基于STEM理念的校本課程——以制作“天氣瓶”為例

周禮+章亞楠+朱悅衛(wèi)+肖多聞+周青+李高峰

摘要：提出STEM教育的三大核心理念：跨學(xué)科整合、問題驅(qū)動、情景與合作。并且以校本課程的形式，通過制作“天氣瓶”為課程案例，呈現(xiàn)了STEM課程的實施過程和設(shè)計原則。此外，研究也表明基于STEM理念的校本課程能夠在一定程度上提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

關(guān)鍵詞：STEM教育；天氣瓶；校本課程；學(xué)習(xí)興趣

文章編號：1005–6629（2016）10–0012–04 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

STEM教育是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)教育（Science，Technology，Engineering and Mathematics）的簡稱。它起源于1980年代的美國，旨在打破學(xué)科領(lǐng)域邊界，培養(yǎng)學(xué)生的科技理工素養(yǎng)，進而提升國家競爭力和創(chuàng)新能力[1]。美國的STEM教育在提升國民科學(xué)素養(yǎng)、增強國家經(jīng)濟實力、驅(qū)動創(chuàng)新等方面均具有顯著作用[2]。為此，美國建立了STEM學(xué)校專注于培養(yǎng)高素質(zhì)人才，這些學(xué)校的相關(guān)案例值得國內(nèi)借鑒[3]。截止2014年，美國大約有358所公立STEM中學(xué)，而美國總統(tǒng)奧巴馬呼吁在未來10年要新建1000所STEM中學(xué)[4]。

我國的STEM教育起步較晚，在基礎(chǔ)教育階段還沒有建立起完整的STEM教育體系，也沒有專門的STEM中學(xué)。鑒于美國發(fā)展STEM教育所取得的巨大成就，重視并發(fā)展我國的STEM教育具有深遠意義?；谖覈A(chǔ)教育的實際情況，本研究側(cè)重于化學(xué)教學(xué)并結(jié)合校本課程進行相應(yīng)的探索，為我國的STEM教育發(fā)展提供相應(yīng)的參考。

1 STEM教育的框架與特征

科學(xué)本身不能生產(chǎn)東西，孤立的技術(shù)也不能，單獨數(shù)學(xué)更不能，只有把科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)結(jié)合在一起的時候，才能夠生產(chǎn)出有價值的東西或者其他高科技產(chǎn)品。這也是提出STEM這一框架的直接原因[5]。美國國際技術(shù)教育協(xié)會（International Technology Education Association）提出了STEM課程的基本架構(gòu)（見圖1），其核心觀點是以解決工程問題為課程主軸，再輔以技術(shù)設(shè)計、數(shù)學(xué)與科學(xué)相關(guān)知識，發(fā)展專題導(dǎo)向的教學(xué)模組，以培養(yǎng)學(xué)生各學(xué)科知識的整合能力并激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)工程的興趣[6]。因此，我國基礎(chǔ)科學(xué)教育的發(fā)展需要依托整合的STEM課程，以已有的科學(xué)課程為載體，開發(fā)整合與不同學(xué)科內(nèi)容相關(guān)的工程設(shè)計任務(wù)，注重教學(xué)實施中科學(xué)探究與工程設(shè)計的有機結(jié)合[7]。

科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)這四門學(xué)科都包含了知識和實踐的部分，它們幾乎囊括了理工科課程的全部范疇，四者之間有著緊密的聯(lián)系。總的來說，STEM教育應(yīng)具有三大核心理念：跨學(xué)科整合、問題驅(qū)動、情景與合作。

1.1 跨學(xué)科整合

科學(xué)是數(shù)學(xué)的思想和平臺，數(shù)學(xué)是科學(xué)的工具和語言；數(shù)學(xué)和科學(xué)是工程的基礎(chǔ)，工程又是科學(xué)和數(shù)學(xué)的關(guān)鍵；工程設(shè)計能產(chǎn)出高新技術(shù)，高新技術(shù)又為工程實施提供有利的硬件支持。但是，這四者又各有側(cè)重點：科學(xué)重在發(fā)現(xiàn)探索，技術(shù)側(cè)重發(fā)明革新，工程強調(diào)集成建造，數(shù)學(xué)強調(diào)邏輯推理?？偟膩碚f，STEM教育的理念就是促使四門學(xué)科既立足于每一門學(xué)科的特殊性，又彼此間滲透，培養(yǎng)學(xué)生各學(xué)科間的綜合素養(yǎng)[8，9]。

1.2 問題驅(qū)動

工程問題的解決往往是STEM課程的主軸，學(xué)生的學(xué)習(xí)活動必須與任務(wù)或問題相結(jié)合，以探索問題來引導(dǎo)和維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動機，創(chuàng)建真實的教學(xué)情境，讓學(xué)生帶著真實的任務(wù)學(xué)習(xí)，以使學(xué)生擁有學(xué)習(xí)的主動權(quán)[10]。與此同時，問題驅(qū)動還能夠提高學(xué)生在課堂教學(xué)中的參與程度，容易激起學(xué)生的求知欲，活躍其思維。

1.3 情景與合作

建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)不是由教師向?qū)W生傳遞知識，而是學(xué)生自我建構(gòu)知識的過程，教師只是作為該課程的引導(dǎo)者。STEM課程活動不僅僅教授學(xué)生孤立、抽象的學(xué)科知識，更強調(diào)把知識還原于豐富的生活情境中。學(xué)生再通過情景互動，以小組合作的形式協(xié)同互助、相互啟發(fā)，參與、體驗獲得知識的過程，不僅能夠獲得結(jié)果性知識，還習(xí)得蘊含在問題解決過程中的過程性知識[11]。與此同時，合作學(xué)習(xí)還能培養(yǎng)其主動參與的意識，激發(fā)學(xué)生的求知欲，最終共同達成教學(xué)目標(biāo)。

2 課程設(shè)計

本研究選擇了某中學(xué)初三年級的學(xué)生作為研究對象，旨在探索基于STEM理念的校本課程對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的影響，并討論STEM課程在中學(xué)教學(xué)過程中的實施方案和設(shè)計原則。

2.1 研究選題

“天氣瓶”是一種簡單的手工藝品，人們在日常生活中用它作為預(yù)報天氣的參考。對于STEM課程的建設(shè)，“天氣瓶”既貼近學(xué)生的生活實際，又蘊含豐富的化學(xué)知識和其他學(xué)科的相關(guān)知識，并且制作過程又能考驗學(xué)生的動手能力。因此，本研究以制作“天氣瓶”為主題。該課程在學(xué)習(xí)完人教版初中化學(xué)第九單元“溶液”之后進行，此時學(xué)生已經(jīng)掌握了溶液、晶體相關(guān)的基礎(chǔ)知識，對天氣瓶的制作有一定的感性認(rèn)識與理性認(rèn)識。此外，天氣瓶的制作在網(wǎng)上有許多樣本，諸如上海STEM云中心（http：//www.stemcloud.cn）也有相關(guān)的介紹，但是都沒有從課程的角度出發(fā)進行探索。

2.2 設(shè)計思路

在科學(xué)知識層面上，試圖重點突出化學(xué)知識又兼顧其他學(xué)科知識的跨學(xué)科整合。其中，化學(xué)知識涉及到結(jié)晶、飽和溶液等重要概念，其制作原理是天氣瓶內(nèi)的飽和溶液析出了樟腦晶體，硝酸鉀、氯化銨和水作為次要成分，對控制樟腦晶體形成有很大的作用；物理知識涉及到氣壓、濕度、電場、磁場對晶體形成均沒有影響，只有溫度對其有影響，一般對于這種體系，溫度越低，就越容易出現(xiàn)結(jié)晶；生物知識涉及到樟腦為樟科植物的枝、干、葉及根部，經(jīng)提煉制得的顆粒狀結(jié)晶，天氣瓶使用天然樟腦的效果要比人造樟腦的效果好。endprint

在技術(shù)層面上，本課程主要是化學(xué)實驗的操作技術(shù)。在活動中，每個小組都扮演了獨立的天氣瓶制作工廠的角色，體現(xiàn)了STEM理念中的情景與合作。從工廠生產(chǎn)的角度，每個步驟都是技術(shù)的體現(xiàn)。

在工程問題層面上，利用預(yù)報天氣的生活情境激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生解決的第一個問題是“天氣瓶真的能預(yù)測天氣嗎？”，從而讓學(xué)生用實驗驗證自己的猜想；隨后的第二個問題是工程設(shè)計問題，要求學(xué)生自己動手制作天氣瓶，并利用天然樟腦和人造樟腦兩種配方進行實驗。這種進階式的問題體現(xiàn)了工程學(xué)中從明確問題到制訂方案，最后測試和優(yōu)化改進的系統(tǒng)性步驟。此外，學(xué)生還有可能面臨這些問題：實驗藥品的用量各為多少？要用到哪些實驗器材？先做哪一步？以上問題均能體現(xiàn)問題驅(qū)動的STEM理念。

在數(shù)學(xué)層面上，本課程將數(shù)學(xué)作為一種輔助工具，主要涉及藥品稱量時的讀數(shù)、計數(shù)以及制訂藥品配比，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)，還加深了學(xué)生對科學(xué)探究和科學(xué)概念的理解，促進了工程問題的解決。

2.3 教學(xué)流程

依據(jù)教學(xué)設(shè)計思路，設(shè)計“天氣瓶”的教學(xué)流程，具體如表1所示。

3 結(jié)論與啟示

通過本研究的試點，我們發(fā)現(xiàn)基于STEM理念的校本課程，能夠在一定程度上提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。因此，化學(xué)教師在實際教學(xué)過程中，可以適當(dāng)?shù)亻_設(shè)相關(guān)的校本課程，給學(xué)生創(chuàng)造更多的動手機會，提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，進而提升學(xué)習(xí)效果。在制作“天氣瓶”的課程中，我們也發(fā)現(xiàn)STEM課程的實施和設(shè)計應(yīng)當(dāng)注意以下幾點：首先，實施課程的主體應(yīng)該是學(xué)生而不是教師，該課程大多數(shù)時間是學(xué)生自主學(xué)習(xí)，自己動手實驗，這符合新課程的理念；其次，教師對課程內(nèi)容的選擇應(yīng)該是既貼近學(xué)生的生活實際，又與教材內(nèi)容相關(guān)，從而使課程充滿趣味性、知識性；最后，課程應(yīng)當(dāng)充分體現(xiàn)STEM教育理念，蘊含科學(xué)的教育設(shè)計和基礎(chǔ)性學(xué)科知識，促使教學(xué)內(nèi)容既立足于每一門學(xué)科的特殊性，又相互滲透，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實踐能力。

參考文獻：

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[8]余勝泉，胡翔. STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開放教育研究，2015，（4）：13～22.endprint