“降落傘”STEAM課程的設(shè)計與教學(xué)實施研究

李可克

摘要：本文將STEAM教育理念與降落傘課程相結(jié)合，讓學(xué)生自己動手針對傘繩數(shù)量、傘面材料、傘面大小、傘面形狀、傘繩與傘面直徑比、傘繩材料、傘繩長短七個因素進行實驗，在設(shè)計與制作實踐過程中掌握降落傘的下降規(guī)律，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力和基于問題、基于工程設(shè)計、基于項目的以真實情境為背景的解決真實問題的能力。

關(guān)鍵詞：STEAM教育;降落傘;STEAM課程

STEAM教育

STEAM教育就是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多學(xué)科融合的綜合教育。[1]STEAM的教育理念可以概括為：以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，通過工程和藝術(shù)解讀科學(xué)和技術(shù)。[2]STEAM教育是一種以項目為驅(qū)動、以問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，強調(diào)跨學(xué)科的整合學(xué)習(xí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)不僅是學(xué)習(xí)科學(xué)知識的過程，同時也是理解工程技術(shù)藝術(shù)的過程，是了解設(shè)計、制作、反思與修正一個項目的過程。[3]

STEAM教育框架如圖1所示，它將多個學(xué)科連接起來，以跨學(xué)科的方式指導(dǎo)教學(xué)，形成了一個金字塔的形狀。金字塔的最頂層是通識水平，這一水平代表的是最終的教育目標(biāo)。通識教育和全人教育密切相關(guān)，因此，金字塔頂層和終身教育相互聯(lián)系。金字塔的第二層為綜合水平，這一水平是STE@M教育（藝術(shù)與STEM相互作用，因此STEAM表示成了STE@M），鼓勵學(xué)生通過跨學(xué)科的方式去發(fā)現(xiàn)和解決問題。金字塔的第三層是多學(xué)科水平，這一水平在過去科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上增加了藝術(shù)，鼓勵學(xué)生增加藝術(shù)美感。金字塔的第四層是具體學(xué)科水平，這一水平增強了科學(xué)、技術(shù)、工程藝術(shù)和數(shù)學(xué)學(xué)科相互之間的聯(lián)系。金字塔的第五層是具體課程水平，這一水平主要是科學(xué)、技術(shù)、工程藝術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科的相關(guān)課程。[4]

“降落傘”STEAM課程的設(shè)計

1.課程目標(biāo)設(shè)計

本項目主要是引導(dǎo)學(xué)生知道物體在下落時所涉及的科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)和工程等學(xué)科相關(guān)知識及思想方法;在研究影響降落傘下降快慢因素的科學(xué)實踐活動過程中，通過調(diào)查收集資料尋找證據(jù)，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題的過程，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)、求真務(wù)實的態(tài)度;調(diào)整完善并最終完成降落傘的制作，通過科學(xué)探究與工程設(shè)計的融合，提高創(chuàng)新與實踐能力;體會科學(xué)與地理、物理、工程、技術(shù)與藝術(shù)等學(xué)科的關(guān)聯(lián)，感悟多學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系。該項目的設(shè)計體現(xiàn)了STEAM教育理念的五個方面，如表1所示。

2.課程內(nèi)容設(shè)計

本課程主要針對降落傘的七個影響因素進行研究，具體研究內(nèi)容如表2所示，學(xué)生通過對這些影響因素的研究，習(xí)得制作降落傘的知識，從而動手制作一款自己覺得最好的降落傘。

3.課程實施設(shè)計

課程對七個因素進行分項研究，每一個研究都要經(jīng)過參與、解釋、探索、反思、創(chuàng)新五個環(huán)節(jié)。通過參與環(huán)節(jié)讓學(xué)生知道各自的任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作能力;通過解釋環(huán)節(jié)幫助學(xué)生進行思考，培養(yǎng)邏輯思維能力;在探索環(huán)節(jié)通過實踐，培養(yǎng)學(xué)生的操作能力;在反思和創(chuàng)新兩個環(huán)節(jié)通過再思考，并進行創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

學(xué)生將通過一個學(xué)期54個課時（共18周每周3節(jié)課）的學(xué)習(xí)完成一架能夠平穩(wěn)運送物品的降落傘的制作，項目前期學(xué)生需要知道相關(guān)理念以及注意事項，所以第一周到第四周先了解項目有關(guān)的注意點，在了解的基礎(chǔ)上進行實驗，即第五周到第十一周進行分項研究。在進行分項研究過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)LED燈可能會對降落傘的降落有一定的影響，于是產(chǎn)生了第八項研究，即研究LED燈與降落傘的關(guān)系。因此，在第十二周進行LED燈的研究，在第十三周到第十八周根據(jù)前面的研究得出最后的設(shè)計并實施，最后結(jié)題匯報。具體安排如下頁表3所示。

4.課程評價設(shè)計

根據(jù)評價的基本內(nèi)容制訂評價表，主要包括三個方面的評價：一是活動的內(nèi)容目標(biāo);二是活動過程要素;三是活動效果分析。在劃分出評價的各種類別后，根據(jù)評價的重點，賦予不同的評價項目不同的權(quán)重系數(shù)，綜合評價學(xué)生在活動過程中的發(fā)展?fàn)顩r。

為了充分了解傘繩的數(shù)量這一因素對降落傘下降情況的影響，從而促進學(xué)生在活動中達成學(xué)習(xí)目標(biāo)，本課程制訂了適合學(xué)生的課程學(xué)習(xí)評價方案：①教師組織各小組展示不同傘繩數(shù)量的降落傘。②小組安排成員進行匯報并展示各項成果，包括制作降落傘所產(chǎn)生的作品資料，如降落傘模型、過程性記錄表（活動記錄單）等。③活動結(jié)束后，教師組織學(xué)生對小組作品進行自我評價，采用如表4所示的評價量規(guī)表。

“降落傘”STEAM課程的教學(xué)實施

1.課程內(nèi)容實施

以下是研究傘繩數(shù)量的過程，傘面材料、傘面大小、傘面形狀、傘繩與傘面直徑比、傘繩材料、傘繩長短六項因素對降落傘下落時間影響實驗也根據(jù)以下步驟進行。

（1）參與環(huán)節(jié)——教學(xué)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)

教學(xué)環(huán)境：播放相同條件下不同傘面數(shù)量降落傘同時降落時的視頻，讓學(xué)生觀察其下落時間的差異。

教師提問：為什么這幾個降落傘同時下落，但是它們的下落時間卻并不相同呢？

學(xué)生活動：思考這幾個降落傘不同的地方，尋找得出此情境中的關(guān)鍵因素——傘繩數(shù)量。

（2）解釋環(huán)節(jié)——任務(wù)的發(fā)布與分析

制作一組降落傘，研究傘繩數(shù)量對降落傘降落時間的影響。本次任務(wù)改變的條件為傘繩數(shù)量（根據(jù)折疊技術(shù)、裁剪技術(shù)的支持，選擇不同傘繩的數(shù)量，如4根、8根、10根、12根、14根、16根等），不變的條件有傘面大小、傘面形狀、相同重物、傘繩材料等。在進行實驗時降落傘從同一個高度同時投放，學(xué)生及時記錄每一次測量的數(shù)據(jù)以及測試過程中的現(xiàn)象和問題，并且重復(fù)測試。

（3）探索環(huán)節(jié)——降落傘的制作與測試

同組學(xué)生進行降落傘的制作，控制傘繩數(shù)量不同，保持其他條件相同，做出3個或3個以上的降落傘，將它們從同一高度進行投放，通過多次測量，選取平均值，并及時記錄數(shù)據(jù)。

（4）反思環(huán)節(jié)——數(shù)據(jù)的整理與選擇

學(xué)生根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)進行篩選，選擇出實驗得出的相同條件下最適合降落傘下落的傘面材料。同時，各小組公開實驗結(jié)果，有不一致的通過反復(fù)試驗，尋找出存在的問題并進行討論與解決，難以解釋的可詢問教師。

（5）創(chuàng)新環(huán)節(jié)——理想降落傘的設(shè)計與制作

學(xué)生以小組為單位在規(guī)定時間內(nèi)闡述自己小組的設(shè)計（小組依據(jù)自身的知識與經(jīng)驗進行“無限制性”設(shè)計，設(shè)計出最理想的降落傘）。在闡述設(shè)計后，組長領(lǐng)取材料，各組學(xué)生根據(jù)設(shè)計圖分工制作降落傘。在制作完成后，挑戰(zhàn)第一個任務(wù)，讓降落傘攜帶10g重物（1個鐵墊片）從3米左右高空安全打開降落，并進行三次測試，取平均值進行數(shù)據(jù)分析。

2.課程效果評價

為有效檢驗該模式實施效果，筆者在有限的范圍內(nèi)選取了案例學(xué)校實驗班開展課堂教學(xué)實踐，并對各小組實驗數(shù)據(jù)進行分析，清晰地獲得該模式的實施反饋情況。活動中統(tǒng)計了四組學(xué)生關(guān)于傘繩數(shù)量對比實驗的數(shù)據(jù)，具體如表5所示。

通過傘繩數(shù)量這一項研究可知，傘繩數(shù)量越多，降落傘能夠平穩(wěn)降落的時間越久，但是第四組實驗得出的結(jié)論和其余組不同，他們的結(jié)論是4根尼龍繩下降時間最長，而8根卻比4根時間短。筆者與該組學(xué)生進行交流，發(fā)現(xiàn)是由于傘繩未粘貼均勻，導(dǎo)致數(shù)據(jù)有誤，但同時也提醒了其他學(xué)生在制作過程中要注意傘繩的粘貼。

根據(jù)四組學(xué)生關(guān)于傘繩數(shù)量、傘面材料、傘面大小、傘面形狀、傘繩與傘面直徑比、傘繩材料、傘繩長短等的對比實驗，實施效果評價，具體如下頁表6所示。

“降落傘”STEAM課程效果分析

1.跨學(xué)科整合，STEAM素養(yǎng)形成

根據(jù)表1的課程目標(biāo)，從課程效果分析來看已經(jīng)基本完成了預(yù)期目標(biāo)。學(xué)生通過探索研究，明白了傘繩數(shù)量、傘面材料、傘面大小、傘面形狀、傘繩與傘面直徑比、傘繩材料、傘繩長短等因素對降落傘的下落時間有著重要影響，掌握了降落傘方面的科學(xué)知識，完成了S的目標(biāo);在進行降落傘設(shè)計制作時，小組成員利用圓規(guī)、小刀等工具進行裁剪，利用鉛筆畫降落傘示意圖，學(xué)生的動手操作能力有了極大的提升，滿足了T的目標(biāo);就E而言，小組成員共同經(jīng)歷了降落傘的設(shè)計、制作、測試等一系列的活動，工程性思維有了明顯的提升;在確保降落傘質(zhì)量的同時，學(xué)生對降落傘進行了繪畫、裝飾來使其外觀更具美感，提升了學(xué)生的藝術(shù)修養(yǎng)，完成了A的目標(biāo);學(xué)生通過對降落傘大小、傘繩長短、比例的設(shè)定完成了M的目標(biāo)，“降落傘”課程實施的整個過程。實現(xiàn)了跨學(xué)科整合，學(xué)生的STEAM素養(yǎng)逐漸形成。

2.任務(wù)導(dǎo)向，創(chuàng)新意識培養(yǎng)

“降落傘”STEAM課程以其獨特的教學(xué)模式，給予學(xué)生親身體驗獲得知識的機會，讓學(xué)生在操作中學(xué)習(xí)，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。自行設(shè)計降落傘的任務(wù)不僅僅是對知識的考量，還是對學(xué)生操作能力、反思能力、創(chuàng)新能力、團隊精神等的考量，有利于學(xué)生的全面發(fā)展，體現(xiàn)了STEAM教育的核心，即發(fā)現(xiàn)問題—設(shè)計方法—解決問題—驗證效果，實現(xiàn)了創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

3.陶冶情操，藝術(shù)思維提升

在降落傘制作的過程中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下考慮降落傘的色彩搭配、形狀組合等視覺效果。學(xué)生在項目實施過程中，潛移默化地用藝術(shù)進行多角度的探索。通過該項目的實施，學(xué)生的情操得到陶冶，藝術(shù)思維得到提升。

4.學(xué)生感悟，綜合能力提升

在“降落傘”課程實施過程中，學(xué)生遇到了各種問題，如降落傘傘面難以裁剪，容易損壞;在創(chuàng)新環(huán)節(jié)加上重物后，會與先前所得結(jié)論產(chǎn)生差異;自行設(shè)計降落傘時不能單純將各個實驗所得最優(yōu)材料組合;自行設(shè)計時間不夠等。在一次次嘗試與失敗中學(xué)生學(xué)會了堅持和反思，并通過知識的相互碰撞實現(xiàn)深層次的學(xué)習(xí);通過小組合作，學(xué)生明白了團結(jié)的真諦，達到綜合能力的高度提升。

“降落傘”課程是STEAM教育理念與課程融合的一大實踐，深入貫徹“主動參與，樂于探究，勤于思考”的原則，通過實驗讓學(xué)生去親身體驗影響降落傘下降的因素，在過程中培養(yǎng)了學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問題、探究合作、解決問題的能力。

參考文獻：

[1]袁利平，張欣鑫.論STEAM教育與核心素養(yǎng)的對接[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報：哲學(xué)社會科學(xué)版，2017，46（05）：164-169.

[2]趙慧臣，陸曉婷.開展STEAM教育，提高學(xué)生創(chuàng)新能力——訪美國STEAM教育知名學(xué)者格雷特·亞克門教授[J].開放教育研究，2016（05）：4-10.

[3]袁磊，鄭開玲，張志.STEAM教育：問題與思考[J].開放教育研究，2020，26（03）：51-57+90.

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