蓝跃乾，陈珍芳
福州市马尾区三牧中学，福建省福州市 350015
摘要：将本校特色课程——金工课程，融入“科学探究、工程设计、交流强化”的STEM教育模式，开展两轮教学实践。同时，利用学校地处马尾经济开发区的优势，进行相关企业单位的参观交流、实地考察，开展STEM校外实践活动。研究过程中，运用问卷调查与访谈，分析学生在学习STEM课程过程中的学习态度、能力的发展。研究结果表明，基于STEM教育模式下实施金工课程教学，有利于培养学生的问题解决能力、创新能力、工程设计能力。
关键词：金工课程；STEM教育模式；教学设计与实践
引言：STEM教育是当今知识经济时代下全新的教育范式，以培养学生的科学素养、创新能力，以及具有跨学科知识素养和解决真实问题能力的人才为根本目标，已经成为了各国教育领域的重要发展战略。基于STEM教育理念，开展金工校本课程，将工程设计融入到学习活动中，支持学生在解决问题的过程中实现不同学科知识与方法在不同情境中的迁移、运用和生成，提高学生的科学创新能力。
一、基于创新的STEM教育模式
金工课程注重工程实践，旨在培养学生STEM工程素养。开展金工STEM课程中，将教学过程分为“科学探究”、“工程实践”、“交流强化”三个部分。“科学探究”是指，教师引导学生识别生活中的问题，组织学生小组协作学习，制定工程设计的方案。“工程实践”是结合设计的一般过程和原则，对产品进行设计建造，并不断进行产品的测试与改进。在“交流强化”过程中，学生之间作品的分享与交流，教师可引导学生发现工程实践过程中的问题，并提出下一阶段的方案优化或产品的改进。
图1 STEM教育模式
基于创新的STEM教育模式，在教学过程中，基于项目、问题的学习方式，学生可以自主创作跨学科、跨领域的学习内容，实现在动手实践、解决问题的过程中提升解决问题的能力。在于同伴交流过程中，学生能够思考“我发现了什么？学到了什么？用了什么知识？用了什么工具？”交流思考这些问题时，学生的学科素养得以进一步融合，知识也进一步内化。
二、开展STEM金工课程
（一）项目式金工课程教学设计
在STEM金工课程中，主要分为七个主题的项目式学习内容：
① 制作简易木凳
② 制作相框
③ 元宵花灯的制作
④ 垃圾分类·让城市更美好
⑤ 海绵摩托艇
⑥ 剪刀式升降机
⑦ 新型锁扣
以“新型锁扣”这节课为范例，以项目式学习方式开展，主要分为三个任务，三个任务呈递进层次，第一个任务为第二个任务做好准备，第二个任务为第三个任务做好准备，完成三个任务的总时间为135分钟。三个任务涉及的课程领域有技术、工程、数学。各领域的知识点如下表所示：
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具体教学过程如下：
① “情境引入、激发兴趣”：基于真实的问题情境，明确本主题的任务就是设计制作新型锁扣。导入部分：“锁扣是工作和生活中常见、常用的小五金制品。传统的锁扣使用不太方便，开锁后，锁扣容易钩住衣服或划伤人，而且容易被碰撞变形。是否可以对它进行改造和创新，克服上述缺点，产生出新的发明呢？”
② “提出问题”：“设计制作一个不刮衣服、造型新颖的锁扣。”
③ “协作探究”：学生自行组队，进行小组协作学习，收集信息。“可以通过网络或采访有关人员等方法，收集与下面几项相关的文字、图片等资料。
a.收集现有锁扣的种类及形式
b.调查现有锁扣的加工工艺流程，并画出流程图（加工顺序方框图）
c.调查批量生产锁扣的机械加工设备的名称、用途及效率。”
④ “方案制定与分享”：“以老式锁扣为素材，对它进行认真的分析和研究，并针对其缺点进行了改进。将锁扣进行改进之后，在使用的时候，是横着扣着，打开的时候，是竖直下垂的贴在门框。”
⑤ “设计建造”：
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（二）开展校外STEM实践活动
为了让学生真实感受金工知识在实际生产生活中的应用，充分利用我校地处福州经济技术开发区的地理优势，带领学生参观物联网基地、高新技术企业和工厂，并邀请工程师来校做理论与实践方面的指导，逐步提升学生的综合素质和问题解决能力。
1.开设金工特色讲座
我校邀请到福州三和精密轴有限公司业务次长、管理部副部长吕顺前、技术科的孙俊青工程师等到校进行指导。讲座由孙俊青工程师主讲，主题为“机械和精密加工”，从生活中常见的机械谈起，通过精彩生动的视频为学生展现了当代超精密的加工技术，详细地讲解了发动机、螺丝钉等零部件的加工过程，开启了学生探寻科技世界的大门，培养学生工程素养和创新能力。
2.参观工厂
带领学生参观“三和精密轴有限公司”，了解金属轴承的生产过程，让学生了解普通材料和难切的材料，如不锈钢、耐热钢、工具钢。了解加工钢铁,有色金属、有机、无机、复合、原矿的过程。了解精密轴生产过程中所包含的金工加工工序和技术，如：生产产品或材料的切割、车削、磨削、热处理工序以及自主生产的高精技术磨床。丰富学生对于金工工具的认识，培养学生工程方面的素养。
3.参加主题研学活动
以STEAM教育理念为指导，由地域文化和学生身边的生活元素中选择“近代风云看船政，舰船制造工业史”为主题，走进马尾船政学堂，结合金工校本课程，学生分组制作船政舰船模型，学生以小组为单位，分工制作模型，教师在制作过程中询问小组制作的进展，查看学生制作中是否存在问题，如何合理地修正，并适当给学生提出建议。以科学的研究方法和项目式学习为手段，让学生们在行中学，从而充分调动学生的热情，是学习更具有自主性、实践性、开放性。
三、STEM金工课程教学效果分析
（一）教学实践后数据的分析
1.前测与后测问卷结构分析
在开展STEM金工教学之前，利用问卷调查对学生进行了学习前测。问卷调查的问题分为两个部分，第一部分是调查学生的基本情况，第二部分是调查学生之前的认知、能力、情感态度与价值观，包括能否使用工具，是否愿意小组合作，是否制作过小物品，是否愿意交流与表达等。
在开展STEM金工教学之后，利用问卷调查对学生进行了学习后测。主要分为三个部分，第一部分是了解学生的学习情况，第二三部分是调查课程实施的效果。第二部分主要从学生知识点的习得（金属材料的认识（S）、工具的使用（T）、设计图的绘制(E)、图形尺寸比例和角度的计算（M））、小组合作情况、问题解决情况、学习STEM课程情况四个方面来调查。第三部分主要调查学生在学习过程中遇到的最大困难以及解决方式。
2.问卷数据分析
初一学生填写前测问卷一共200人，有效问卷200份。填写后测问卷一共200人，有效问卷200份。通过对数据进行整理分析，从知识点的习得、小组合作意识、问题解决方式、学习STEM情况四个方面进行具体的学习效果分析。具体效果分析如下：
(1)知识点的习得：在此将知识点分成了金属材料的认识（S）、工具的使用（T）、设计图的绘制(E)、图形尺寸比例和角度的计算（M）几个方面进行了具体的分析。
下图给出金工课程知识的学习前测和学习后测结果：
① 金属材料的认识（S）：
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通过对比前后侧的数据发现：学生在学习前和学习后对常见金属材料的认识发生了变化。学生会知道金属材料的特性和应用的人数增多。
② 工具的使用：
统计分析数据得出，学生在学习前和学习后会使用的工具发生了变化。
变化一：学生会使用工具人数明显增多；变化二：全部学生都学会使用台虎钳、锤子。
③ 设计图的绘制
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根据学习后测的调查数据，88%的学生认为非常有必要提前绘制草图、三视图，并且有94%的学生进行了三视图和草图的绘制。
④ 图形尺寸比例和角度的计算
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根据学习后测的调查数据，85%的学生表示自己组在绘制图形时，能够根据零件的尺寸，按照比例绘制，并做好标注。88%的学生表示自己作图规范，能够根据国家规定的图线绘制图样。
(2)小组合作的意识
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根据学习前测的调查数据，67%的学生表示自己喜欢和小伙伴一起合作完成一件事情，28%的学生表示自己喜欢一个人完成一件事，这更能体现自己的想法。而根据学习后测的调查数据，90%的学生表示自己组的分工比较明确，98%的学生明确表示自己通过这段时间的学习，自己能够积极主动的学习，参加小组活动后提高了自己的团队协作能力。
(3)问题解决方式
解决问题方式数据统计表（数据后测）
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根据学习后测的调查数据，在学习过程中，学生能够及时发现问题的比例是80%，遇到问题和小伙伴一起想出解决办法的比例是90%，遇到问题会先进行小组商议最后请教老师的比例是87%。
(4)学习STEM情况
学习兴趣问题数据统计表（数据后测）
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根据学习后测的调查数据，87%的学生表示喜欢STEM课程的学习方式，95%的学生表示如果还有学习内容，我还是想用STEM课程的学习方式来学习。说明大部分学生非常认可这种学习方式。
3.访谈数据分析
在本研究过程中，采用访谈的方法，列出访谈问题，对4个班级学生进行分层抽样访谈，共访谈了4名学生，了解学生对基于 STEM 的金工课程的态度、参与的积极性和想法。
对于学生的访谈，整理归纳总结了学生的观点如下：
1)学生很喜欢现在的课堂教学模式。4名学生都表示很喜欢现在的课堂教学方式，理由主要是STEM教育课堂可以自己亲自动手实践，能够在“做”中学觉得有趣也比较自由。
2)协作能力有所提升。4名学生中有3名学生表示自己的收获是和同学们交流更多，更加明白团队合作的重要性，通过不同思想上的碰撞，产生更多有意义的观点和创新的设计。
3)学习兴趣得到提升。4名学生都表示自己的学习兴趣更浓厚了，在家里的时候也会想着动手实践做些小物品。
4)促使学生思维方式的改变。有3位学生表示自己在遇到问题的时候，会想办法去解决，会尝试用学过的知识技术去解决问题，而不是请教他人解决。
5)通过访谈，可以感受到同学们对于课程的喜爱，非常喜欢上金工课程，更加愿意在生活中去动手实践，制作一些小物品。
四、研究结论
本研究从STEM理念出发，结合金工课程的特点，设计出STEM教育模式并根据该模式，基于真实的问题情境，开展项目式学习方式。同时，在课堂教学之外，充分利用我校地处马尾经济技术开发区的地理优势，让学生真实感受金工知识在实际生产生活中的应用，带领学生参观物联网基地、高新技术企业和工厂，并邀请工程师来校做理论与实践方面的指导，提升学生的综合素质和问题解决能力。在教学实践后，通过调查问卷法、访谈法对学生学习效果、学习收获等进行分析，得出相关结论。我们发现：
（一）STEM 教学可以激发学生学习兴趣、加深对知识的理解、提高学习效果。
开展STEM金工课程教学使学生学习兴趣更加浓厚，知识点的习得更多、开放性更强。相较于传统的教学方式，STEM课程学习方式让学生的个性得到了更好的展现，学生对于实践的兴趣非常高，学生在实践中进行学习，在工程设计过程中，经历一个物品从无到有的过程，掌握了如何再次从基本的设计到成品制作的流程与技巧，提高学生的学习效果。
（二）STEM 教学可以提高学生的合作能力和科学探究能力
将 STEM 教育理念融入金工课程教学设计中，促进了学生的学习主动性。在教学过程中，学生通过小组合作，自己动手操作来获取科学知识，极大的增强了学生的自信心。学生在与同学交流时，能够更加准确的表达自己的观点，学生的沟通协调能力得到提高，在遇到诸多问题时的解决方式发生变化。在小组合作中进行任务分配可以更好地完成学习任务，提高学习效率。同大部分学生知道了工程设计的一般步骤，并且经过小组讨论修改可以设计出比较合理的设计方案，提高了学生的创新能力。
（三）STEM 教学可以提高学生解决真实问题的意识和能力
学生解决问题的方式由开始的先询问老师变为先与同伴商讨，商讨后仍未解决的问题会寻求其他小组的帮助，最后才会求助教师或者是互联网；学生认识到在金工实践课程中综合各个学科的知识可以更好地完成制作，并且愿意在以后的金工课程中经常进行运用综合知识解决问题，提高了学生综合运用知识解决实际问题的能力。
五、教学反思与建议
（一）教学反思
1.基于 STEM 的金工教学设计模式还不够全面
由于目前国内外关于基于 STEM 的教学设计研究的相关文献较少，对 STEM 的研究更是寥寥无几，因此在研究内容范围及对研究方面的理解可能会不够全面。基于此本文在构建基于 STEM 的初中金工教育模式，可能相对还不是很成熟，如在每一阶段针对融合 STEM 方面的设计还不够清晰。
2.针对金工课程的教学实践经验还不够成熟
作为STEM新手教师，在设计教学方案和对课堂的把控上仍然有很多不足,课堂上对学生根据实际情景提出的问题进行答疑和引导时，与学生的互动与沟通等方面，可能还存在一些缺陷。
（二）教学建议
1.教师需要拥有跨学科整合、设计STEM课程的教学能力。
参与到STEM教育中，需要教师能不断的启发学生，使之具备开放的思路、沟通合作能力以及较强的动手能力。需要教师不断启发学生、不断挖掘学生的潜能，这样对于学生的研宄会更深入，对于教学任务的布置会有更深层次的考虑，教师的教学能力也会得到显著的提升。
2.合作备课与授课的重要性
STEM课程主题是跨学科的，为了达到更好的教学效果，往往需要多名不同学科教师共同确定一个主题然后进行主题备课，共同商议授课环节，共同指导学生。但是这在现行分科教育的环境下是比较困难的，希望随着国家对于课程改革的不断深入，能够实施共同授课的STEM教育，培养更多具有创新能力且较强动手能力的学生。
3.实施有主题的实践活动能够促进教师教学方式的改变
STEM教育是在有主题的情况下，以实践活动为主要教学形式组织学生学习的。它以学生、问题、活动为中心的理念切合课程改革的趋势，很大程度上会帮助革除现有教学中的一些弊端。学生在主题探究中，不断探索，实现有意义的学习。同时，也会促进教师进行教学方式的转变，不是简单地把学生当作知识的接受者，而是让学生成为真正的学习者，教师则转变为课堂的组织者，教学活动的服务者，学生思维的引导者。
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课题项目：2018年度福州市教育信息技术研究课题成果【基于STEM教育模式下金工教学设计与实施】，课题编号：FZDJ2018B21