STEM教育理念指导下的中学校本课程开发研究

作者：朱江　谭凰　耿淑玲
　　[摘 要] 当前，STEM在全球已成燎原之势，但是国内对STEM的研究多停留在理论探索层面，缺乏真正意义上的实践研究。有研究表明，基于STEM理念的教学，有助于加深学习者对数学和科学等内容的理解，同时将知识应用在生活中的能力也得到提高。简单介绍了STEM的内涵和发展，以《自制孔明灯》为例进行了STEM教育理念指导下的中学校本课程内容设计，以期对基于STEM教育本土化的实践研究添砖加瓦。
　　[关 键 词] STEM；校本课程开发；自制孔明灯
　　[中图分类号] G632 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）32-0178-02
　　近年来，STEM教育已经成为国际科学教育的发展趋势，促进了各国科学课程的改革。STEM教育强调多学科交叉融合培养全面发展的创新型科技人才，与我国近期提出的核心素养的核心“培养全面发展的人”不谋而合。目前，中学最广泛应用的课程模式是分科教学模式，即数学、物理、化学等学科教师负责教授各自科目，很少重视学科之间的联系，并且中学阶段对工程教育和技术教育的重视不够，学生缺乏自主解决问题的能力。
　　一、STEM教育理论
　　STEM教育（STEM Education）是科学（Science）、技术（Tech-nology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调在问题解决或项目设计的过程中将科学、技术、工程、数学四门独立的学科交叉融合在一起，提高学生的学习兴趣和实践创新能力。
　　STEM教育始于1986年美国《本科的科学、数学和工程教育》报告，是美国为其科学技术发展储备综合性人才，保障其在国际上的领導地位而提出的，历经三十多年的发展，已趋进成熟。从STEM的提出至今，美国政府出台了一系列政策，并且持续加大财政投入力度，为STEM的成功实施保驾护航。社会各界组织积极响应政府号召，建立了相对完善的STEM教育项目体系，如项目引路（Project Lead To the Way）、变革方程（Change the Equation）等机构。迄今为止，美国已建立了上千所STEM学校，培养了大量的STEM人才。截止2015年，每年的STEM学士和副学士毕业生约为30万。
　　国内对STEM教育的研究起步较晚。2008年，STEM教育才真正进入我国教育研究界，目前我国对STEM的研究还只停留在对STEM理论探索阶段，缺乏课程资源的实践研究。因此，课程资源是实施STEM必须解决的首要问题之一。
　　二、校本课程——《自制孔明灯》
　　鉴于中学生的抽象思维还未发展成熟，对物理知识“阿基米德原理”的理解较为困难，对化学与生产、生活的实质联系缺乏了解，本研究基于STEM教育理论，以中学生为学习对象，以项目设计为学习方式，选取了贴近学生生活、能引发学生兴趣且安全易操作的主题——《自制孔明灯》，将晦涩难懂的科学理论知识融合于生动直观的活动实践课程，使学生更快、更好地理解科学知识，学会应用知识解决实际问题。符合STEM的跨学科、趣味性、体验性、情境性等核心特性。
　　（一）设计思路
　　以“制作孔明灯”“放飞孔明灯”两个活动组织课程，将科学、技术、工程、数学等学科相关知识均包含在内，让学生“动手做”，，在“做中学”。活动中涉及的STEM各领域学习内容见下表。
　　（二）课程内容编写
　　每逢春节、元宵节等一些比较有特殊意义的节日，人们喜欢在孔明灯上写下美好的心愿，放飞到空中，象征着顺利与成功，美好与幸福。你知道孔明灯里蕴含的学问吗？
　　【孔明灯的原理】
　　液体和气体对浸在其中的物体有竖直向上的托力，物理学中把这个托力叫做浮力。
　　阿基米德原理：浸在液体或气体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体所受到的重力。
　　表达式：F浮=G排=ρ液gV排
　　孔明灯受到两个力，一个是竖直向上的浮力，一个是竖直向下的重力。燃料燃烧使周围空气温度升高，根据热胀冷缩原理，孔明灯中气体分子之间的间隔增大，气体体积增大，从而排出孔明灯中部分原有空气，孔明灯中气体重力减小。只有满足空气对孔明灯的浮力大于孔明灯中气体重力与孔明灯的自身重力之和，即F浮>G总=G热空气+G灯（1）时它才能上升。
　　F浮=G排=ρ空气gV灯（2）
　　G热空气=ρ热空气gV灯（3）
　　G灯=m灯g（4）
　　将（2）（3）（4）代入（1）中，推出
　　m灯