STEAM教育理念下的电子科学项目教学研究

摘要：STEAM教育作为一种新兴的强调跨学科知识融合的教育理念，日益受到社会的关注，它是在设定的情景环境中通过多学科的知识运用，开放式的探究以及团队协作来完成特定的项目目标，在这个过程中获得相关的知识。文章以电子科学为基础，将物理学、材料学、计算机科学等学科的知识融入其中，设计了一套STEAM教学实践项目，旨在探究一种跨学科、整合型的新型课程。项目以STEAM教育的5个核心要素（科学、技术、工程、艺术、数学）为中心，探究在STEAM教育过程中各学科之间的连接点，构建项目学习的知识体系以及对学生各项能力的培养。

关键词：STEAM教育；STEAM教学实践项目；电子科学

中图分类号：G436文献标识码：A文章编号：1674-7615（2018）05-0068-06

DOI：10.15958/j.cnki.jywhlt.2018.05.013

STEAM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）和数学（Mathematics）五门学科的缩写。在当前知识信息化的时代，教育行业为了培养能够更好的适应社会的人才，提出了改变原有的教育模式，发现和探索更加智能化、个性化和综合化的教育理念的倡导，STEAM教育这个新的教育理念正被世界各国所重视。STEAM教育是将科学、技术、工程、艺术、数学这五门学科的知识体系进行交叉融合，使各学科之间相互联系进而形成一个有机整体，这一理念源于美国的实用主义哲学，最早于20世纪50年代开始萌芽，起初只有四门课程统称为STEM，之后美国学者Georgette Yakman认为在原有的基础上加入艺术（Art）元素可以使得STEM教育变得更加的全面，这一观点得到了教育界的普遍认同。[1]

STEAM教育旨在培養学生的五种基本素养，包括科学素养，技术素养，工程素养、艺术素养以及数学素养。美国州长协会（National Governors Association）2007年颁布的“创新美国：拟定科学、技术、工程与数学议程（Innovation America：Building a Science，Technology，Engineering Math Agenda）”共同纲领中指出，在知识经济时代，只有具备STEAM素养的人才能在激烈竞争中取得先机，赢得胜利。学者们认为，STEAM素养是个体在科学、技术、工程和数学领域以及相关交叉领域中运用个人关于现实世界运行方式的知识的能力。[2]由此可见，STEAM教育不是将各学科的知识机械性的传授给学生，而是通过将各学科的知识融入到项目中去，让学生在完成项目的同时获得知识并能够灵活的运用。

STEAM教育的特点是跨学科融合，这就要求在STEAM教学中必须将各门学科紧密相连，以适当的方式引导学生掌握知识和技能，并能够用自己所学去解决现实生活中的问题。现有的也是最常见的STEAM教育方式有两种，一种是基于项目的学习（Project-Based Learning），一种是基于问题的学习（Problem-based learning）。本文采用基于项目的STEAM教育研究方法。学者黎家厚认为基于项目的学习的中心是学习、研究学科的概念和原理，学生为了解决问题，通过亲身参加某个活动项目的调查和研究，从而建构起属于他们自己的知识体系，并能够在实际生活中运用到已学过的知识。[1]基于项目的学习方法主要是通过给学生一个在特定的情境下的目标，让学生灵活运用各学科知识，组成小队相互之间交流合作来通力完成任务，其目的就是为了让学生将所学知识融会贯通并能够在将来解决实际中的问题。在整个学习过程中，学生是项目的参与者与主导者。

STEAM教育作为一种新兴的教育模式，发展的还不够成熟，各方都在努力探索一种更为高效的教学方式。鉴于此，我们提出了一种新的以电子科学为基础，整合多种学科的教学方法；在项目中我们提出了一种STEAM教育实践项目新概念如图一所示，以项目教学为主线，切实做到“讲科学、学技术、做工程、求艺术、究数学”，探索一种高效的STEAM教学方式。在我们的研究项目中以电子科学中的“秒表”项目为例，分别从科学、技术、工程、艺术和数学五个方面探讨其在项目中的应用与联系，记录学生们在项目中的团队合作能力，项目操作能力，语言表达能力等。

一、STEAM教学实践项目案例分析

STEAM教育强调从现实的问题出发，提供切合实际的情境。我们以运动场上运动员们争分夺秒争得冠军为情景导入，将“创造出一个可以精确计时的秒表”作为项目的目标，在制作过程中了解时间的发展历史，学习秒表的工作原理。整个项目的学习过程中涉及到了初中的直流电，交流电等物理知识，应用到了时钟电路，复位电路，数码管显示电路等电子科学知识，使用电子元件，电路板等材料学的知识，以及电路的设计，秒表的外观等艺术性的培养。学习将直流电转换为交流电，将二进制转化为十进制，明白秒表在电路上实现的原理。整个项目采用制造型应用模式，制造型STEM教育应用的目标是完成一个具有实际应用价值的物品，并在制造过程中培养学习者的STEM综合能力。在项目中教师引导学生综合运用各学科知识完成秒表的制造，重点培养学习者的工程实践能力。[4]教师提供制造秒表的电子器件，教给学生秒表的实现方法，然后让学生进行自由的发挥，并在完成之后进行分享和交流。

本次项目的题目为“精确的秒表”。项目的要求是制造一个开机显示“00”，时间范围为00～99秒且每秒加1的秒表，设置开始、复位、停止键。项目的目标是让学生增强动手实践能力，了解电子科学中的相关知识，培养学生的创造力和创新能力，让学生能够在生活中懂得时间的宝贵。

（一）“零距离”接触科学

科学（Science）是认识世界的实践方法，通过将知识细化分类进行研究，最后形成各自的知识体系。STEAM教育旨在教学过程中让学生走近科学，认识科学，运用科学，培养学生的科技素养。在教学过程中强调知识与生活的融合，提高能力的培养。在本案例中，科学培养涉及到自然科学，电子科学，物理学，计算机科学等学科领域。

1电子器件的科学认识

在“精确的秒表”项目中，为了完成秒表的制作，电子器件是必不可少的组成部分。电子科学正是一门以器件的认知与应用为线索的学科，而了解电子器件的作用对理解电子科学这门学科是非常重要的。对于STEAM教育来说，电子器件的认知不仅仅增加了项目的趣味性，还使得项目更加的多元化，更加丰满全面。在STEAM教育中，我们依托“精确的秒表”这一项目向同学们介绍一些在项目中用到的电子器件。

（1）认识秒表的“大脑”—单片机

在STEAM教学过程中时，采用日常生活中的单片机为课题与学生进行互动，在互动过程中完成对单片机的介绍，列举出生活中使用单片机进行工作的例子，引起学生的共鸣和兴趣。单片机是一种把中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、多种I/O口等功能集中到一块硅片上的微型计算机系统。以图解的形式简单的向学生呈现出单片机的内部结构，其中穿插着技术和工程方面的思想让学生了解单片机的设计和制作工艺，了解材料学，化学，物理学在这其中的应用。单片机之所以被称为“大脑”是因为它能够控制其他的电子器件，协调它们的工作，这其中就应用到了计算机科学，学习程序设计是使用单片机让秒表精确计数的重要方式，这就需要学生们相互之间进行交流和合作。

图2单片机功能展示图（2）认识秒表的“眼睛”—数码显示器

在秒表中LED数码显示器如同人的眼睛一般，它的作用是让人们能够看到秒表显示的时间。LED数码显示器是七个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，由内部引线控制二极管的开关，使他们展现出不同的数字。进行项目教学时，我们以生活中的显示器为切入点，引入数码显示器的概念，详细讲解数码管显示器的工作原理使学生体会到电子科学这门学科的逻辑思维，再以现场演示的方式向学生们展示数码管显示器的应用，激发学生的兴趣。

（3）认识秒表的“心脏”—晶振

晶振，也被称为石英晶体振荡器，是利用石英晶体片制成的，当石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动给秒表提供时钟信号。晶振如同人的心脏一样具有稳定的频率震荡系数，它能够产生标准的脉冲信号，广泛的应用到数字电路中。在STEAM教育中，通过生物学上的心脏给人体循环提供动力来解释晶振在整个电路中为秒表提供时钟信号。这种多学科融合的概念讲解能够让项目内容更加生动科学，充满趣味。

2电路的科学讲解

电路是电子科学中的基础，不管是电路的串联、并联，还是单回路电路，多网络分析，都是认识和学习电子科学必不可少的。在STEAM教学中，学生们通过完成项目来认识一些简单的电路。

（1）时间产生—时钟电路

从石英晶体振荡器开始入手引出时钟电路的概念，时钟电路就是产生像时钟一样准确运动的振荡电路，按时间顺序进行工作。是一种用于产生时间脉冲的电路。时钟电路一般由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容组成。在秒表的制作中，时钟电路给秒表提供时钟脉冲，产生时钟信号，使得秒表能够正常的工作。

（2）从零开始—复位电路

复位电路是一种通常使用电阻和电容组合来使电路恢复到起始状态的电路设备，利用它把电路恢复到起始状态，就像计算器的清零按钮一样。复位电路的复位方式一般有两种：一种是手动复位；另一种是上电复位。本次秒表项目采用的是手动复位，通过按键使电路接通，电容充电达到高电平，实现秒表的复位。

（3）实时展示—数码管显示电路

数码管显示电路的主要作用是通过单片机控制LED数码管（发光二极管），以实现数码管LED屏幕数字输出的动态显示效果，秒表的时间值就是通过数码管屏幕展示的。在了解控制数码管的显示之前，一定要了解电子科学中的二进制与八进制，十进制之间的相互转换。

（二）“手把手”学习技术

技術是人们为了实现目标而使用科学理论、经验、工具、设施等方法的综合。技术作为一种生活必备的技能可谓包罗万象，它渗透到了每一种学科门类中，例如计算机技术、电子技术、生物技术、工程技术等等。学习技术有助于学生在学习、生活中有效解决问题。在STEAM实践教育过程中，实践是教学的主要方式，而技术是实践的重要方法，学生通过有效率的实践来完成秒表的开发。在秒表的制作过程中，学生需要学习电路板的设计、焊接、测试等技术来完成主板的制作，这对学生的项目操作能力，整体布局设计能力，动手实践能力都有很大的提高。

1科学布局—电路板的设计

电路板的设计好坏决定了电路板是否被采用，好的设计能够使电路板线路更加整洁，故障的概率更小同时占用更少的空间。学习电路板的设计有助于提高学生的整体布局能力，空间利用能力。在设计电路板时，首先在专业软件中将所需电子元件选择好，之后才进行电路的设计和连接。在教学过程中，采用PCB板作为秒表主板的制作平台，学生需要在此基础上完成结构设计，布局布线，总体优化，线路检查等工作。

2能工巧匠—电路板的焊接

电路板的焊接技术是电子技术科学中的必备的一门技术，在电子工业的生产中应用非常的广泛。焊接技术门类繁多，在教学中我们采用最基本也是最简单的锡焊技术，所使用的工具也是简单的电烙铁和锡条。动手焊接时，在保证整个焊接过程安全的前提下，教师先向学生们讲解说明各种电子器件的辨识，在传授焊接的基本技巧并现场演示，最后让学生在PCB板上将自己设计的秒表焊接上。

3细致入微—电路板的测试

电路板的焊接很容易出现虚焊等问题，操作不当可能导致整个主板不能正常的工作，因此对电路板进行检测是必要的。当电路板不能正常工作时，使用万用表对电路进行测试是找出错误的常用方法。在教学过程中，教师将电路板检测的方法与技巧教授给学生，让学生自己找到错误并改正，这一过程有利于培养学生的耐心，提高专注能力，使学生有成就感。

（三）“勤思考”建立工程

工程是指以某一设想为目标，通过使用相关的科学知识和技术手段，来制造完成人们期望的实物，是将科学、数学、技术、艺术等领域结合起来的综合学科。在工程的构建过程中，学科的融合应用显得至关重要。在STEAM实践教学中，通过对工程的构建，来了解在工程建造中需要的科学、技术手段，思考在工程建造中可能存在的问题，这对各学科的联系和讲解有很大帮助，构建工程能有助于学生思维更加缜密，逻辑清晰，能够学会从多学科，多维度，多角度去分析和解决问题。

发现问题，确立目标：在工程的构建过程中，项目的确立往往是在有了相关的需求之后。古人为了方便对年、月、日进行描述，或便于记录当年发生的大事，便发明了时间这一概念，随着科学技术的发展，慢慢就有了秒表，能够精确的记录时间。在STEAM教学中，教师通过提出问题，分析问题，引导学生去解决问题并确立本次项目设计的目标，培养学生根据需求解决问题的能力。

考虑周详，工程设计：工程目标确立之后，需要对工程项目进行详细的调查，包括信息资料，发展趋势，环境，物品价格等，还要调查是否已经有相似物品，防止重复劳动。调查取证后就要根据调查结果以及产品需求进行科学的设计。在STEAM教学中，教师给出制造秒表所需的工具以及电子器件，引导学生思考秒表适合在什么环境下工作，什么样的环境会影响秒表的正常使用，秒表的适应人群是什么等，并对其中的一些问题进行科学解释，最后让学生根据自己的想法来设计秒表。

检测设计，完成项目：得到工程的设计图纸。并不能马上就投入制造，设计有时是不切合实际的，我们必须对设计的项目进行检测以确保项目完成时能够达到预期的目标。检测设计有很多种方法，例如计算机仿真，简易模型的搭建等。当确保设计合理，能够运行时再开始项目的建造。在STEAM教学中，教师使用计算机软件对学生设计的秒表进行检测，纠正错误的部分并进行解释，在确保学生创造力的前提下辅助学生更改错误，检测无误后将元器件焊接到电路板上，完成对秒表的制作，最后检测秒表是否能够正常工作。

（四）“敢想象”创作艺术

艺术是人的知识、情感、理想、意念综合心理活动的有机产物，是人们现实生活和精神世界的形象表现。与科学不同的是，科学注重“发现”，而艺术更加注重“创造”。艺术表达是拥有独立的人格和自由思想的个体，发现美，认识美，感知美并借用艺术意识表达内心情感的能力。在STEAM教育中加入艺术元素是为了在自然科学的教学中增加学习者对人文科学和社会科学的关注与重视。[3]艺术强调的是创造，将自己的思想借用现实中的事物表达出来。学生在制作秒表的过程中，也是他们进行艺术创造的过程，将他们对于时间的理解，对产品用途的理解，和自己的情感注入到秒表的设计中去。学生将自己的作品进行展示时，不仅仅为了将作品展示给他人，还为了让学生们表达他们的思想，促进友好的交流。因为艺术是一门注重人文科学和社会科学的学科，因此在进行艺术指导时，有必要对相关的历史，人文，地理等知识进行相关的讲解，例如秒表项目，就可以向学习者们普及关于时间发展历史。

1时间的发展历程

STEAM教育要求学生能够从多角度，多学科，多维度去看问题，STEAM项目也要原

于真实的生活并且具有趣味性。古人从结绳记事开始，一点一点的了解，记录时间，先是观天象，看日月星辰，后来使用沙漏，蜡烛，最后发明了时钟。人们对于时间计算的越来越精准，对时间也越来越珍惜。了解时间的历史不仅能够向学生们普及自然科学的知识增加趣味性，还能够帮助他们更好的理解秒表。

2秒表制作中的艺术

在秒表项目中，艺术可以体现在电路的设计布局，秒表的功能，整体的外观设计上。在对PCB板进行设计时，可以将电路按照功能的不同分成不同的模块，再将不同的模块在PCB板上进行合理的连接，使得信號能够顺利进行传输，同时模块内的电路也可以进行合理的设计，简化电路，使电路更加简洁。在秒表的功能上，可以根据喜好增加相关的功能，例如利用计算机学科的编程知识增加时，分，秒的时间计算，或者加入万年历，闹钟等功能。在整体外观设计上就可以自由发挥，充分体现出学生的特点。

（五）“细钻研”探究数学

数学一词最早源于古希腊语，有学习，学问，科学之意。数学应用非常广泛，小到日常生活，大到科学研究都离不开数学，对数学的培养不仅仅是为了提高算数能力，更是为了培养人的数学思维。研究数学能够提高学生的计算能力，空间思维能力等，使人们的思维具有逻辑性，严谨性，客观性。在STEAM教育中，数学思维的运用贯穿在整个项目中，在制作秒表的过程中，电子器件的使用，电路各种参数的设定，秒表的编程，电脑软件的仿真都需要应用到数学。

在电子器件的使用中，电子器件的选择，包括器件的参数，使用的个数等等都与数学有关；在进行电路的设计时，电路的并联，串联等都会给整个电路带来不同的使用参数，必须使用数学知识对电路各个节点的数据进行计算，来达到需要。秒表的编程需要运用计算机科学中的编程语言，学习使用二进制，八进制，十进制的互相转化也需要用到数学的知识。电脑软件的仿真需要看懂电路产生的时序图，时序的正确与否直接关系到秒表的正常使用，这也涉及到数学知识。总的来说，在秒表项目中，基本体现了对学生数学思维的锻炼，数学素养的培养。

二、STEAM项目实践研究

STEAM教育作为新兴的教育理念，强调跨学科的知识融合，不再以学科为教育的重点，而是通过解决特定的问题来学习知识，是一个不仅重视结果性知识同时还注重过程性知识的创新理念。以电子科学为中心的STEAM教育实践项目不仅融合了多学科的知识，还将它们巧妙的融入到了制作过程中。实际物品的制作不仅增强了实践性，还使整个过程充满趣味，增强了团队交流的能力。基于此，以电子科学为中心的STEAM教育实践项目有着远大的前景。

在实践中，我们成立了STEAM创新教育工坊，选拔师范类具备不同專业背景的学生，设计了一整套以电子科学为基础的STEAM教学项目，以“讲科学、学技术、做工程、求艺术、究数学”为宗旨，开展STEAM项目实践研究。我们根据电子科学的学科特色以及特征制定了STEAM教育的教学方法。1实际生活中的真实问题。依托现实生活中的常见现象或物品引出问题，增强代入感和兴趣，以问题为导向促使学生去解决问题，以学生为中心，注重在过程中互动学习。2动手实践为中心。以电子科学中的简单项目为目标，以工程设计为主体融入多学科知识与技术，增强动手实践能力，工程性思维和创造力，使学生能够合理的规划项目，提高学生的综合能力。3强调开放式的探究。STEAM教育过程中，允许学生进行自由的探索，将自己的想法付诸于现实，教师在教学过程中起到引导的作用，帮助学生实现想法或指出错误。4进行团队合作。学生在实践过程中可以组成一个富有成效的团队，在进行设计或搭建工程时可以进行交流与合作，这有利于学生想法的交换，提高工作效率，增强与人交流，团队合作的能力。5学习内容贴合学生本身。在进行项目教学时，教学项目中所涉及到的知识一定要是学生正在学习的或者已经学完的知识，教学的内容要严谨，让学生体会到所学知识的重要性，能够运用知识解决生活中所遇到的问题。6分享反思。对完成的作品进行检查，对于成功的作品，鼓励学生与同学进行分享交流，不成功的作品，我们进行错误的纠正，在纠正的过程中让同学进行反思。

[8]它从真实问题出发，以多学科交叉融合的理念为指导，有利于解决学校课程滞后与科技进步的矛盾。学习者在STEAM培训过程中，通过解决问题，将以电子科学为中心的学科内容加以整合，学习工程设计和技术手段，扩宽视野，对各学科的知识融会贯通，以便在未来解决类似问题，更好的适应21世纪智能化和信息化的社会。

三、结语

以电子科学为核心的STEAM教学实践课程是实施STEAM教学的有效方式之一，通过实践项目，将物理学、计算机科学、材料学等学科融入到STEAM项目中。在项目实施过程中，从真实问题出发，将实践性，动态性，实景趣味性等原则融入其中，使学生自主研究探索。在研究过程中，促进学生之间的交流和合作，通过掌握工程设计，相关技术完成对项目的开发。在整个项目体系中，以工程实践能力为主导，培养学生的综合实践能力。因此， STEAM教学实践项目能为工程融入中小学教育提供参考。

综上可见，STEAM教育是一门具有跨学科，趣味性，体验性，情境性，协作性，设计性，艺术性，实证性，技术增强性的融合性学科。[2]这是一个克服传统教学方式缺陷的探索，为教育工作者提供了一种新的思路。因此，我们提出以电子科学为基础，以工程设计为中心，多学科融合，探索新式师生互动的教学新模式。

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