2017，35（04）：40-46.