中學(xué)STEAM課程的實踐開發(fā)

嚴凱

STEAM（science，technology，engineering，artand mathematics）原形為STEM，由美國弗吉尼亞大學(xué)格雷特·亞克門（Georgette Yakman）教授于1990年在美國科學(xué)基金會上首次提出，是一種綜合應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)認識世界的創(chuàng)新教育，STEAM是由格雷特·亞克門（Georgette Yakman）教授及其團隊在STEM教育的基礎(chǔ)上加入了藝術(shù)。

一、STEAM實踐模型

STEAM實踐模型是對真實發(fā)生的STEAM項目學(xué)習(xí)的語言文字表述，它和真實發(fā)生的STEAM項目學(xué)習(xí)有對應(yīng)、指稱關(guān)系。這個項目學(xué)習(xí)是缺失大量實踐場域信息的實踐過程描述，換句話說，STEAM項目學(xué)習(xí)中的大量場域信息沒有進入語言表達系統(tǒng)進行表述，這個缺陷是由人的認知能力局限性和語言缺陷造成的，無論是STEAM實踐模型的設(shè)計者還是STEAM實踐模型的二次開發(fā)者，在面向?qū)嵺`的角度，都需要具備相似的經(jīng)驗以支持實踐模型的物化，相對應(yīng)，STEAM實踐模型的設(shè)計者，要對接實踐者的直接經(jīng)驗，否則，理論與實踐的邏輯鴻溝無法逾越。

STEAM實踐模型的說明：課程意義是從該次項目學(xué)習(xí)的價值角度去說明的，要求親身實踐者要能理解和敘述該項目活動的意義。流程是從實施計劃角度來說的，其中情境導(dǎo)入是指老師精心設(shè)計該課程的問題情境，使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)該課程的興趣和沖動。提出問題可以用活動目標(biāo)的方式呈現(xiàn)。STEAM維度分析則從五個維度進行分析，提出科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)五個維度在該次項目活動中的表現(xiàn)形式，不能大而化之，要進行各個維度的詳細表述。實施方案是指學(xué)生在該次項目活動中的表現(xiàn)形式，是對實施過程實指的符號描寫，要以記錄歷史事件的方式直面事實本身，把事實與事實評價區(qū)別開，其中涉及的要素有時間地點、活動資源等。活動任務(wù)是活動的直接目標(biāo)，仰望藍天的價值關(guān)懷是蘊含在活動步驟中的間接存在信息，需要具備相應(yīng)的認知能力才能解讀得出來，但在實踐設(shè)計者那里，價值關(guān)懷是以間接形式設(shè)計進去的，那么如何設(shè)計進去，后面以實例進行實指分析。初始條件是對實施該次STEAM項目學(xué)習(xí)的背景環(huán)境進行交代，任何項目學(xué)習(xí)都必須具備一定的條件，初始條件正是對項目學(xué)習(xí)活動的前置條件的明確指示，以供同行和他者學(xué)習(xí)參考。借鑒建議是以實指的方式，對自己開展過的STEAM項目學(xué)習(xí)活動進行效果反思，并對后來者開展類似活動給予學(xué)習(xí)建議。要充分認識項目學(xué)習(xí)活動中的本質(zhì)特點是合作學(xué)習(xí)，師生在項目學(xué)習(xí)過程中是學(xué)習(xí)共同體，老師指導(dǎo)的有限性首先表現(xiàn)在交流的有限性，在一次項目學(xué)習(xí)過程中，老師沒有多少時間與學(xué)生相處，老師需要對項目學(xué)習(xí)進行系統(tǒng)設(shè)計與分析，在關(guān)鍵問題的突破上，對學(xué)生作出點撥，寥寥數(shù)語，毋須多言。學(xué)生需要開展深度合作學(xué)習(xí)。

二、范例分析

STEAM實踐模型是內(nèi)隱于STEAM項目學(xué)習(xí)過程中的形而上的存在，是實踐活動展開的依據(jù)，下面通過一個范例來解讀STEAM項目學(xué)習(xí)怎么做，對案例的說明皆為實指。

案例：3D打印課程——支書架（原文略）

課程意義：簡要介紹3D打印技術(shù)是增材制造方式，介紹3D打印技術(shù)的兩項技能，一是三維建模軟件MOI3D和Cura14.07切片軟件的學(xué)習(xí)，二是3D打印機的操作和設(shè)置。本項目將通過設(shè)計打印一個支書架來學(xué)習(xí)3D設(shè)計及打印技術(shù)。

流程：

（一）設(shè)計分析。（1）情境導(dǎo)入，設(shè)置問題情境，同學(xué)們在讀書的時候，時間久了，一般都會感覺到頸椎不適，除了加強鍛煉，同學(xué)們嘗試使用技術(shù)設(shè)計來解決這個問題，引入支書架話題，支書架可以手工制作，也可以采用3D打印技術(shù)來設(shè)計并打印。（2）提出問題，提出問題對項目學(xué)習(xí)來說，就是提出學(xué)習(xí)目標(biāo)，即設(shè)計一個支書架，對支書架的技術(shù)要求和功能要求作簡要說明。（3）STEAM維度分析，科學(xué)維度要用科學(xué)眼光對該項目中的科學(xué)問題進行思考和表達，如打印機的原理，對打印過程出現(xiàn)的問題從科學(xué)角度進行合理解釋等。技術(shù)維度要學(xué)習(xí)三維建模軟件和切片軟件以及對打印機的實踐操作。工程維度要用系統(tǒng)思想對項目進行分析，選擇和集成相關(guān)技術(shù)和必要的資源。藝術(shù)維度要從審美的角度對項目活動的各要素的組合進行評估，項目過程要努力做到統(tǒng)一、有序、簡潔、對稱、和諧。數(shù)學(xué)維度是指在MOI3D三維建模中，應(yīng)用數(shù)學(xué)思維去理解和表達軟件的技術(shù)參數(shù)和三維模型參數(shù)以及打印機的參數(shù)設(shè)置，體驗項目活動中的數(shù)理邏輯。

（二）實施方案。實施方案是現(xiàn)象層面的描述，是以記錄歷史事件的方式對項目學(xué)習(xí)過程進行真實記錄。要以現(xiàn)象描述來內(nèi)涵式反映實施方案的邏輯和流程，項目學(xué)習(xí)活動是設(shè)計方案的時空展開，實施方案要說明時間和地點、活動人員、活動任務(wù)、活動步驟、活動結(jié)果，包括必要的活動資源、必備的工具、設(shè)備、材料等支持條件。其中，活動任務(wù)要寫清本次活動的直接目標(biāo)，即設(shè)計一個支書架，其他目標(biāo)不寫?，F(xiàn)象層面的目標(biāo)就是直接目標(biāo)，對培養(yǎng)學(xué)生的某某能力之類目標(biāo)可以寫，也可以不寫，建議不寫。我們每個人都有自己的一套認知系統(tǒng)，應(yīng)用這個認知系統(tǒng)去解讀觀察到的事件，表達的重點是事件本身，而不是對事件的自我解讀，對事件的自我解讀可以寫到日記里。在交流層面，事件解讀多了會干擾事件本身的信息，使得對事件和對事件的價值判斷混淆在一起?；顒硬襟E是重中之重，對活動步驟的表達直接體現(xiàn)了實踐者本人的理解水平，活動步驟是在知識經(jīng)驗的層面展開描述的。知識經(jīng)驗是與原始經(jīng)驗和智慧經(jīng)驗相聯(lián)系的。經(jīng)驗有三個層次，原始經(jīng)驗是人通過實踐感知所獲得的技能性經(jīng)驗，原始經(jīng)驗以默會知識的形式大量地沉淀到人的認知系統(tǒng)中，但沒有進入到語言表達系統(tǒng)。進入到語言表達系統(tǒng)的知識是明述知識，以符號和概念為操作對象，明述知識是知識經(jīng)驗。對知識經(jīng)驗再進行抽象就是智慧經(jīng)驗，智慧經(jīng)驗是以意義為操作對象，是對廣泛的意義對象進行連接和整合?；顒硬襟E要劃分環(huán)節(jié)，確定時序，環(huán)節(jié)的劃分要能對接到同仁們的知識經(jīng)驗上，對原始經(jīng)驗中的默會知識要給予簡要交代?；顒硬襟E分四步：A.熟悉3D打印機，自學(xué)MOI3D建模軟件（前置環(huán)節(jié)，略去不寫）；B.頭腦風(fēng)暴，手工繪制草圖；C.使用MOI3D建模軟件繪制支書架的三維數(shù)字模型；D.打印。這樣的表述，流程是簡潔的，邏輯事實是清晰的，實踐過程是略去不寫的。實踐過程對實施方案來說，是實施方案的時空展開，實施方案本身就是實踐過程的符號表達。成果展示是實踐結(jié)果的直觀展示；反思與評價是對實踐過程的反思，是對實施方案的實證效果的評價。反思與評價分為學(xué)生的反思評價與老師的反思評價。學(xué)生的反思評價主要針對自己在項目學(xué)習(xí)中的興奮點，解決了什么樣的突發(fā)問題，有些什么收獲?？梢允褂酶拍钕到y(tǒng)表達，對現(xiàn)象本身進行解讀。老師的反思評價，要對自己的實施方案中考慮不到的地方展開反思，要在實踐的精細處打開特寫鏡頭。

初始條件：初始條件要對項目學(xué)習(xí)的前提條件進行交代，作為STEAM項目學(xué)習(xí)的設(shè)計者和實踐者，要把自己干的這件事懸置起來，在流程部分對項目學(xué)習(xí)活動作現(xiàn)象本身的描述，這是在場交流轉(zhuǎn)換成非在場交流要切實注意的地方。如本例，本項目學(xué)習(xí)前置環(huán)節(jié)必須熟悉3D打印機，自學(xué)MOI3D三維建模軟件（也可以是其他三維建模軟件）。自學(xué)MOI3D軟件大約需要1～3個月的時長，不進行集中學(xué)習(xí)，完全放羊式。這是在學(xué)生學(xué)習(xí)負擔(dān)極為嚴重的情況下，出于興趣，額外學(xué)習(xí)獲得設(shè)計技能。如果在學(xué)校層面有專用課時進入課表，那么3D設(shè)計打印活動將變得容易得多。初始條件還有資源支持，本案例資源具備：富士櫻F-2802打印機套件及耗材（其他型號也可）、MOI3D三維建模軟件、Cura14.07切片軟件。

借鑒建議：作為本次STEAM項目學(xué)習(xí)的設(shè)計者和實踐者，從交流價值角度看，有必要對自己組織的項目學(xué)習(xí)的成敗得失作出評估，對實施效果作出評價，對同仁提出借鑒建議。如本例，打印過程有諸多經(jīng)驗需要積累：如打印頭與平臺的間距問題，看似簡單，試過就會知道這是一個經(jīng)驗問題，否則打印不了。再如打印機所放平臺的抖動問題，如果平臺較輕，在打印機打印過程中，平臺會有抖動現(xiàn)象，則打印過程可能出現(xiàn)物體錯位，甚至因掉線而中斷。一般情況，打印過程少則幾小時，多則兩三天都打不完，人如果不在場，沒有發(fā)現(xiàn)打印中斷情況，就會打成殘品。打印過程的經(jīng)驗需要積累，原始經(jīng)驗更多的是默會知識，書上很難看到，也很難寫出來。

我的案例說明是語言文字的實指，各位老師看我的案例就成了語言文字的虛指。各位老師是以自己類似經(jīng)驗或替代的意象性對象替代我的實指對象，理解是在知識經(jīng)驗的基礎(chǔ)上發(fā)生的。各位老師看我的案例是以虛指代實指，在知識經(jīng)驗和智慧經(jīng)驗的層次發(fā)生交流。在實指與虛指之間，可以通過活動過程的實景相片來增強虛指到實指的對應(yīng)。

大而化之是我們的文化傳統(tǒng)，有一個弊端，就是缺乏分析傳統(tǒng)。我們既要重視大而化之的系統(tǒng)設(shè)計，更要重視關(guān)鍵環(huán)節(jié)的核心技術(shù)突破。“中學(xué)STEAM課程設(shè)計與實踐開發(fā)”課題，由我論證并實證給出兩個范例，算是一級開發(fā)，課題組其他老師以我的范例為參照，在自己學(xué)科展開二次開發(fā)，對范例進行平移實證，目前開發(fā)的課程案例有13個：3D打印設(shè)計課程——支書架、地形等高線的繪制、光線傳感器的實驗應(yīng)用、驅(qū)蚊劑的研發(fā)、一氧化碳報警器制作等。對提交的案例進行分析與歸納，認為該范例模板是可行的，表達是清晰的，有參考價值，有平移的可操作性。（此文是陜西省基礎(chǔ)教育研發(fā)中心示范引領(lǐng)課題“中學(xué)STEAM課程設(shè)計與實踐開發(fā)”（ZYZXSF2017015）的中期成果。）