基于首要教学原理的STEAM学习模式构建与案例分析
昝陈慧 郭理
摘要：steam教育重在培养创新型和复合型人才，积极探索STEAM教育与我国中小学学科教学的融合方式，可以培养学生利用学科知识解决问题的能力，从而进一步促进STEAM教育在我国的开展。文章通过梳理STEAM教育发展历程及相关研究，分析了STEAM教育和首要教学原理之间的关系，构建了一个以“实现学科课程情景交融”“重思维逻辑的循环实践”“缩小教学环境限制”为核心的基于首要教学原理的STEAM学习模式，根据模式特点构建教学案例并进行分析，为STEAM教育落实于中小学学科教学，发挥其教学效能提供了有效借鉴。
关键词：STEAM教育;首要教学原理;学习模式;教学案例
中图分类号： G424? ? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2020）02-0017-06
当今世界，知识经济发展方式加快转变，创新型人才的培养模式受到世界各国教育领域的热切关注。20世纪80年代，美国为应对国际劳动力市场的激烈竞争，其国家科学委员会最先提出了STEM理念，并得到了广泛认可[1]。近年来，国际STEAM教育发展呈现出明显的国家干预特征，研究价值引导转向了课程实践[2]，这为我国STEAM教育提供了经验指导，同时《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》指出：“学生适应社会和就业创业能力不强，创新型、实用型、复合型人才紧缺”[3]。所以，开展STEAM的学习研究是进一步推进STEAM教育与我国中小学学科课程融合、培养创新实践人才的关键内容。
STEAM教育认为知识蕴含在真实的问题情境中，真实问题贯穿整个学习过程，学生通过高投入的实践探索，达到对知识的意义建构和深层次理解[4]。首要教学原理作为一种全新的教学理念，以聚焦问题为核心，以促进学科知识的有效融合为主要内容，这与STEM教学理念彼此关联。据此，本文从STEAM教育和聚焦问题解决的视角出发，探索基于首要教学原理的STEAM学习模式，为提升STEAM教育的实践应用提供新的方法和思路。
一、STEAM教育的发展历程与相关研究现状
随着时代的发展和教育改革的需要，经过众多学者的努力研究， STEAM教育成为了一个不断发展和完善的研究领域，它为现代教育的发展提供了创新性的思路与方法。本文通过梳理STEAM教育的发展历程和相关研究，一方面为本研究提供经验指导和价值借鉴，另一方面通过总结相关研究寻找创新点，通过分析寻找突破方案。
1.STEAM教育的发展历程简述
STEM教育起源于1986年美国国家科学委员会的报告《本科生的科学、数学和工程教育》，此后，教育研究者们从学科内容、课程设置、教学手段等不同层面对STEM的概念进行解读。其中，萨步罗等人从教学层面上将STEM定义为“一种跨学科的教学方法，将严谨的学术概念与学校、社区、工作等现实世界背景相结合”，2015年普渡大学约翰逊教授认为“STEM 教育中涵盖了科学探究、技术和工程设计、数学分析以及21世纪的跨学科主题和技能，并努力实现基于标准的科学和数学学科教学”，该概念的提出更加重视STEM各学科的独立价值以及不同学科的相互作用[2]。同年12月，美国教育部正式颁布STEM教育法案。在STEM的发展过程中，研究者们发现了“艺术”在STEM教育中的学习价值，美国学者G.Yakman正式提出STEAM教育的概念，此后STEAM教育逐渐被各国教育部门和学者提倡[5]。
2001年我国教育部启动“做中学”项目，旨在提高全民的创新能力和科学素养[6]。2016年6月，教育部印发的《教育信息化“十三五”规划》指出：“积极探索信息技术在‘众创空间、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用”[7]。2017年党的十九大报告提出，培养我国的创新人才任务既重要又紧迫，而要实现我国百年大计目标，教育必是其根本[8]，因此从STEAM教育与我国教学需求视角来看，STEAM教育与学科课程融合的学习方式研究势在必行。
2.近年来国内外的主要研究成果
STEAM教育不僅是将科学、技术、工程和数学知识融入教与学的过程，更强调在解决问题的过程中促进多门学科融合，让学生利用所学知识解决实际问题。随着STEAM教育的持续发展，国内外学者分别从不同角度进行研究，取得突破性的成果。本文根据杜文彬、詹青龙和秦瑾若三位学者有关STEAM近十年的研究成果，结合知网数据分析进行了归纳整理（如表1所示）。
分析结果如下：①从基于STEM的社会调查研究来看，支持STEM教育的学习环境对学生成长有显著影响，但STEM教育的实践效果与学生对数学、科学、工程等学科的兴趣息息相关;②从基于STEM的实践策略来看，设计型、项目型、嵌入式、问题式教学方式为STEAM教育实施提供方法指导，但如何把STEAM教育通过以上教学模式与学科课程深度融合，仍需要积极探索;③从基于STEM的模型和教学设计的相关研究来看，研究者们主要从培养学生的问题解决能力、创新探索能力、终生学习能力等方面进行模型构建、分析和教学案例的设计，但如何从学科课程上落实以上能力培养的方法研究相对较少。基于以上分析，本文提出基于首要教学原理的STEAM学习研究，从“聚焦问题”与“课程融合”两方面实现STEAM教学的价值。
二、首要教学原理与STEAM教育
STEAM教学模式为培养学生利用学科知识解决问题的能力提供了方法，首要教学原理为STEAM教学模式与课程教学的深入融合提供理论基础与思路，因此笔者将通过梳理首要教学原理和STEAM二者之间的联系，为本文模式的构建提供理论基础。
1.首要教学原理
首要教学原理，又称五星教学设计或五星教学模式，由著名教学技术与设计理论家梅里尔提出[17]。该原理以培养“聚焦问题解决”能力为核心，提倡教学应该由“激活原有知识”“展示论证新知”“尝试应用练习”和“融会贯通掌握”的四阶段循环圈构成，其结构如图1所示[18]。首要教学原理认为：只有当学生进行真实问题的解决时，才能促进学习;当激活原有知识并作为新知识学习的基础时，才能够促进学习;当把新知识展示给学生时，才能促进学习;当学生应用知识时，才能够促进学习;当新知识与学生生活融为一体时，才能促进学习[19]。
从首要教学原理的研究主题来看，该原理更注重学生的学习过程和满足学习需要。因此，五星教学原理的实质在于聚焦真实问题的解决，让学生进行循序渐进的阶段式学习，从而培养他们问题解决和探索发现的能力[18]。
2.首要教学原理与STEAM教育的融合
首要教学原理如何与我国的STEAM教育有效融合呢？秦瑾若曾提出，为保证STEM教育的实施为贯彻问题解决能力的培养理念，需要为学生创建基于真实问题情境的教学模式，该教学目标的达成应遵循梅里尔教授提出的首要教学原理，体现于教学活动的设计之中[4]。STEM教育倡导的核心理念，强调跨学科、跨领域的学科知识之间的相互融合，重视学生在问题解决过程中的真实性、情境性。因此，STEM 教育是帮助学习者学习跨学科知识、认识客观世界的系统性教育手段，也是培养学生问题解决能力、协作能力和实践创新能力的直接途径[20]。
首要教学原理与STEAM教育的关系如图2所示：①激活原有知识与联系学科知识，即教师在提出问题引导学生讨论和解决的过程中，首先唤醒学生头脑中已经学过的学科知识并建立联系。②展示论证新知与学科知识再现，即在唤醒学科知识的基础上，论证问题与学科知识之间的有效性，使唤醒的学科知识清晰再现于实际问题解决方案之中。③尝试应用练习与学科知识融合，即在前两步的准备中，将本课新知与学科旧知融合形成解决方案，通过实践证明方案的有效性。④融会掌握与灵活运用知识，即在整个问题解决过程中，引导学生总结问题解决的步骤与思维逻辑产生的过程，通过巩固练习，使学生从学习知识到运用知识，达到融会贯通的课程目标，最后解决问题。根据以上分析，本文认为基于首要教学原理的STEAM学习模式应致力于让学生在解决问题的过程中进行知识的迁移和构建，以使学科知识之间达到融会贯通的效果。
三、基于首要教学原理的STEAM学习模式
1.基于首要教学原理的STEAM学习模式构建
本文以教学设计的流程为指导，以培养学生解决问题的能力、促进学科课程的融合、提升学生在学习过程中的参与度为课程目标，结合首要教学原理的思想，根据面向STEM教育的设计型学习模式结构[15]，构建了基于首要教学原理的STEAM学习模式，如图3所示。
在教学目标上，围绕习总书记提出的“立德树人”方针[8]，着重培养学生的问题解决能力和知识实践能力。在教师活动设计中，教师将利用图片、视频、音乐等为学生创设学习环境，将学生引入真实情景的教学环节中。具体步骤为：①教师提出与学生生活相关的学习问题，描述该问题需要解决的具体内容，使学生明确本课的学习目标。②组织学生讨论该问题将运用的旧知与新知，探究这些知识如何运用于问题解决之中。③组织学生分工协作，让学生经历过从理论分析到动手实践的活动过程，初步解决本课提出的问题，以作品的形式进行展示。④教师需引导学生互相欣赏作品，引导学生提出同学作品的优点和改进意见，通过明确的任务要求，鼓励学生分享自己的想法，学会互相交流、取长补短。⑤引导各组学生再次修改完善作品。⑥教师和学生共同总结本课的学习内容和学习心得。
在学生活动中，学生是课堂活动的主体。具体内容为：①明确问题。学生需明确待解决的问题，将问题与身边经历过的现象进行类比，建立关联。②协作分析。学生通过小组合作分析问题中需要完成的具体内容，根据小组学生的兴趣和特长进行分工。③实践探究。学生通过激活旧知识、展示新知识、应用新知、融合新知的学习方式，共同回忆解决问题可利用的旧知识和新知识，而后商讨解决方案并进行实践，初步解决问题并以作品的形式进行展示。④分享交流。学生主要在问题解决的过程和作品结果等方面分享学习。⑤评价分析。在教师的引导下，学生将对各小组作品的创新点和改进点两方面进行互评互析。⑥发现新问题。在评价分析环节，学生将发现新的问题，而后重新进入“明确问题—协作分析—实践探究—分享交流—评价分析”环节，在反复实践中完善作品。⑦问题解决。问题解决之后，学生将在教师的引导下总结本课学习内容和学习心得并进行记录和总结。
在教学环境的要求上，教师需提供情境再现的必要设施，如多媒体教室、学科实验室、虚拟仿真软件等，需准备探讨问题时参考学习的资料和工具，同时在交流评价环节可根据教学条件准备线上或线下的交互操作和交互平台。
2.基于首要教学原理的STEAM学习模式的主要特点
（1）实现学科课程之间的情景交融
STEAM教育一直倡導培养学生的真实问题解决能力，因此基于首要教学原理的STEAM学习模式的问题设计主要是从实际生活出发，从常见的生活现象处设计，从学生的学科知识基础上进行延伸，以实现学科课程之间的情景交融。在学习过程中，学生始终围绕教师给出的生活问题进行讨论、研究、实践，在首要教学原理的指导下，开展学生活动环节。
（2）重视学生逻辑思维的循环锻炼
在学生活动环节，学生将根据教师提出的问题与小组同学进行分析;在实践环节学生将在教师的引导下回顾之前学过的知识，并根据问题分析选择可能会帮助解决问题的旧知与新知识进行融合，最终为解决问题提供方法。在问题解决过程中，该模式为学生提供了一个内在的思维逻辑分析方法，在作品互评环节锻炼学生的逻辑分析能力。同时教师将引导他们发现新的问题，使学生再次进行协作分析、实践探究、作品交流等环节，在这种循环的交流和练习过程中锻炼他们的思维逻辑。
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