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STEAM背景下高中生核心素养模型的构建以高中通用技术《纸桥的设计》教学设计为例

摘要：分析高中生发展核心素养的必要性,以“发展学生核心素养”框架为指引,围绕STEAM教育理念,构建了基于STEAM教育的高中生发展核心素养模型,重点设计了基于STEAM教育的发展核心素养的教学设计模式,既能实现知识的跨学科交叉融汇,又促进了学生核心素养的发展.以高中生通用技术课程《纸桥的设计》为案例开展教学实践,对该课程教与学形式的变革具有启发意义.

关键词：STEAM教育；核心素养；教学设计

中图分类号：G434文献标识码：A文章编号：1672-7800（2018）120007-05

0引言

学生发展核心素养是指学生接受相应学段教育,逐步形成能够适应个人终身发展和未来社会生活的关键品格和关键能力［1］.2016年,教育部发布《中国学生发展核心素养》,对推进素质教育改革具有重大指导意义［2］.核心素养的跨学科性与跨领域性决定了其并不指向某一学科知识的普通素养,而是一种跨学科素养.

STEAM教育旨在打破学科疆域,以跨学科知识相互依托为理念,以解决实际问题为主的项目式学习培养学生科学探究能力与问题解决能力［3］.STEAM教育理念为学生发展核心素养提供了新契机,但关于如何发展学生核心素养的研究较少.基于此,本文结合STEAM教育理念与学生发展核心素养模型,以高中通用技术课程《纸桥的设计》一课为例,进行了基于STEAM教育的教学设计,以期为创新时展学生核心素养培养提供新思路.

1发展高中生核心素养的必要性

1.1核心素养内涵

《教育部关于全面深化课程改革落实立德树人任务的意见》（以下简称为《意见》）明确界定了核心素养,即学生应具备的适应终身发展和社会发展需要必备的品格和关键能力［4］.“核心素养”（KeyCompetencies）既包括学科知识、技能习得,也包括学生的内心情感与价值观的发展.关注个体内在发展的核心素养已成为教育界炙手可热的新议题,体现了课程改革从学科本位到以人为本的转变与深入探索“教育到底要培养什么样的人”的价值诉求［5］.2016年发布的《中国学生发展核心素养》,对课标修订、课程建设、学生评价等事项都有可操作性指导意义.“中国学生发展核心素养”整体框架以全面发展的人为核心,分为“文化基础”、“自主发展”、“社会参与”三方面,综合表现为“人文底蕴”、“科学精神”、“学会学习”、“健康生活”、“责任担当”、“实践创新”六大素养,如图1所示［6］.各素养间相辅相成,在不同情境中整体发挥作用.高中生发展核心素养有助于帮助个体具备升学、就业以及自我价值实现所需的各方面综合能力,具备终身学习能力以及乐观健康的生活态度,最终获得身心自主发展以及自我实现的满足感与成就感；还以帮助强化劳动意识,培养求真务实与勇于实践的精神,增强个体社会参与性,主动承担社会责任,推动社会发展.

1.2发展高中生核心素养的意义

1.2.1落实相关政策

《意见》提出将“学生发展核心素养体系”的研制与建构作为推进课程改革深化发展关键环节,要求组织研究提出各学段学生发展核心素养体系,明确发展学生核心素养是育人的重要目标.《中国学生发展核心素养》总体框架,强调课程建设要以核心素养为统领,形成以全面发展学生为核心的课程育人体系.本文选取的高中通用技术课程属于综合实践活动类课程,《中小学综合实践活动课程指导纲要》要求综合实践活动课程目标以培养学生综合素质、着力发展核心素养为导向,那么基于核心素养设计和实施课程就成为素质教育与课程改革的新阶段.

1.2.2顺应新时代人才培养需求

教育目标要适应全球化与信息化时代需求,新时代要求重点培养复合型和创新型人才.新型人才应同时具备学会学习的能力与健康生活态度的主体性、责任担当意识与实践创新精神的社会性、人文底蕴与科学精神于一体的文化性［7］.高中阶段教育是初等教育的最后学段,影响未来人才的培养,因此发展高中生核心素养尤为重要.

1.2.3突破素质教育瓶颈

素质教育发展至今,存在着诸多问题,如普通高中课程存在偏重接受知识忽视创新知识、偏重理论知识忽视实践知识、偏重显性知识忽视隐形知识等问题,造成学生总体发展水平不够高,可持续发展能力不够强；学生迫于升学压力,身心发展受到损害,学习能力、创新能力、生存能力、心理素质等不能完全适应社会发展需求等.发展学生核心素养体系应以素质教育成果为基础,通过丰富和完善素质教育命题,将教育改革推向高质量发展阶段［8］.

2STEAM教育与发展核心素养

2.1STEAM教育理念

STEAM教育起源于STEM教育,是指与科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、人文艺术（Arts）、数学（Mathematics）学科相关的教育［9］.STEAM教育打破学科疆域,将相关学科交叉融合,相互协调配合,最终形成一个多学科融合的完整知识体系,并以问题解决的形式,将其运用到与实际相关的情境中,旨在培养学生问题解决能力、创新应用能力,促进高阶思维能力发展,这为高中生发展核心素养提供了前提与保障［10］.

2.2STEAM教育背景下发展学生核心素养的可行性

《教育信息化“十三五”规划》要求“探索综合实践类课程在STEAM教育等新型教育模式中的应用”.我国关于STEAM教育的研究还处于理论解读层次,没有形成完备规模和体系,支持STEAM教育实施的社会力量不足.尽管STEAM教育推行存在问题,但可顺应教育改革思路,将STEAM教育融入学校课程.国内STEAM教育课程来源主要有两种,一种是以昂贵从国外购买,课程内容往往不符合国内学生发展实际,效果并不显著；另一种是本校教师结合自身经验开发和设计的课程,这种情况较为常见［11］.STEAM教育重点关注科学素养、技术素养、工程素养、艺术素养和数学素养,与中国学生发展核心素养的指标不谋而合.教师在设计课程时着重把STEAM教育自身的跨学科性与学生发展核心素养结合起来,同时也有效牵引综合实践类课程的深化改革.由北京师范大学牵头的“我国基础教育阶段和高等教育阶段学生核心素养模型研究”课题,对不同地区各行业内具有较高影响力和突出成就的优秀人士就“中国学生应该具备什么核心素养”进行调查,结果显示,相对于“知识基础”领域中的学科素养,被访谈者更强调各类跨学科素养的养成,并将其作为决定个体核心竞争力的主要方面.被提及频率排名前十位的素养指标中有九项为“跨学科素养”,可见“跨学科素养”对学生自身的全面发展发挥了重大意义［12］.STEAM教育的核心是跨学科整合,强调在学科整合过程中发展学生核心素养.

3基于STEAM教育高中生发展核心素养模型构建

本文结合《中国学生发展核心素养》的理论框架和美国GeorgetteYakman［13］教授的STEAM教育教学过程卡片,从STEAM课程、STEAM学习形式及STEAM核心三个特点出发,构建基于STEAM教育高中生发展核心素养策略模型,如图2所示.

STEAM教育能让高中生在自主创作的学习环境中提升六大核心素养,这六大素养是贯穿学习过程的整体,不能割裂开来.首先,STEAM课程的跨学科、跨领域学科性质为高中生发展核心素养提供基础［14］.STEAM教育涉及科学、技术、工程、艺术、数学学科领域的知识,以跨学科整合的理念设计教育活动,支持学生以跨学科方式认识世界,以综合创新的形式改造世界,在活动中培养人文情怀,形成健康的审美价值取向,掌握基本科学原理和方法,在探究中培养批判质疑精神,发展学生人文底蕴与科学精神素养［15］.其次,STEAM学习形式以基于项目、问题的学习为主,为高中生核心素养发展提供支持［16］.布鲁纳认为学习是指在多种情境中个体创生意义和问题解决的过程,而项目式和以问题解决为主的学习方式主要是动手实践和科学探究,这种新学习形式帮助学生学会学习,形成新学习观,能对自己的学习状态进行审视与反思,在解决问题过程中,学生以小组合作形式学习,有助于学生正确认识与评估自我,养成健康文明的行为习惯,发展学生学会学习的能力与健康生活素养.最后,STEAM核心是面向全体学生开展的教育,关注每个学生全面发展,为高中生发展核心素养提供保障［17］.教师的关注度会极大影响学生参与的积极性,使每个学生都积极参与项目学习活动,具有规则意识,无形中提高学生的自我管理能力与实践创新能力,真正融入小组合作学习中,发展学生责任担当意识与实践创新素养.

4基于STEAM高中生发展核心素养的教学设计模式

4.1高中生认知特点

高中生正处于14-18岁阶段,皮亚杰的认知发展理论认为这个阶段学生认知水平正处于形式运算阶段,能够运用已有经验进行逻辑推理,并可用假设与演绎的方式解决实际问题,具备更强的抽象逻辑思维能力与动手实践能力,为STEAM教育的顺利实施提供认知基础.另外,在素质教育与核心素养双重背景下,对高中学生应具备的素养提出了新要求,不仅应该具备扎实系统的学科素养,还应该具备学习能力、高阶思维能力、以及技术应用与实践能力.由于高中阶段正处于人格建立与价值观形成的关键时期,因此对自己、他人以及社会有客观正确的认识尤为重要.

4.2基于STEAM教育的发展核心素养教学设计模式

参考基于STEAM教育高中生发展核心素养模型,将STEAM教育融入发展核心素养的课程中,面向全体学生开展以问题解决为导向的项目式学习,从文化基础、学会学习、社会参与三个方向发展高中生的核心素养.在STEAM教育中,科学支持人们认识世界规律；工程和技术支持人们根据社会需求改造世界；艺术帮助人们以美好的形式丰富世界；数学为人们发展与应用科学、工程、艺术和技术提供思维方法和工具.针对高中生六大核心素养,借助技术手段,以基于STEAM教育高中生发展核心素养模型为核心,以美国GeorgetteYakman［18］教授的STEAM教育教学过程卡片为指导,以发展学生核心素养为出发点,从准备、实施、改进、反思四个阶段设计教学模式,如图3所示.

4.2.1准备阶段：学生自主选择工具与资源

准备阶段要选取以跨学科、跨领域为主的课程,涵盖STEAM教育中的科学（S）与技术（T）.学生根据STEAM教育主题,从应用什么科学原理与需要什么材料和设备角度出发准备科学原理和资源工具,在分析、选择、设计的基础上选择相应工具与资源,培养科学精神与资源选择能力.

4.2.2实施阶段：学生合作完成项目活动

实施阶段以项目式与问题解决形式为主,涵盖STEAM教育中的技术（T）和工程（E）.该阶段关注学习过程,学生要思考应用哪些设备以及技术做什么？输出结果是什么？该阶段,学生通过不断探索与实际操作,将主题变为实实在在的作品,在探究、合作氛围中培养问题解决能力、技术应用能力、抽象逻辑思维,实现学会学习、科学精神、实践创新等素养融合发展.

4.2.3改进阶段：学生在探索中创新

改进阶段体现STEAM核心是面向全体学生,学生需要填写姓名、日期、主题等基本信息,还要提出促进活动进行的建议,以及从技术、工程、艺术等角度改善形成的作品.保证全员参与,真正做到关注每个学生的发展.该阶段培养学生的批判思维能力、审美情趣以及乐思善学精神,发展人文底蕴、科学精神、学会学习、实践创新等素养.

4.2.4反思阶段：学生巩固和完善认知

反思阶段涵盖了STEAM教育中的五门学科,实现学生核心素养的融合发展.教师引导学生思考发现了什么？学到了什么？用了什么科学原理？使用了哪种工具？表达对本次课程所涉及知识的观点,分享对本次课程最感兴趣的地方.学生巩固知识,完善了认知结构,培养了批判质疑精神、勤于反思精神以及实践创新精神,从文化基础、自主发展、社会参与三大方面发展六大核心素养.

5案例

本次STEAM教育实践选自高中《通用技术》课程必修一第一单元《结构与设计》第四节《纸桥的设计》,将STEAM教育跨学科融合的理念融入课堂,科学（S）解释“是什么”、“为什么”的问题,即建造什么结构的桥稳定性更高；技术（T）与工程（E）用来在科学知识的指导下改造世界,即在回答制作纸桥的实践中具体应该“怎样做”、“做什么”的问题；艺术（A）则通过艺术的渗透,被用来满足审美需求,回答怎样做纸桥更美观的问题；数学（M）作为基础学科,是其他四门学科实现跨学科知识融合的基石［19］.在不断地探索与实践中让学生掌握设计一座纸桥的注意事项,在小组合作中让学生体验将创意变为作品的成就感,增强学习体验,在互帮互助、共同进步的学习氛围中发展学生的核心素养［20］.

5.1明确课程主题和目标

通过情景设置和导入,明确本节课教学任务.教师介绍“魁北克大桥坍塌”例子,提醒学生设计纸桥时要注意对关键部位进行加固处理；且作为设计师要有高度责任感,发展学生社会参与方面的核心素养［21］.学生在探究过程中理解影响结构稳定性的因素,并通过小组合作与动手实践,制作出外表美观大方、稳定性强、承重效果良好的纸桥.

5.2教学活动

5.2.1准备阶段：复习旧知、资源选择

教师引导学生复习前几课学习的关于结构稳定性方面的知识.包括：①不同结构所受到的力不同,稳定性也不同；②影响结构稳定性的因素；③结构的受力分析方法.教师播放微视频,给学生介绍桥的类型、历史以及构造.学生要考虑用什么知识（S）以及设备（T）完成设计任务.准备阶段的实质是根据STEAM教育活动主题,完成相关知识、素材与工具准备.该阶段最好由学生独立完成,教师适当引导,帮助学生在学会应用所学知识的基础上发展独立思考、选择资源工具与解决问题的能力.

5.2.2实施阶段：自主探究、完成设计

实施阶段学生以小组合作形式思考用已经准备好的知识（S）和设备（T）做什么？也就是考虑要怎么将科学知识与技术应用于项目活动,预期达到的效果.学生通过动手实践,完善知识体系,培养知识应用能力以及探究创新能力.

活动1：探究不同类型桥的稳定性

（1）教师引导学生利用卡纸制作三种类型的简易纸桥（梁、深梁和拱桥）,并让学生自主设计测试每一种类型的桥,进行牢固性试验.

（2）学生明确测试的自变量（测试桥的结构）,控制无关变量（桥的长度、跨度）,掌握科学的实验方法,对实验过程作好记录.

（3）学生分别对三种类型桥的受力进行分析,通过分析受力选择所要设计纸桥的结构.

活动2：纸桥的设计与制造

（1）设计桥模型：小组成员头脑风暴,综合考虑稳定性、承重性、构件连接方式、美观性等方面设计纸桥模型,并画出设计图纸,在图中标出每部分所用的材料,在不断的设计与改进过程中发展审美情趣与艺术素养.

（2）制作纸桥：学生综合运用科学、技术、工程、艺术和数学等知识建造纸桥,教师对制作过程进行指导,学生记录制作过程中遇到的困惑与经验,以便后续交流反思.

5.2.3改进阶段：自主测试、改进完善

改进阶段学生要进行桥模型稳定性及承重测试,小组成员探讨改善桥设计,建立新的模型并再测试,通过循环反复的测试、改进,提高学生的问题解决能力及交流合作能力,增强学习体验,培养批判能力和创新能力.

5.2.4反思阶段：知识巩固、完善认知

反思阶段学生总结学习活动全过程,讨论工程设计的过程,展示作品,并在小组间交流反思,应用了哪些技术？设计的纸桥是否符合审美要求？通过借鉴其他小组分享的经验思考在哪里能进一步改善纸桥？学生在不断反思中巩固学到的知识,完善认知结构,培养批判性思维,正确认识自己,实现自我管理［22］.

5.3评价

评价主要以过程性评价和总结性评价为主,包括教师评价、学生互评和自评［23］.教师评价就是教师对全体学生课上表现进行评价,评估学生的问题解决能力、创新能力、参与度.具体可采用记录过程表、随堂测验等方式.学生互评包括小组成员内部评价和组间评价.学生根据实际情况填写小组成员参与度评价表及对其他小组作品的评价表.自评主要是学生对自己在课程学习中的表现进行反思,正确认识自己,在反思中寻求进步.

6结语

发展核心素养关乎国家人才的核心竞争力,影响着国家的国际竞争力、经济发展水平及国民素质.STEAM教育的开展给发展核心素养带来了机遇,具有广泛的应用前景.本文将STEAM教育与高中通用技术课程进行融合,从文化基础、学会学习、社会参与三方面发展高中生的核心素养,颠覆了传统的教与学方式,推动了整个通用技术课程体系的改革.STEAM教育在我国应用起步较晚,课程体系还有很多不完善的地方,在后续研究中将进一步探讨STEAM教育与通用技术的深度融合,激发学生的创新意识和深入探索的能力,为学生开辟发展核心素养的新思路.

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（编辑：戴皓）

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