STEAM课程实例：中国传统建筑中的科学

原创：贺凯强等中小学数字化教学 2019-11-23

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随着科学技术的飞速发展，人类文明已经进入第四次工业革命时期，以互联网为核心的物理、数学、生物、化学等多学科领域界限日益模糊，对人才的要求也随之发生了改变。培养具有科技和人文素养的创新应用型人才，是我国对第四次工业革命社会发展背景下的人才需求做出的回应。美国于1986 年发表《本科的科学、数学、工程教育》报告，提出“科学、数学、工程和技术教育集成”，拉开了STEM教育的序幕。之后一些学者逐步加入“A（艺术、人文）”元素，发展成为 STEAM 教育。我国多个地区也早已展开了探索，为推动社会发展培养优秀人才。

STEAM 课程通过创设真实情境，引导学生运用多学科知识解决真实问题，将学生学习到的知识和技能转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程，进而在特定的学习情境下培养学生的创造力、协作交流、批判性思考、解决真实问题的能力、社会责任等。因此，教师若想开发 STEAM 课程，需要具备多学科视野、整合多学科内容和教学方式，这与以往的单一学科课程开发存在差异。

经过调研，教师对如何生成适合的 STEAM 主题、各学科如何进行整合、如何处理学科本身与学科之间的关系方面存在困惑。为此，本研究提出了 STEAM 课程开发的一般方法，并以“中国传统建筑中的科学”为例进行详细阐述。

一、收集资料，聚焦主题，生成多学科课程主题

主题的生成处于整个 STEAM 课程开发过程中的起始环节，也是后续开发过程的核心。确立一个好的主题，不仅需要考虑学生的学习水平和特点及其生活实际、联系社会热点，还需要涵盖多学科内容。这个过程是一个不断提出新想法，又会根据各种限制条件改进想法，从而聚焦可行想法形成主题的过程，是一个思维发散和收敛反复交替的过程，具体分为以下三个步骤。

（一）创建多学科教师团队，广泛搜集主题

多学科教师的参与能够为主题选择提供丰富的主题素材。“中国传统建筑中的科学”这一主题课程开发小组（以下简称课程开发小组）成员，包括中学历史教研员、初中历史教师、科学教师和数学教师、小学语文教研员，其中中学历史教研员和小学语文教研员作为指导教师。

一开始，教师们根据以往的经验进行思维碰撞，提出了多个主题——包括动力机器人、会呼吸的肺、编程与数学、工程与桥、传统文化与科学、灯与剪纸、走马灯等。

（二）筛选资料，梳理主题内容

课程开发小组成员在各自的学科领域内，广泛搜索主题的相关关键词，形成初步的资料，并按照主题包含的内容、学科知识、适宜学段、多媒体环境四个方面进行梳理分析，以供进一步开发和筛选（见表 1）。

（三）考量多种因素，聚焦生成主题

根据已经掌握的资料，课程开发小组成员综合考量教学立意、主题内容、学科知识、适宜学段、多媒体环境、课时要求、教师水平等多种因素，对每一个主题进行讨论和筛选，确定最终的主题。

经讨论，发现工程与桥、中国传统建筑中的最速降线符合基本条件，但后者有利于发掘中华优秀传统文化的民族智慧、培养学生的文化自信，文理结合、视角新颖，且最速降线与学生生活实际密切相关，易激发学生的兴趣，符合学生认知水平和特点。教师们综合考虑以上因素，选择这一主题作为STEAM 课程主题。

综上，中国传统建筑中的科学主题确立，经历了头脑风暴、资料搜集、主题筛选三个阶段。但是，在实际开发过程中，可能需要这三个阶段的多次迭代，才能最终确定主题，如图 1 所示。

二、以教学关键性问题为线索实现多学科内容的有机融合

STEAM 课程不是学科的简单堆砌，而是多学科的有机融合。教师需要考虑不同学科内容的比重、安排学科的顺序和学科之间的衔接，其本质是对课程内容和教学方式的重新设计。这不仅是在课堂上落实 STEAM 教学的关键，也是多数教师开发STEAM 课程中的困惑。为有效解决这一困惑，课程开发小组在确定 STEAM 主题之后，围绕主题设计梳理出了几个教学关键性问题，并尝试以这几个问题来安排课程内容与教学方式，从而达到教学目标、突破教学重难点。

（一）教学关键性问题的设计

STEAM 教学的关键问题设计首先根据学科核心概念、教学目标等得出想要学生理解的内容，然后将内容转化成相应的关键问题，根据学生特点和思维变化将关键问题进行排序，确定要解决的问题的顺序。在问题驱动下，学生积极思考、解决问题，相应的课程内容和教学方式在问题驱动下有机融合。不同学科内容的比重和学科之间的衔接难题迎刃而解。

在确定关键问题的过程中，课程开发小组人员首先从“最速降线”这一核心概念入手，通过搜集整理资料，梳理了“最速降线”的定义、原理、证明过程、目前的实验模型、在中国传统建筑以及现代生活中的应用等。根据对学生情况的调研和了解，确定了以下教学目标：（1）了解最速降线的概念；（2）运用控制变量法，探究小球降落的最速降线来解决问题，激发科学探究的兴趣，培养严谨的科学精神；（3）感悟中华文明的历史价值和现实意义，认同中华民族优秀文化传统，增强爱国主义情感，提升文化自信。

为了能够让学生理解最速降线的概念，达到以上教学目标，课程开发小组人员确定了四个大模块，即以历史创设情境、以科学探究核心概念、以数学描述解释概念、再以历史总结升华。据此，进一步确定各个模块的关键性问题（见表 2）。

（二）教学关键性问题在教学过程中的应用

学生在教师引导下，观察北京市、丰台区的传统建筑，发现其共同特点——建筑屋顶的屋面曲线设计，由此引出关键性问题“中国传统建筑中屋面线的设计，有什么科学道理”。

学生产生兴趣，发散思维，将这一设计与雨滴从屋顶下落现象联系在一起，并聚焦问题：不同的屋面线，雨滴下落的速度一样吗？雨滴从屋面直线下落快还是从屋面曲线下落快？学生在问题驱动下，大胆猜想，为了验证猜想，以小组为单位进行实验探究，展示交流，最终得到结论。

再通过二次探究，发现不同弯曲程度的曲线之间，小球下落快慢的差异，引发猜想：“是否存在最优曲线使得雨滴从屋顶下落得最快？”从而引出“最速降线”概念的讲解和在生活中的实际应用（如图 2）。最后回归人文领域，通过体验、探究感悟中国传统建筑中的艺术之美、工程之学，提升文化自信。

“中国传统建筑中的科学”案例里的教学关键性问题，主要有两大功能：一是引导了学科内的教学内容；二是进行了学科之间的过渡。在教学目标的指引下，关键性问题自然分配了学科之间的比重、协调了学科之间的关系，形成了具有逻辑性的课堂教学。

三、立足学科基本技能、知识与方法整合多学科内容

美国科学教育专家 Bybee 指出，实现 STEM课程不同学科之间的整合要以学科核心概念和学科实践为基础。许多 STEM 教育活动往往更多关注于以学生为主体的动手与实操，而忽略了对跨学科概念及学科概念的传递。Nathan 等研究者提出整合 STEM 的方法，即围绕学科重要概念，在科学和数学表征、技术和工程学目标、设计和构建活动等方面展开整合。以学科概念为基础引导学生关注活动表象下深层的概念结构和关联，以支撑相关概念的意义构建、建立新旧概念之间的联系等。

STEAM 教育虽然比 STEM 教育多了 A 元素，但研究者多认为其是在 STEM 教育的基础上，将更多元化的内容融合在一个主题活动中。在教学方式上，两者具有高度一致性。因此上述对 STEM教育的要求同样适用于STEAM教育。在选定主题、确定关键性问题后，课程内容和教学方式的选择应建立在学科的基本知识、技能、方法的基础上，让学生在学习、应用多学科知识、技能、方法的过程中，形成对学科概念的深层理解，建立概念之间的联系。

课程研发小组通过研讨确定了课程实施的大致流程：用历史创设情境、用科学探究发现最速降线、用数学解释最速降线的概念和应用，最后回归历史总结提升中国传统建筑中的艺术之美、工程之学。每一部分均体现各自学科的基本知识、技能与基本方法。

在真实情境、关键性问题的驱动下，学生需要学习、运用多学科知识解决问题，各学科基本知识、技能和方法成为解决问题的必备条件和必要过程，从而帮助学生理解学科基本知识、技能和方法，在跨学科整合学习中有实际收获。

从理念落地到课堂教学是推动 STEAM 教育发挥育人功能的关键步骤，这也对教师提出了更大的挑战。从单一学科教学到跨学科整合课程开发，教师需要深入理解学科本身和学科之间的关系，明晰学科融合的原则、探索丰富学科融合的方法。无论何种形式的课程整合，其本质是学生思维与能力的激发和引导，其最终的落脚点是培养学生发展核心素养。

（作者贺凯强、王志强系北京教育学院丰台分院教师；王玲系北京市海淀区教师进修学校附属实验学校教师）