隨著科學技術的飛速發(fā)展，人類文明已經(jīng)進入第四次工業(yè)革命時期，以互聯(lián)網(wǎng)為核心的物理、數(shù)學、生物、化學等多學科領域界限日益模糊，對人才的要求也隨之發(fā)生了改變。培養(yǎng)具有科技和人文素養(yǎng)的創(chuàng)新應用型人才，是我國對第四次工業(yè)革命社會發(fā)展背景下的人才需求做出的回應。 美國于1986 年發(fā)表《本科的科學、數(shù)學、工程教育》報告，提出“科學、數(shù)學、工程和技術教育集成”， 拉開了STEM教育的序幕。之后一些學者逐步加入“A（藝術、人文）”元素，發(fā)展成為 STEAM 教育。我國多個地區(qū)也早已展開了探索，為推動社會發(fā)展培養(yǎng)優(yōu)秀人才。
STEAM 課程通過創(chuàng)設真實情境，引導學生運用多學科知識解決真實問題，將學生學習到的知識和技能轉變成一個探究世界相互聯(lián)系的不同側面的過程，進而在特定的學習情境下培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力、協(xié)作交流、批判性思考、解決真實問題的能力、社會責任等。 因此，教師若想開發(fā) STEAM 課程，需要具備多學科視野、整合多學科內(nèi)容和教學方式，這與以往的單一學科課程開發(fā)存在差異。
經(jīng)過調研，教師對如何生成適合的 STEAM 主題、各學科如何進行整合、如何處理學科本身與學科之間的關系方面存在困惑。為此，本研究提出了 STEAM 課程開發(fā)的一般方法，并以“中國傳統(tǒng)建筑中的科學”為例進行詳細闡述。
一、收集資料，聚焦主題，生成多學科課程主題
主題的生成處于整個 STEAM 課程開發(fā)過程中的起始環(huán)節(jié)，也是后續(xù)開發(fā)過程的核心。確立一個好的主題，不僅需要考慮學生的學習水平和特點及其生活實際、聯(lián)系社會熱點，還需要涵蓋多學科內(nèi)容。這個過程是一個不斷提出新想法，又會根據(jù)各種限制條件改進想法，從而聚焦可行想法形成主題的過程，是一個思維發(fā)散和收斂反復交替的過程，具體分為以下三個步驟。
（一）創(chuàng)建多學科教師團隊，廣泛搜集主題
多學科教師的參與能夠為主題選擇提供豐富的主題素材?！爸袊鴤鹘y(tǒng)建筑中的科學”這一主題課程開發(fā)小組（以下簡稱課程開發(fā)小組）成員，包括中學歷史教研員、初中歷史教師、科學教師和數(shù)學教師、小學語文教研員，其中中學歷史教研員和小學語文教研員作為指導教師。
一開始，教師們根據(jù)以往的經(jīng)驗進行思維碰撞，提出了多個主題——包括動力機器人、會呼吸的肺、編程與數(shù)學、工程與橋、傳統(tǒng)文化與科學、燈與剪紙、走馬燈等。
（二）篩選資料，梳理主題內(nèi)容
課程開發(fā)小組成員在各自的學科領域內(nèi)，廣泛搜索主題的相關關鍵詞，形成初步的資料，并按照主題包含的內(nèi)容、學科知識、適宜學段、多媒體環(huán)境四個方面進行梳理分析，以供進一步開發(fā)和篩選（見表 1）。
（三）考量多種因素，聚焦生成主題
根據(jù)已經(jīng)掌握的資料，課程開發(fā)小組成員綜合考量教學立意、主題內(nèi)容、學科知識、適宜學段、多媒體環(huán)境、課時要求、教師水平等多種因素，對每一個主題進行討論和篩選，確定最終的主題。
經(jīng)討論，發(fā)現(xiàn)工程與橋、中國傳統(tǒng)建筑中的最速降線符合基本條件，但后者有利于發(fā)掘中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的民族智慧、培養(yǎng)學生的文化自信，文理結合、視角新穎，且最速降線與學生生活實際密切相關，易激發(fā)學生的興趣，符合學生認知水平和特點。教師們綜合考慮以上因素，選擇這一主題作為STEAM 課程主題。
綜上，中國傳統(tǒng)建筑中的科學主題確立，經(jīng)歷了頭腦風暴、資料搜集、主題篩選三個階段。但是，在實際開發(fā)過程中，可能需要這三個階段的多次迭代，才能最終確定主題，如圖 1 所示。
二、以教學關鍵性問題為線索實現(xiàn)多學科內(nèi)容的有機融合
STEAM 課程不是學科的簡單堆砌，而是多學科的有機融合。教師需要考慮不同學科內(nèi)容的比重、安排學科的順序和學科之間的銜接，其本質是對課程內(nèi)容和教學方式的重新設計。這不僅是在課堂上落實 STEAM 教學的關鍵，也是多數(shù)教師開發(fā)STEAM 課程中的困惑。為有效解決這一困惑，課程開發(fā)小組在確定 STEAM 主題之后，圍繞主題設計梳理出了幾個教學關鍵性問題，并嘗試以這幾個問題來安排課程內(nèi)容與教學方式，從而達到教學目標、突破教學重難點。
（一）教學關鍵性問題的設計
STEAM 教學的關鍵問題設計首先根據(jù)學科核心概念、教學目標等得出想要學生理解的內(nèi)容，然后將內(nèi)容轉化成相應的關鍵問題，根據(jù)學生特點和思維變化將關鍵問題進行排序，確定要解決的問題的順序。在問題驅動下，學生積極思考、解決問題，相應的課程內(nèi)容和教學方式在問題驅動下有機融合。不同學科內(nèi)容的比重和學科之間的銜接難題迎刃而解。
在確定關鍵問題的過程中，課程開發(fā)小組人員首先從“最速降線”這一核心概念入手，通過搜集整理資料，梳理了“最速降線”的定義、原理、證明過程、目前的實驗模型、在中國傳統(tǒng)建筑以及現(xiàn)代生活中的應用等。根據(jù)對學生情況的調研和了解，確定了以下教學目標：（1）了解最速降線的概念；（2）運用控制變量法，探究小球降落的最速降線來解決問題，激發(fā)科學探究的興趣，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W精神；（3）感悟中華文明的歷史價值和現(xiàn)實意義，認同中華民族優(yōu)秀文化傳統(tǒng)，增強愛國主義情感，提升文化自信。
為了能夠讓學生理解最速降線的概念，達到以上教學目標，課程開發(fā)小組人員確定了四個大模塊，即以歷史創(chuàng)設情境、以科學探究核心概念、以數(shù)學描述解釋概念、再以歷史總結升華。據(jù)此，進一步確定各個模塊的關鍵性問題（見表 2）。
（二）教學關鍵性問題在教學過程中的應用
學生在教師引導下，觀察北京市、豐臺區(qū)的傳統(tǒng)建筑，發(fā)現(xiàn)其共同特點——建筑屋頂?shù)奈菝媲€設計，由此引出關鍵性問題“中國傳統(tǒng)建筑中屋面線的設計，有什么科學道理”。
學生產(chǎn)生興趣，發(fā)散思維，將這一設計與雨滴從屋頂下落現(xiàn)象聯(lián)系在一起，并聚焦問題：不同的屋面線，雨滴下落的速度一樣嗎？雨滴從屋面直線下落快還是從屋面曲線下落快？學生在問題驅動下，大膽猜想，為了驗證猜想，以小組為單位進行實驗探究，展示交流，最終得到結論。
再通過二次探究，發(fā)現(xiàn)不同彎曲程度的曲線之間，小球下落快慢的差異，引發(fā)猜想：“是否存在最優(yōu)曲線使得雨滴從屋頂下落得最快？”從而引出“最速降線”概念的講解和在生活中的實際應用（如圖 2）。最后回歸人文領域，通過體驗、探究感悟中國傳統(tǒng)建筑中的藝術之美、工程之學，提升文化自信。
“中國傳統(tǒng)建筑中的科學”案例里的教學關鍵性問題，主要有兩大功能：一是引導了學科內(nèi)的教學內(nèi)容；二是進行了學科之間的過渡。在教學目標的指引下，關鍵性問題自然分配了學科之間的比重、協(xié)調了學科之間的關系，形成了具有邏輯性的課堂教學。
三、立足學科基本技能、知識與方法整合多學科內(nèi)容
美國科學教育專家 Bybee 指出，實現(xiàn) STEM課程不同學科之間的整合要以學科核心概念和學科實踐為基礎。許多 STEM 教育活動往往更多關注于以學生為主體的動手與實操，而忽略了對跨學科概念及學科概念的傳遞。Nathan 等研究者提出整合 STEM 的方法，即圍繞學科重要概念，在科學和數(shù)學表征、技術和工程學目標、設計和構建活動等方面展開整合。以學科概念為基礎引導學生關注活動表象下深層的概念結構和關聯(lián)，以支撐相關概念的意義構建、建立新舊概念之間的聯(lián)系等。
STEAM 教育雖然比 STEM 教育多了 A 元素，但研究者多認為其是在 STEM 教育的基礎上，將更多元化的內(nèi)容融合在一個主題活動中。在教學方式上，兩者具有高度一致性。因此上述對 STEM教育的要求同樣適用于STEAM教育。在選定主題、確定關鍵性問題后，課程內(nèi)容和教學方式的選擇應建立在學科的基本知識、技能、方法的基礎上，讓學生在學習、應用多學科知識、技能、方法的過程中，形成對學科概念的深層理解，建立概念之間的聯(lián)系。
課程研發(fā)小組通過研討確定了課程實施的大致流程：用歷史創(chuàng)設情境、用科學探究發(fā)現(xiàn)最速降線、用數(shù)學解釋最速降線的概念和應用，最后回歸歷史總結提升中國傳統(tǒng)建筑中的藝術之美、工程之學。每一部分均體現(xiàn)各自學科的基本知識、技能與基本方法。
在真實情境、關鍵性問題的驅動下，學生需要學習、運用多學科知識解決問題，各學科基本知識、技能和方法成為解決問題的必備條件和必要過程，從而幫助學生理解學科基本知識、技能和方法，在跨學科整合學習中有實際收獲。
從理念落地到課堂教學是推動 STEAM 教育發(fā)揮育人功能的關鍵步驟，這也對教師提出了更大的挑戰(zhàn)。從單一學科教學到跨學科整合課程開發(fā)，教師需要深入理解學科本身和學科之間的關系，明晰學科融合的原則、探索豐富學科融合的方法。無論何種形式的課程整合，其本質是學生思維與能力的激發(fā)和引導，其最終的落腳點是培養(yǎng)學生發(fā)展核心素養(yǎng)。
（作者賀凱強、王志強系北京教育學院豐臺分院教師；王玲系北京市海淀區(qū)教師進修學校附屬實驗學校教師）
文章來源：《中小學數(shù)字化教學》2018年第7期，原標題為《STEAM 教育理念下的主題式課程開發(fā)——以“中國傳統(tǒng)建筑中的科學”為例》
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