作者：邓晓棠 东南大学脑与学习科学系，儿童发展教育研究所
研究生导师：柏毅 夏小俊
【摘要】：在中国，学科分化的弊端日益显现，而STEAM教育强调跨学科知识的应用和创新人才的培养。STEAM教育以专题学习为核心，帮助学生掌握知识和技能，强调运用科学探究的方法激发学生探索隐藏在问题背后的知识的兴趣，注重采用工程设计提出解决方案。本研究通过文献综述将现有的教学设计理论与一些新兴学习方式的教学设计元素相结合，设计了一门名为“手工燃木陶瓷杯制作”的STEAM课程。选取一堂课作为案例对本课程的细节进行说明，然后从教学效果中验证其可行性和有效性。本文结合前面对当前我国STEAM项目的介绍，为中小学特色STEAM课程建设提供参考。
【关键词】：STEAM教育、教学设计、手工烧木陶瓷杯
一、介绍
STEAM是科学，技术，工程，艺术和数学的缩写。目前，STEAM教育还没有明确的定义，研究人员大多结合自己的研究内容，从某个方面进行定义。本研究认为STEAM教育有助于学习者通过尝试各种方式（例如工程设计，科学探究，数学方法，技术制作或艺术描述）来解决现实世界的问题。在STEAM教育中，学生使用跨学科的知识和方法来提升他们的创新能力甚至全面发展。文献综述表明，国外文章主要集中在STEAM教育标准、工程教育、科学教育、STEAM课程实施、STEAM教育者等方面。其中，对STEAM课程的实践探索在发达国家最为关注，如美国、德国、日本等。然而，STEAM教育在中国尚未得到充分发展。最早的相关研究可以追溯到2008年，讨论了一些中国学者对美国STEM/STEAM教育现状和政策的看法和分析。
目前，STEAM教育已被纳入国家教育发展政策，加速了STEAM在中国本土化的探索。越来越多的高校研究人员开始与中小学教师在跨学科融合和创新人才培养领域开展合作。同时，中国教育部发布了《中小学综合实践活动课程指南》，对学生的全面发展提出了新的要求。也就是说，课程应该从学生现实生活中的问题或与他们的需求相关的问题开始。教师不应该直接告诉他们这些问题，而应该尝试帮助他们自己识别这些问题，并帮助将它们转化为一些项目主题（或活动主题）。最重要的是，教师应鼓励学生通过调查、体验、动手制作等方式找到解决方案。从上面可以看出，综合实践活动课程和STEAM教育在培养学生能力方面有着相同的思想：（1）通过假设和证明来解决实际问题来学习;（二）在探索过程中经历失败和成功的;（2）在协作情境中获得沟通能力和自我调节能力。因此，STEAM教育被认为是中国设计和实施综合实践活动课程的最合适方式。
在此背景下，中国出现了越来越多的特色STEAM案例。以下是一些例子：
（1）上海南苑小学，“国家气象科学示范学校”，从跨学科的角度开发一些区域气象资源，建立多维度的学习环境（如气象风铃园、植物苗圃、气象科普电子屏等），支持学生的体验式和探究式学习。经过多年的实践，STEAM课程逐步形成了三种类型：基础型（如基于语言学科的“气象与生活知识”）、扩展型（如“气象与农业”）和查询型（如“温度变化对校园植物的影响”）。
（2）深圳月亮湾小学开发了一门名为FEG（寻-工-天才）智能汽车的STEAM课程。学生首先通过科学探究学习车身的形状及其装配方法，然后通过组装和驾驶汽车体验工程设计过程，最后使用名为“SolidWorks”的3D建模软件进行创造性设计。在这种基于项目的学习中，可以预期他们的整体晋升。
（3）澳门沛道中学开设了以望远镜为主题的STEAM课程，让学生学习镜头的类型和成像功能。连同镜头焦距、直径、厚度和放大倍率的计算和测量，学生通过草图设计、工件制造和组装以及测试学习如何制作望远镜。
（4）香港乐山堂余金清中学以鱼菜共生体系，即水产养殖与水培种植相结合的相互共生生态系统为一至三年级学生的课题。学生可以通过“制作简单的滤水器模型”、“制作鱼菜共生移动车辆”等任务来体验工程设计过程。
在这些课程的指导下，本文以“手工烧木陶瓷杯的制作”为例，通过详细讨论其教学设计和实施，为具有地方特色的STEAM课程的建设提供参考。
课程设计
2.1 课程介绍
烧木陶瓷是一种以木材为燃料的陶瓷烧制工艺，是中国最古老的陶瓷烧制技术。烧一个窑是相当困难的，烧木陶瓷 工程的质量取决于粘土、火、柴火、窑炉的控制。也就是说，粘土的类型、木材的种类、烧制的时间和温度的控制都会影响最终产品。微小的变化会产生巨大的差异，这是学生探索的切入点。因此，烧木陶瓷工艺非常适合STEAM课程的主题。
本次STEAM课程的目标是：（1）通过体验式学习和探索，学生将了解环境，过程，影响烧制效果的因素，以及其历史和文化。（2）通过参观佛山南风古炉作为实地考察，学生将学习如何测试温度，了解高温下粘土的化学变化。（3）通过实验探索陶器烧制的影响因素，使学生掌握解决方案，获得测试能力。（4）学生设计并制定燃木方案，根据测试结果调整燃木的温度和位置，制作个性化的手摇陶瓷杯。（5）学生将学习如何展示他们的作品并与他们的合作伙伴交流想法。
在STEAM框架下其教学目标的细分见表1。
2.2 程序和活动
本课程的教学设计主要包括以下五个程序：场景输入与提问、科学探究与数学应用、工程设计与技术制作、知识拓展与创意设计、多元评价与学习反思。对于我们的STEAM课程，作者设计了14项教学活动来指定这五个程序，以及相关的学习资源，学生工作表和评估表。这些活动如表 2 所示。
这14项教学活动每一项都与上述五个程序相关联，如下所示：
场景输入和问题提出：项目介绍;
科学探究与数学应用：科学探究I\II\III，数学实践;
工程设计和技术制作：技术制作I\II，工程规划，主题实践I\II\III;
知识扩展和创意设计：技术制作II、知识拓展、社会联系;
多重评价和学习反思：讨论和分享。
在下文中，选择其中一项教学活动（专题实践I）作为教学设计的详细介绍，并对课程的教学效果进行分析，验证其可行性和有效性。
2.3 以专题实践I为例的教学设计
如上所述，“工程设计和技术制作”程序包括一项工程规划活动，两项技术制定活动和三项主题实践活动。在工程设计过程中，学生首先优化木柴方案和设计草案，然后选择材料或构件，最后通过解决之前科学探究和技术制作学习过程中发现的问题，制作和测试木柴陶瓷杯模型。此外，要求学生记录整个探究和练习过程，并相互分享意见。
再次，以下是STEAM框架下本案教学目标的分解：（1）S（缩写见表1）：学生根据规划步骤进行测温实验，测量龙窑内不同地方的温度并计算烧制所需的时间，并进一步测试陶器在龙窑各处的烧制效果。（2）T：学生学会选择工具、组件和方法。（3）E：学生有计划地完成工程步骤：温度测量、时间计算、烧制试验和样机测试。（4）A：学生通过组织他们的产品并分组讨论可能的形状来总结艺术效果，与他人分享。（5）M：学生记录龙窑内不同地方的温度变化，计算烧制所需时间。
以下是主题实践I的教学设计：
(1)重点是测试陶器上木材燃烧和电窑烧制的温度，时间和效果差异。
(2)这种做法的主要知识是陶器在龙窑中不同地方的不同烧制效果。
(3)教学活动（90分钟）包括：
指导：在上一课中，学生已经了解了测温锥及其使用方法。在本课中，他们应该在实践中使用它。
课前准备：学生复习“不同测温锥的型号及其软化点”表和“测温锥的使用方法”说明。
测试测温锥：学生使用测温锥分别找出柴窑和电窑的最高温度（见图）。1 用于说明），以及龙窑中每个地方的温度;然后计算射击所需的时间。测试结果应记下来。
用测试杯进行测试：根据上述结果，学生用测试杯测试陶器在龙窑每个地方的烧制效果（见图2），并在工作表上标记温度和效果（完整性，起泡，开裂，增白，光泽等）。
讨论与分享：学生分组讨论和交流柴火陶瓷的艺术特点，并做总结。
(4)工具和设备：测温锥、测试杯、笔和纸。
(5)阅读材料：《不同测温锥的型号及其软化点》表和《测温锥的使用方法》说明。
(6)学生工作表：设计给学生标出两种窑炉测温锥的形状，比较它们的温度和时差，并总结出艺术特征。
(7)PMIQ（加号、减号、兴趣、问题）表：学生使用 PMIQ 表来标记他们学到的内容、错过的内容、他们仍然感兴趣的内容以及剩余的问题。
三、方法和结果
参与者和学校背景
参与者是 40 名 7 年级的学生，来自 14千佛山市中学（分为8组）。完整有效调查的回复率为100%。学校位于陶瓷艺术之都，文化氛围浓厚。烧柴的作品随处可见，所以对这些学生来说并不陌生。学校还拥有省级陶瓷示范基地，拥有陶器设备和布景，为实验奠定了良好的基础。
问卷
测试前和测试后问卷，教师评估表，学生自我评估表和学生工作表作为实验的工具。具体而言，（1）问卷改编自[8]和[9]。预试题由24道多项选择题组成，调查学生的学习态度、教师的教学方法、学生的学习效果、学生的能力和STEAM素养，而后试题则增加了两道开放题，以检查学生对STEAM与相关科目之间关系的看法。测试前问卷如表3所示。（2）根据STEAM课程的特点和要求设计教师评价表，并考虑学生学习的需要。教师评估表涵盖了上述14项活动，以综合评估学生的表现和作业完成情况。费率分为三个级别：A、B 和 C。所以满分是14A，其中13A或14A被认为是优秀。（3）学生自我评估表与教师评估表相似，但由学生填写，以PMIQ表进行自我评估。（4）学生工作表是一种教具，学生填空测试知识习得、做讨论笔记、记下实验数据、绘制图表等。也就是说，学生们记录了他们在工作表上的所有经历，以及他们的反思。以便教师或课程负责人进行评估以检查他们的学习效果。本课程共有13张工作表，每张10分。
数据收集和分析程序
本研究采用行动研究方法进行了两轮实验研究。在第一轮中，我们在课堂上观察并记录（学生在课堂上的表现）。最后，进行了预测试，并进行了教师评估表，学生自我评估表和学生工作表的评估。之后，我们在分析第一轮教学效果的基础上提出了策略，以便在第二轮中做出改进。同样，在第二轮中，我们观察并记录了记录，然后是后期测试和评估这两个表格和工作表。请注意，所有响应都输入到Microsoft Excel 中进行统计分析。
3.1问卷结果分析
表4对比问卷结果，看两轮教学效果差异。
3.2 教师评价表分析
每一轮结束后，教师使用教师评估表对学生进行评分。第一轮的优秀率为55%，而第二轮的优秀率达到了75%。其中，取得满分的学生人数明显增加。可以看出，第二轮比第一轮有了一定程度的改进。也就是说，老师们对学生在每道工序中的课堂表现、任务完成情况和作业质量给予了较高的评价，说明这种教学设计有助于提高学生的学习成绩，培养各种能力。
3.3 学生自我评估表分析
结果显示，第一轮的优秀率为42.5%，而第二轮的优秀率为65%。可以看出，学生在课堂表现、任务完成和工作表质量方面的得分在每道工序中都有一定程度的提高，表明他们的自我要求更加严格，接受了自己的学习成果和表现。
3.4 学生工作表结果分析
根据对第一轮收集的学生工作表的分析，学生总体表现良好。学生在“基础知识”、“术语分析”、“数据记录”、“现场调查”、“设计与制作”部分得分较高，但在“测量”、“模拟的设计与实施”和“参观陶艺工作室”部分得分相对较低。例如，在测量龙窑的结构和大小时，由于任务分配不明确，学生组织得不好。在参观陶艺工作室时，由于缺乏对面试技巧的掌握，他们感到有点尴尬。
在第二轮教学中，我们进行了有针对性的改进，以避免上述问题再次发生。因此，与第一轮的分数相比，统计分析表明，第二轮的分数更高。除了掌握基础知识外，同学们在协作学习能力、动手能力、解决问题的能力、创造力等多方面都有所提高。总之，经过两轮教学实践，同学们参加这门课程受益匪浅。
结论
综上所述，通过问卷、教师评价表、学生自我评价表和学生工作表的分析，我们的STEAM课程“手工燃木陶瓷杯制作”教学实践积极促进了学生的学习态度，增强了他们对教师教学方法的接受度，提高了学习效果。此外，学生的协作学习能力、动手能力、口头表达能力、解决问题的能力和创造力均得到显著提升。对STEAM素养和能力的培养和提高也有很好的效果。由于对STEAM课程教学设计的研究较少，本文提出了小学STEAM课程的教学设计与实践，旨在为具有地方特色的STEAM课程建设提供参考。
查阅原文：12th International Conference on Blended Learning (ICBL) Lecture Notes in Computer Science
DOI：10.1007/978-3-030-21562-0_23
转自：“百研工坊”微信公众号
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