基于翻转课堂的特色STEM课程开发及教学研究

【摘要】STEM课程开发是STEM教育理念落地的重要环节。本文提出将翻转课堂教学形式融入到STEM课程的教学设计与实践中，同时通过调研本地相关教育资源，从中选出可以用于特色STEM课程开发的项目选题。在此基础上开发了基于翻转课堂的《钢铁是怎样炼成的》STEM系列特色课程并开展课程实践，从中探索出特色STEM课程开发技术路线和基于翻转课堂的STEM课程教学模型，丰富了翻转课堂教学模式的设计，为国内STEM教育的研究提供了新视角，也为后续相关研究奠定了理论基础。

【关键词】STEM教育  翻转课堂  特色课程开发

【中图分类号】G633   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2023）01-0043-03

一、特色STEM课程开发的意义

目前STEM教育的发展趋势已逐渐从理论转向实践，使其更具教育实践中的可操作性。STEM实践强调学生的主体性和情境的复杂性与真实性，学生在项目、活动、问题中，交流互动，寻求合作，主动探究，大胆创造，从而在这一过程中完成知识的学习。笔者认为，通过积极探索地方教育文化资源，从学生熟悉的环境和场景中提取可用部分，推进具有地方特色的STEM课程建设，对于丰富STEM教学模式、教学内容和教学方法，培养具有科技素质的实践创新性人才，满足社会对多元化、全方位的创新性人才的需求将具有非常重要的意义。

二、翻转课堂如何提升STEM学习的效率

为什么要引入翻转课堂来开展STEM学习？笔者认为：在传统课堂中，教师花费了更多时间在学生对结构化知识的记忆、理解和应用上，但是在特色STEM课程教学实施过程中，我们让学生所面对的问题通常是真实的、复杂的，他们无法完全从书本上寻找答案，STEM课程需要更加关注学生对问题的分析能力、创造能力以及合理表达自己观点的能力，需要培养他们经过观察、收集、推理信息、挖掘新的资源等一系列操作从而共同协作解决问题的知识和技能。而本课题研究的STEM课程通过翻转课堂将知识学习的环节搬到课前，学生提前完成知识学习，课中他们将有充足时间通过自主学习、师生互动、小组合作的形式完成技能的习得，课堂时间更多地留给创造性应用和创新性设计的讨论。翻转课堂帮助学生从对知识的重视转移至问题的解决上，逐步加深对课堂学习过程中知识和技能的理解，不断发现和反思自己的判断和策略，不断研究问题、解决问题。[1]而课后通过微视频的自主学习和实践，进一步让学生不断实现突破自我，形成实践创新能力。以翻转课堂作为一种学习手段，这不仅提高了课程的容量，也提升了学习时间的使用效率。

三、相关文化资源融入STEM活动的探索

每一个地方都有其独特的风土人情，当地的传统民间手工艺、有当地特色的桥梁建筑、地理标志、特色工农业项目等等都蕴含了丰富的特色及科学工程技术内涵，其中的一些内容学生在现实生活中也曾接触过，不会感到陌生，从这些资源中提取适合的内容来开发项目开展STEM活动，以科学和工程问题为主线，营造一个多维的空间，让学生在一系列具有程度相关性的经历中把所学的知识运用到真实情境中，形成一定的解决真实世界问题的能力。这样的课程，既贴近学生生活——他们会感到熟悉又新鲜，又可以把他们所学习的零碎知识变成一个互相联系统一的整体，从而满足他们未来学习、工作和生活的需要。

基于以上的理念，我校根据实际情况，积极探索将柳州市的文化历史、工业技术领域中所蕴含的相关资源引入STEM课程，努力挖掘本地社会环境与学校、学生相关的一些项目进行STEM活动课程的开发，初步搭建了一系列有意义的特色STEM活动课程，如《留住紫荆花的美丽》《再现柳州古八景》《钢铁是怎样炼成的》《果蔬生榨米粉》《甘蔗手工榨糖》等，限于篇幅，以下仅列举其中的一个案例[2]。

STEM活动名称：钢铁是怎样炼成的

活动的意义：我校原来是柳州钢铁集团的厂办学校，与柳钢有着很深的渊源，学校里很多同学的家长也是柳钢的职工，柳钢既是柳州工业的代表，也是我们身边的一个重要的存在，与我们的生活学习有着密切的关联，我们通过STEM项目《钢铁是怎样炼成的》来更多地熟悉和了解它。《钢铁是怎样炼成的》STEM系列课程首先带领学生参观柳钢展览馆，了解学校旁边这个既熟悉又陌生的钢铁厂，从展览馆得到柳钢历史、现状和有关生产工艺流程的直观认识，然后让学生回到学校后通过模型制作的形式把学习了解到的钢铁生产流程表现出来，在模型的设计与制作过程中更加深入地理解钢铁是怎样炼成的，其中既融合了STEM内容的学习，又包含了人文情感的渗透，很好地将地方资源融入了STEM课程中。

包含的知识部分：

S（science）炼钢中涉及的化学原理、机械原理

T（technology）3D打印技术建模、CAD绘图、激光切割机使用

E（engineering）高炉模型的制作、炼钢流程模型制作

M（mathematics）测量、几何、材料计算

用到的器材和设备：

模型底板1块、搭建支架的木方条、木板、圆形管道、热熔胶枪和胶棒、Arduino UNO主板３块、人体红外传感器、超声测距传感器、蜂鸣器、马达５个、３Ｄ打印机、激光切割机、Arduino编程电脑

课程实施方案：

1.参观柳钢展览馆，实地了解其地理位置及柳钢的历史与现状，带着问题去学习钢铁冶炼的过程。（周末）

2.对柳钢生产过程进行归纳、画出钢铁炼制过程的流程图，明确钢铁冶炼的几个重要环节和相关的设备（1课时）

3.讨论和准备制作模型所需的材料、技术实现方法（1课时）

4.分组设计和制作钢铁生产过程的各个部分的模型（４课时）

5.探究利用Arduino控制矿石小车、鱼雷罐车运动的方法（2课时）

6.探究利用Arduino实现各处模块联动起来的方法（2课时）

7.展示钢铁生产过程的完整模型作品并总结（1课时）

四、特色STEM课程开发技术路线

通过对柳州市相关资源的发掘，并结合我校的实际，我们总结出STEM课程开发的技术路线，如下图：

（1）分析本地/本校情境：主要是指对制约学校STEM课程的内外因素及其相互作用的分析。其中外部因素主要包括本地本校历史文化、社会相关资源等的支持与限制等。内部因素主要包括学生的心理特点、知识与技能的储备，教师的态度、知识技能、相关经验，学校具备的制度和物质资源，当前开设STEM课程所面临的问题，在分析这些因素的基础上去收集能够体现真实情境的相关STEM项目选题。

（2）STEM项目选题预分析：主要是对收集到的项目做这些分析：体现的本地特色、与学生的认知结合程度、完成试验花费的时间、项目成本开支预估、可能遇到的问题及解决方案、课堂实施可行性。

（3）确定STEM课程项目：通过预分析筛选出合适的STEM项目，并确定课程开发人员分工。

（4）开发STEM项目课程：依据已确定的课程目标根据分工去设计开发相关的微课和教学方案。即挑选/制作微课学习材料、设计教学活动方案，如教学顺序、结构、范围、活动方式、时间表、活动场所等。

（5）实施课程实践：把设计的教学方案用于实际教学实践，并收集学生的课堂反馈。

（6）检查/评价/反馈：根据学生的反馈对课程实施的情况进行反思。以此作为修订与重建课程的内容和依据。

（7）修订课程：根据情况修订、改进课程设计和教学方案。

（8）形成STEM系列课程：在多次迭代后形成比较成熟的STEM系列课程。

五、基于翻转课堂的STEM课程教学模式

经过课程开发和具体的教学实践，我们一边认真对课程研讨修改，一边总结经验，梳理开发出来的案例，逐步形成了一个比较成熟的基于翻转课堂的STEM课程教学模式（如下图所示）：

这个模式分为三个阶段：课前、课中和课后：

（1）课前：教师根据开展调研考察的情况设计教学方案，学生通过真实场景体验和观看微课视频，完成针对性的课前练习、反馈信息，对学习内容有初步认识。

（2）课中：教师创设具体的情境，学生对真实情境中的问题进行讨论，交流想法，然后通过微课针对性地去学习相关知识和技能，教师主要帮助学生解决遇到的疑难问题；学生协商后设计问题的解决方案，动手进行模型的建造、测试和改进，教师则根据情况对学生进行技术指导，组织协调学生合作完成作品；最后，学生把完成的作品公开展示出来，并经过互评和自评来对学习成果加以反思，教师对学生的学习过程和成果进行总结并给出意见和建议，帮助学生提升。

（3）课后：学生在完成STEM课程学习后，教师组织部分学生参加科创类比赛，指导和训练学生通过微视频进一步拓展知识，把STEM课程中学习的技能迁移到解决真实情境中的复杂问题中，促进学生高阶思维和创新能力的发展。

这一学习模式的三个阶段都引入了微课或者微视频，课前学生自主学习；课堂上学生在教师的指导下协同开展科学探究和进行工程实践，并通过分享交流增进表达能力；课后通过参加新任务把知识进行迁移和拓展。这一模式实质上是通过三个环节不断推进学生能力的提升。通过课程实践，翻转课堂确实让学生在相对短的时间中基本达成了学习目标。参加课程的学生在参加科创类比赛中也获得了较好的成绩，证明了这一模式是有效的。

六、结束语

STEM教育强调以整合的教学方式培养学生，强调利用多学科知识解决问题，这样一来STEM课堂中就需要大量的师生与生生间的讨论互动与动手实践的时间，本项研究借助翻转课堂的教学模式，让学生“先学后教”，通过课前观看STEM课程相关知识的微视频，可以巧妙地利用高中学生的课余时间，减少课堂讲授知识的时间，同时能在课前明确学习目标和任务，把探究活动中涉及到的知识通过课前自学和线上讨论解决掉，提高了学生协作学习的能力。学生能最大限度地在课堂上参与讨论、大胆实践，教师也能充分利用课堂上的时间为学生答疑解惑，不断提高学生的创新能力和解决问题的能力。

另外，本研究还初步总结了地方特色STEM课程开发的技术路线，该路线通过实践证明是有效的，但是由于迭代次数还不够多，还是比较粗浅的，有待于今后继续研究完善。

参考文献：

[1]李红平，高攀.基于翻转课堂的中学STEM教育模式研究[J].软件导刊（教育技术），2019，18（1）：49-52.

[2]百度百科.柳州古八景[EB/OL].（2022-02-23）[2022-10-18].https：//baike.baidu.com/item/%E6%9F%B3%E5%B7%9E%E5%8F%A4%E5%85%AB%E6%99%AF？fromModule=lemma_search-box.

作者简介：

黄明迪（1975年—），男，广西宜州人，中学高级教师，大学本科学历，北师大教育硕士，广西普通高中通用技术学科中心组成员，研究方向：通用技术/信息技术教学、STEM课程教学与开发。