茅君平

摘? ?要：情境整合是STEM教育中比較典型的課程設(shè)計(jì)模式。文章介紹了備受工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域青睞的6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式，并對(duì)高中物理“多用電表”課例進(jìn)行了基于6E模式的設(shè)計(jì)研究，以探討在高中必修課程中推進(jìn)STEM教育之實(shí)踐路徑。

關(guān)鍵詞：6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式;STEM;課例開發(fā)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）4-0009-4

在STEM教育的各種跨學(xué)科整合模式中，情境整合模式被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)類的課例中。基于情境整合模式的STEM教育強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生面對(duì)真實(shí)情境，經(jīng)歷科學(xué)探究、工程設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)方法和技術(shù)制作等一系列過程，運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)和方法解決實(shí)際問題。該模式以涉及STEM的主題為中心，以情境或問題激發(fā)學(xué)生的好奇心，在問題支架的引領(lǐng)下，學(xué)生通過工程設(shè)計(jì)活動(dòng)，將科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)知識(shí)進(jìn)行鏈接，制作出相關(guān)作品。在此類STEM課堂中，學(xué)生的學(xué)習(xí)是面向真實(shí)情境的、探究是主動(dòng)積極的、體驗(yàn)是沉浸式的。教師則是情境的設(shè)計(jì)者、學(xué)習(xí)活動(dòng)的組織者、必要支架的提供者、評(píng)價(jià)量規(guī)的制定者。

1? ? 6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式

情境整合模式的STEM課程強(qiáng)調(diào)選擇真實(shí)的情境主題，以問題驅(qū)動(dòng)并通過科學(xué)探究獲得知識(shí)為原則，依托適切的程序支架構(gòu)建完整的課程體系。針對(duì)此類STEM課程的開發(fā)，美國(guó)國(guó)際技術(shù)與工程教育學(xué)會(huì)提出了著名的6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式。它包括六個(gè)階段，如表1所示。

6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式結(jié)合了“科學(xué)探究”思維和“工程設(shè)計(jì)”實(shí)踐，讓學(xué)生在跨學(xué)科的具體情境中感知和提出自己的問題，運(yùn)用跨學(xué)科的知識(shí)應(yīng)對(duì)和解決挑戰(zhàn)性任務(wù)，是STEM教育中比較適切的課程設(shè)計(jì)模式。

2? ? 基于6E模式的STEM課程設(shè)計(jì)

在高中階段，以物理學(xué)科為基礎(chǔ)，整合其他多學(xué)科開發(fā)STEM課程、開展STEM教育是一個(gè)有意義的嘗試。本文結(jié)合情境整合類STEM課程的特點(diǎn)，以人教版高中物理選修3-1中的“多用電表”為例，探討基于6E模式的STEM課程開發(fā)程序。

2.1? ? STEM課程教學(xué)目標(biāo)的描述

STEM課程的教學(xué)目標(biāo)可以從三維目標(biāo)結(jié)合素養(yǎng)目標(biāo)等角度描述。本課例的學(xué)習(xí)目標(biāo)可描述為：“學(xué)生通過運(yùn)用閉合電路歐姆定律探究設(shè)計(jì)歐姆表，即通過理論探究學(xué)習(xí)歐姆表的原理;通過實(shí)驗(yàn)探究經(jīng)歷歐姆表的設(shè)計(jì)過程，深化理解歐姆表的原理;按照工程設(shè)計(jì)和技術(shù)制作程序，完成三表合一的制作任務(wù);進(jìn)行測(cè)試，最后根據(jù)測(cè)試結(jié)果完善設(shè)計(jì)方案?！苯虒W(xué)目標(biāo)分解如表2所示。

2.2? ? STEM課程教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)6E設(shè)計(jì)型教學(xué)模式，我們把本主題的教學(xué)活動(dòng)分成6個(gè)環(huán)節(jié)，以下重點(diǎn)對(duì)各個(gè)活動(dòng)環(huán)節(jié)中教師的指導(dǎo)活動(dòng)和學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)作出說明。

教學(xué)活動(dòng)1：參與（Engage）

【教師指導(dǎo)活動(dòng)】

（1）設(shè)置情境：播放電工檢修電器視頻，視頻介紹需要檢測(cè)的物理量，視頻展示電工的工具箱、電工檢測(cè)電路所要用的儀表;

（2）提出問題：電工為什么不同時(shí)攜帶電壓表、電流表、電阻表？

（3）引導(dǎo)學(xué)生思路聚焦：視頻中集測(cè)量電壓、電流、電阻功能于一體的多用電表是如何設(shè)計(jì)的？

【學(xué)生活動(dòng)】 （1）集體觀看視頻，并回答前面兩個(gè)問題;（2）根據(jù)已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，繪制電壓表和電流表原理圖;（3）任務(wù)聚焦：測(cè)電阻的歐姆表該如何設(shè)計(jì)？

【設(shè)計(jì)說明】 在“參與”環(huán)節(jié)，主要任務(wù)是創(chuàng)設(shè)情境導(dǎo)入課題，激發(fā)興趣和動(dòng)機(jī)。就本課例而言，教師通過設(shè)置電工檢修電路這一真實(shí)的生活情境，激發(fā)學(xué)生的求知欲，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。讓學(xué)生繪制電壓表和電流表原理圖是對(duì)已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的回顧復(fù)習(xí)。學(xué)生在問題的引導(dǎo)下注意力被聚焦到“設(shè)計(jì)能直接測(cè)量阻值的儀表”這個(gè)富有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)上來。

教學(xué)活動(dòng)2：探索（Explore）

【教師指導(dǎo)活動(dòng)】

（1）明確任務(wù)：設(shè)計(jì)測(cè)量電阻的電路，當(dāng)接入電阻時(shí)，電流表顯示待測(cè)電阻值;

（2）板書問題支架，引導(dǎo)探究路徑：①不同標(biāo)準(zhǔn)的電阻接入，電流表讀數(shù)是否相同？②電流表讀數(shù)是否從某種意義上反映了接入電阻的大?。竣勰芊裨陔娏鞅砜潭壬现苯訕?biāo)注接入的電阻值？④電流零刻度該標(biāo)多大阻值？電流滿偏刻度呢？中間刻度呢？⑤電阻刻度是均勻的嗎？為什么？⑥電流值和接入電阻之間是否存在對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系？

（3）組織討論，形成共識(shí)：根據(jù)閉合電路歐姆定律，可以尋找表頭電流I和待測(cè)電阻Rx間的函數(shù)關(guān)系，確定各電流刻度上對(duì)應(yīng)的Rx值。

【學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)】 （1）明確探究目標(biāo)，依托問題支架開展分組探究;（2）開展分組討論，分組設(shè)計(jì)歐姆表草圖;（3）組內(nèi)成員間相互詰問設(shè)計(jì)原理和細(xì)節(jié)。

【設(shè)計(jì)說明】 在“探索”環(huán)節(jié)，主要任務(wù)是在清晰目標(biāo)的基礎(chǔ)上充分討論、開展頭腦風(fēng)暴、形成設(shè)計(jì)方案。教師在這個(gè)階段的主要任務(wù)是幫助學(xué)生明確探究任務(wù)、提供探究支架，組織深入有序的探究活動(dòng)。歐姆表的原理是教學(xué)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。在學(xué)習(xí)的起點(diǎn)（閉合電路歐姆定律）到終點(diǎn)（設(shè)計(jì)歐姆表）之間學(xué)習(xí)跨度較大，難度也較大。本活動(dòng)分兩步走：組織學(xué)生討論出歐姆表的原理圖和標(biāo)注刻度盤。其中，在標(biāo)注刻度環(huán)節(jié)，教師通過設(shè)計(jì)問題支架，引導(dǎo)學(xué)生逐一探究，最終達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

教學(xué)活動(dòng)3：解釋（Explain）

【教師指導(dǎo)活動(dòng)】 （1）組織各小組上臺(tái)講解設(shè)計(jì)思路、展示歐姆表完整的原理圖，一人主講、全員參與;（2）重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對(duì)刻度標(biāo)注的解說，引導(dǎo)學(xué)生闡述最大值、零值、中值電阻的標(biāo)注辦法，鼓勵(lì)學(xué)生詰問;（3）要求學(xué)生闡述一般刻度的標(biāo)注辦法;（4）說出電阻刻度的特點(diǎn)，分析該特點(diǎn)背后的原因。

【學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)】 （1）向其他小組同學(xué)展示歐姆表設(shè)計(jì)圖，講解設(shè)計(jì)思路以及串聯(lián)可調(diào)電阻的原因;（2）闡述電阻刻度的標(biāo)注辦法;（3）說出電阻刻度的特點(diǎn)及原因;（4）傾聽和評(píng)價(jià)他人的解釋，必要的時(shí)候發(fā)起詰問。

【設(shè)計(jì)說明】 在“解釋”環(huán)節(jié)，主要是學(xué)生闡述探究思路，展示探究成果并接受其他學(xué)生的提問。學(xué)生的解釋表現(xiàn)反映了其運(yùn)用閉合電路歐姆定律設(shè)計(jì)歐姆表的理解水平。教師在這個(gè)環(huán)節(jié)可鼓勵(lì)其他學(xué)生通過詰問等方式推動(dòng)組間交流，把學(xué)習(xí)引向深入。

教學(xué)活動(dòng)4：工程（Engineer）

【教師指導(dǎo)活動(dòng)】 （1）提供實(shí)驗(yàn)工具和資源（泡沫面板、電池、表頭、可變電阻、導(dǎo)線、測(cè)量表筆、標(biāo)簽紙、筆、待測(cè)電阻若干）;（2）組織學(xué)生分組制作，教師參與指導(dǎo)工作;（3）利用制作的歐姆表測(cè)量已知阻值的電阻，檢測(cè)準(zhǔn)確程度;（4）引導(dǎo)學(xué)生得出歐姆表的正確使用步驟。

【學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)】 （1）利用提供的教具儀器，制作出歐姆表;（2）在表頭刻度上粘貼標(biāo)簽紙，在標(biāo)簽紙上標(biāo)注電阻刻度值;（3）用表筆測(cè)量已知阻值的電阻，檢驗(yàn)準(zhǔn)確度;（4）歸納得出使用歐姆表測(cè)量電阻的操作步驟。

【設(shè)計(jì)說明】 在“工程”環(huán)節(jié)，主要是利用科學(xué)知識(shí)和技術(shù)去建立問題解決方案的程序，包括明確任務(wù)、初步設(shè)計(jì)、畫圖標(biāo)識(shí)、計(jì)劃步驟、原型試驗(yàn)等。在本課例中，該環(huán)節(jié)主要體現(xiàn)為學(xué)生運(yùn)用工程設(shè)計(jì)的程序、經(jīng)歷工程設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)制作歐姆表，在實(shí)踐中進(jìn)一步檢驗(yàn)自己的理論探究成果。

教學(xué)活動(dòng)5：深化（Enrich）

【教師指導(dǎo)活動(dòng)】 （1）能否實(shí)現(xiàn)三表合一，設(shè)計(jì)集測(cè)電流、測(cè)電壓、測(cè)電阻于一身的多用電表？教師拋出問題后引導(dǎo)學(xué)生分別畫出電壓表、電流表的原理圖，組織學(xué)生討論：① 新表需要幾個(gè)電流表表頭？②測(cè)量表筆是否共用？ ③測(cè)電壓、測(cè)電流、測(cè)電阻應(yīng)如何選擇量程？（2）先組織分組設(shè)計(jì)多用電表，后呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)多用電表原理圖，引導(dǎo)各組分析對(duì)比。（3）組織學(xué)生制作多用電表（在泡沫板上布線，課后封裝）。

【學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)】 （1）聚焦問題分組討論，以目標(biāo)為導(dǎo)向、以問題為支架，在討論中不斷修改設(shè)計(jì)圖以達(dá)成目標(biāo);（2）在設(shè)計(jì)好完整的多用電表原理圖后，進(jìn)行組間交流，通過詰問等方式深化認(rèn)識(shí);（3）和教材提供的多用電表原理圖進(jìn)行對(duì)比分析，找出差異，比較設(shè)計(jì)中的思維偏差。

【設(shè)計(jì)說明】 在“深化”環(huán)節(jié)，主要內(nèi)容是對(duì)工程環(huán)節(jié)的進(jìn)一步深化，提升任務(wù)難度，進(jìn)行裝置的再次升級(jí)和制作。在該過程中，通過增加任務(wù)難度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)和技能的提升以及遷移，學(xué)生在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸和拓展。從單一功能的歐姆表拓展到多功能的多用電表，背后是知識(shí)的進(jìn)一步拓展，是學(xué)習(xí)的進(jìn)一步深化，也是對(duì)前面各環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)的整合提升。

（下轉(zhuǎn)第14頁(yè)）

（上接第11頁(yè)）教學(xué)活動(dòng)6：評(píng)價(jià)（Evaluate）

【教師指導(dǎo)活動(dòng)】 （1）分組展示作品，解釋作品;（2）呈現(xiàn)評(píng)價(jià)量規(guī)（列舉評(píng)價(jià)細(xì)目表），指導(dǎo)學(xué)生自評(píng);（3）組織學(xué)生根據(jù)參與度、積極性等表現(xiàn)對(duì)組內(nèi)同學(xué)進(jìn)行互評(píng)，促進(jìn)相互鼓勵(lì);（4）發(fā)放診斷性小測(cè)驗(yàn)，測(cè)量、評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果。

【學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)】 （1）向同學(xué)展示作品，聽取其他小組和老師的評(píng)價(jià)分析;（2）根據(jù)學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)，對(duì)同伴進(jìn)行互評(píng)、提出建議和鼓勵(lì);（3）完成診斷性知識(shí)技能測(cè)驗(yàn)，檢測(cè)目標(biāo)達(dá)成情況。

【設(shè)計(jì)說明】 在“評(píng)價(jià)”環(huán)節(jié)，主要是依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，師生一起對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行檢測(cè)，包括自評(píng)、互評(píng)、測(cè)驗(yàn)等，并給予反饋。以過程性評(píng)價(jià)為主、總結(jié)性評(píng)價(jià)為輔，評(píng)價(jià)的重點(diǎn)應(yīng)體現(xiàn)在問題的解決能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力等方面。本環(huán)節(jié)教師設(shè)置了案例型的書面診斷測(cè)驗(yàn)，作為結(jié)果性的評(píng)價(jià)之一，檢查學(xué)生知識(shí)技能目標(biāo)的達(dá)成情況。

基于情境、項(xiàng)目、問題、協(xié)作學(xué)習(xí)的STEM教育，模糊了學(xué)科的界限，把學(xué)生拉回到真實(shí)的情境中，通過“科學(xué)探究”和“工程設(shè)計(jì)”等實(shí)踐活動(dòng)開展學(xué)習(xí)，任務(wù)解決過程本身就是學(xué)習(xí)的過程。筆者認(rèn)為，STEM教育不但能較好地落實(shí)學(xué)生的知識(shí)能力目標(biāo)，也能很好地對(duì)其達(dá)成素養(yǎng)目標(biāo)的培養(yǎng)。

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（欄目編輯? ? 趙保鋼）

收稿日期：2018-11-29

作者簡(jiǎn)介：茅君平（1979-），男，中學(xué)高級(jí)教師，主要從事中學(xué)物理教學(xué)工作和研究，曾獲臺(tái)州市教學(xué)大比武一等獎(jiǎng)。