学讲背景下的STEM活动设计模式探究

兰颖

【摘要】全市中小学在课堂教学中实施“学进去，讲出来”的教学方式（简称“学讲方式”）已有四年，在这几年里，学讲方式已经深入融合到各个学科的教学中。但是在STEM教学中如何融合学讲方式，使学生学习更主动、有趣、活泼，使STEM教学活动更有目的性、针对性、实效性，使教师的教和学生的学变得更有成效、更具教育和生活的意义，是教师重点研究的课题。本文基于学讲方式的STEM课程教学模式展开探究，通过聚焦问题、提出任务、分解任务、建立模型、编程设计、优化设计、反思不足六个步骤，进一步将学讲方式融入STEM教育的教学实践中。

【关键词】STEM项目;活动设计;教学实践

【基金项目】本文系徐州市第十二期教研课题“创客教育背景下高中arduino校本课程的开发与实践研究”（课题编号：徐教研KT12088）的研究成果。

一、STEM活动问题的提出

STEM項目主要是基于真实情境，针对现实生活、学习中出现的问题，设计解决方案，从而解决问题，这种基于真实问题的情境创设，不仅能提高学生解决问题的兴趣，还能让学生将所学知识真正应用于实践，解决现实中遇到的问题，一举两得。比如，校本课程“物联创新设计”，基于住校生无法在下雨天及时返回宿舍收拾晾晒衣物的真实情境，思考能不能设计制作一款下雨天能够自动关窗收衣服、天气晴时能够自动开窗晾衣服的智能窗户和晾衣架，学生为此展开探究并设计方案，具体流程图如图1所示。

二、小组讨论探究，确定项目方案，确认合作分工

（1）制订项目方案：以小组为单位，集中讨论探究项目方案，每个小组确定方案后，通过展示交流，确定方案的可行性。

（2）分析、确定要素：通过小组讨论，分析项目各功能所需要的要素。

比如，能够根据天气情况（温度、湿度、污染情况等）自动开窗晾晒衣服，自动回收衣服并关窗。这个功能所需要的要素包括结构体和控制电路，而控制电路又包括硬件连接和软件编程设计。

（3）合作分工：确定组长及各组员的分工、任务等。

比如，小组长负责统筹协调项目设计及实施的过程进度，对项目过程进行记录和总结;组员1负责数学测量与计算（计算、测量窗户及支架的尺寸等）、3D设计与打印;组员2负责电路设计及mixly编程设计;组员3负责结构体设计与制作。

（4）准备活动：针对项目所需知识结构，提前做好知识储备学习工作，并完成一些与项目相关的实践类体验活动。

比如，在智能晾衣架项目中，学生可以完成以下体验活动。

第一，利用PM2.5传感器和液晶屏，读取不同天气状态下，户外、户内PM2.5的值。

第二，利用湿度传感器、光线传感器读取晴天、阴天、下雨天的湿度值和光照值，并显示在液晶屏上。

充足的准备活动，一方面可以提高学生可视化编程的能力;另一方面可以让学生通过实验观察和调查研究，为项目实施提供准确、可靠的数据保障。

整个过程都是在小组讨论、集体探究的氛围中完成的，每个小组设计出自己的方案和要素，并安排自己的准备活动，这充分体现了学生学习的自主性和积极性，也培养了学生的合作能力。

三、设计与制作：设计方案或作品草图，进行具体的制作

1.结构的设计与制作

（1）学生通过自主学习，对生活中的实物或已有作品进行调查研究，寻找结构设计的思路和着手点。

（2）小组讨论结构的构成，测量尺寸，设计缩放比例等。

（3）针对结构设计的难点展开讨论探究。

（4）选择合适的素材实施项目制作。

比如，在制作伸缩晾衣架案例中，晾衣架可以采用嵌套伸缩式（见图2）或折叠伸缩式（见图3），小组需要结合所选素材和实现功能确定晾衣架的结构并进行制作。

在结构的设计阶段，学生可先自主观察或自主学习，然后通过小组讨论共同形成制作方案，随后分工合作完成结构设计与制作。这不仅锻炼了学生观察思考和合作探究的能力，还让学生感受到工程学中，从制订方案到实施方案，不断测试优化的系统性，既调动了学生的学习积极性，又能让学生综合多学科知识来解决现实问题。

2.硬件电路设计及软件编程设计

（1）按照方案设计的功能，每个小组根据自己的需求选择合适的硬件、编制合适的程序。

（2）硬件电路设计：①绘制电路连接图，确认所需设备;②每个小组选取自己需要的硬件，并与主控板连接;③学生分析活动体验项目时得到的数据，确认相关判断条件，如伸缩晾衣架项目中下雨时的湿度值、空气污染时的PM2.5值、晴天时的光照值等。

设计意图：在准备活动时，学生记录了这些数据用于准确给出判断条件，意识到数字的精确性和科学的严谨性，不能有半点虚假和模糊。

（3）软件编程设计：选择合适的软件展开编程设计，如arduino IDE， mixly， xding等。

四、测试与优化

1.组合结构件及电路硬件

每个小组将下载好程序的控制器、传感器、执行器固定在结构体上，并探讨解决遇到的难点问题。

2.测试项目功能实现的效果，并优化程序代码

在整个设计与制作、测试与优化阶段，每个小组都在合作交流中设计制作自己的作品，遇到问题小组讨论解决或求助于其他小组，充分调动了学生的自主性，培养了学生的合作探究能力。同时这个阶段又以工程项目任务自然卷入了其他科学、技术和数学学科的学习。

五、展示与评价

（1）每个小组制订自己的评价标准，再将标准统一汇总成评价方案，如表1所示。

（2）每个小组展示汇报自己的作品，汇报方式可以多样化，但要包括以下几个方面：①项目设计方案;②结构设计制作介绍及问题解决方法;③功能展示及解说;④S（科学）、T（技术）、E（工程）、M（数学）的融合方面;⑤改进优化策略及反思;⑥小组分工合作情况。

（3）每组根据评价标准进行自评和他评。

（5）根据评价结果选出最佳作品组。

六、拓展与应用

学生要将作品应用于实践并根据实际情况拓展其功能和结构，以达到更加完善的效果。

该活动教学模式在教学实践中的应用，不仅完成了预设的活动目标，还充分体现了STEM教育理念;不仅呈现了如何使学生参与项目、探索完成任务、分享解释自己的解决方案、评估并进一步完善解决方案的微观过程，还呈现了学生自主学习、小组合作学习、质疑探究、测试优化、展示交流的学讲过程，使学生在充分发挥学习主动性的同时，养成自主学习的习惯，营造了小组合作的氛围。同时，在STEM的领域中，学生将科学、技术、工程、数学知识紧密融合，解决问题，培养了自己解决问题的能力，提高了思维能力。

【参考文献】

元永，宋国良.关于STEM教育理念的科学实践活动探究[J].科技经济导刊，2020，28（16）：158.

孙俊梅. STEM理念下小学信息技术课程项目式学习设计研究——以小学3D建模活动“现代机关大师”为例[J].中国信息技术教育，2020（11）：47-49.