張碩司

目前，STEM教育發(fā)展迅速，是小學(xué)科學(xué)教師非常關(guān)注的教學(xué)研究領(lǐng)域。如何在一線教學(xué)中真正開展STEM教育是亟需攻破的難題。

2017年版《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出，小學(xué)科學(xué)課程是一門綜合性課程，要讓學(xué)生綜合運(yùn)用不同領(lǐng)域的知識和方法去理解自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題，并強(qiáng)調(diào)探究式學(xué)習(xí)的方式方法。一定程度上，科學(xué)課程可視作STEM教育的雛形。STEM教育是一種以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，它將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)有機(jī)地融為一體，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

目前的小學(xué)科學(xué)教材是以大單元的形式組合和呈現(xiàn)課程的概念框架和活動(dòng)框架，活動(dòng)性較強(qiáng)，有一系列典型的科學(xué)探究活動(dòng)及其科學(xué)的探究步驟，以深化學(xué)生對科學(xué)概念的理解、培養(yǎng)科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度，如研究電磁鐵磁力大小的實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)探究活動(dòng)是STEM項(xiàng)目中不可或缺的一部分。因此，小學(xué)科學(xué)教材內(nèi)容是很好的STEM實(shí)踐材料，科學(xué)教師可以根據(jù)教材的內(nèi)容來開發(fā)STEM項(xiàng)目，并在科學(xué)課堂上進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。下面，以“設(shè)計(jì)制作保溫箱”項(xiàng)目為例進(jìn)行闡述。

一、基于教材的STEM項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容的改編

STEM的主要特點(diǎn)是“跨學(xué)科整合”“基于問題的學(xué)習(xí)”“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”“真實(shí)情境下的活動(dòng)中學(xué)習(xí)”“合作解決問題”“學(xué)習(xí)者在探究中自主建構(gòu)知識”。因此，教師首先要在教材中選擇一個(gè)可以整合成項(xiàng)目來開展的內(nèi)容。

“設(shè)計(jì)制作保溫箱”項(xiàng)目內(nèi)容選自教科版五年級下冊第二單元“熱”。本項(xiàng)目圍繞“如何設(shè)計(jì)保溫性能好的保溫箱”開展。學(xué)生首先通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)來探究“不同的材料的保溫性能”，再通過工程設(shè)計(jì)與技術(shù)制作，完成保溫箱的原型制作，并通過測試與重新設(shè)計(jì)，改進(jìn)保溫箱，最后定型評價(jià)。而且，在科學(xué)探究中，學(xué)生利用可編程硬件“micro：bit”和溫度傳感器來設(shè)計(jì)個(gè)性化溫度計(jì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的紅水溫度計(jì)。

二、基于教材的STEM項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)的確立

2017年版《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》是教師確立教學(xué)目標(biāo)的依據(jù)。教師確定開發(fā)的教材內(nèi)容后，要找到課標(biāo)對應(yīng)的領(lǐng)域內(nèi)容和學(xué)段目標(biāo)，以此確定本項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)。教師確定教學(xué)目標(biāo)時(shí)，也能借此確定各個(gè)學(xué)科在本項(xiàng)目實(shí)踐中的作用。

“設(shè)計(jì)制作保溫箱”的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生通過做中學(xué)，學(xué)會應(yīng)用跨學(xué)科的知識和方法，并以此培養(yǎng)科學(xué)探究能力、創(chuàng)新能力、工程思維和計(jì)算思維。項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)分解如教學(xué)目標(biāo)分解表所示。

三、基于教材的STEM項(xiàng)目教學(xué)活動(dòng)的實(shí)踐

“設(shè)計(jì)制作保溫箱”項(xiàng)目的實(shí)踐活動(dòng)主要分成以下四部分。

1. 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，提出問題

學(xué)生在真實(shí)情景中的問題驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入項(xiàng)目學(xué)習(xí)。教師展示外賣騎手的相關(guān)資料，創(chuàng)設(shè)情境使學(xué)生關(guān)注“外賣箱”，并提出問題“外賣箱里食物的溫度是怎樣發(fā)生變化的”，然后教授“熱傳遞”的科學(xué)知識（教材上的知識點(diǎn)）;再介紹市場上保溫箱的結(jié)構(gòu)和材料，最后提出問題，進(jìn)入項(xiàng)目式的主題學(xué)習(xí)：“一個(gè)好的保溫箱有什么特點(diǎn)”“如果讓你設(shè)計(jì)一個(gè)保溫箱，你要采用什么結(jié)構(gòu)和材料”。

2. 科學(xué)探究與數(shù)學(xué)應(yīng)用活動(dòng)

通過科學(xué)探究方法和數(shù)學(xué)方法尋求“不同材料的保溫性能有什么不同”這個(gè)問題的答案。學(xué)生針對這個(gè)問題，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，作出假設(shè)，選取實(shí)驗(yàn)所需材料，然后小組討論如何用控制變量法來設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)方案。小組長匯報(bào)實(shí)驗(yàn)方案，大家點(diǎn)評，找出亮點(diǎn)，對不恰當(dāng)?shù)牡胤教岢鲂薷囊庖?，最終確定實(shí)驗(yàn)方案。

每個(gè)小組使用“Micro：bit”和溫度傳感器進(jìn)行編程設(shè)計(jì)個(gè)性化防水溫度計(jì)，然后用該溫度計(jì)進(jìn)行科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)。學(xué)生用數(shù)據(jù)圖表記錄數(shù)據(jù)，并生成折線圖來呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，再分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，判斷結(jié)論與假設(shè)是否一致。

3. 工程規(guī)劃與技術(shù)制作活動(dòng)

明確學(xué)生任務(wù)“設(shè)計(jì)并制作一個(gè)保溫性能好的保溫箱”。學(xué)生通過工程設(shè)計(jì)并動(dòng)手制作，完成制品，通過做中學(xué)，提升創(chuàng)新實(shí)踐的能力。首先，小組討論“如果讓你們小組設(shè)計(jì)一個(gè)保溫箱，你希望它有什么優(yōu)點(diǎn)”“如果讓你們小組設(shè)計(jì)一個(gè)保溫箱，你希望采用什么結(jié)構(gòu)和材料（里和外都描述清楚），理由是什么”等問題。然后完成設(shè)計(jì)方案。注意根據(jù)設(shè)計(jì)方案，在成本范圍內(nèi)選擇合適的材料。

學(xué)生根據(jù)自己小組的設(shè)計(jì)方案，利用已選的材料和工具，協(xié)作完成保溫箱原型的制作。接著進(jìn)行原型測試，分析測試結(jié)果，并討論出產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)與不足，修改設(shè)計(jì)方案。學(xué)生根據(jù)修改后的設(shè)計(jì)方案對保溫箱原型進(jìn)行修改，修改后再次進(jìn)行測試，最后定型。

4. 知識拓展與創(chuàng)意設(shè)計(jì)活動(dòng)

在這個(gè)活動(dòng)環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生走進(jìn)社會，把知識與社會生活聯(lián)系起來，如采訪外賣騎手和用戶，了解保溫箱的用途和需求;參觀保溫箱制造廠，了解保溫箱的制作流程和工藝。還可以根據(jù)需要，請學(xué)生發(fā)散思維，在自己小組的保溫箱基礎(chǔ)上改進(jìn)，設(shè)計(jì)一個(gè)富有創(chuàng)意或多功能的保溫箱，如加上定時(shí)提醒功能。

四、基于教材的STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)評價(jià)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)評價(jià)量表，橫向?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)班和對照班學(xué)生的思維和能力的變化。針對實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生，還要設(shè)計(jì)主題相關(guān)基礎(chǔ)知識測驗(yàn)試卷、PMIQ學(xué)習(xí)反思表、學(xué)習(xí)任務(wù)完成能力多元評價(jià)表。

有的教師在實(shí)踐STEM項(xiàng)目時(shí)，會因?yàn)檫^于關(guān)注技術(shù)制作和創(chuàng)意設(shè)計(jì)，而忽視了科學(xué)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)。所以要設(shè)計(jì)一個(gè)主題相關(guān)的基礎(chǔ)知識測驗(yàn)試卷來檢測學(xué)生對科學(xué)知識的掌握程度。PMIQ學(xué)習(xí)反思表可以幫助學(xué)生更好地反思自己的學(xué)習(xí)狀況，已學(xué)懂的知識、沒學(xué)懂的知識、還想繼續(xù)關(guān)注的知識、仍存在疑問的知識。學(xué)習(xí)任務(wù)完成能力多元評價(jià)表是對學(xué)生在這個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐過程中表現(xiàn)的評價(jià)，其更關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。

經(jīng)過課程開發(fā)實(shí)踐，筆者初步得出以下結(jié)論：第一，開發(fā)基于教材的STEM項(xiàng)目，可讓教師在自己的日常教學(xué)中使用STEM課程的理念與方法，利于STEM教育在一線教育中真正普及。第二，改編成基于問題的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)可以讓科學(xué)課變得更加有趣、高效。將內(nèi)容整合成項(xiàng)目教學(xué)后，學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)非常明確，他們的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)也會增強(qiáng);同時(shí)知識的聯(lián)系緊密性更強(qiáng)，更有利于學(xué)生建立知識體系。第三，技術(shù)與工程設(shè)計(jì)思想的融入，用書本的知識來解決現(xiàn)實(shí)中的問題可以加深學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用，提高了課堂所學(xué)內(nèi)容在現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)用性。第四，學(xué)生有更大的展示空間，發(fā)揮自己的創(chuàng)意。學(xué)生的創(chuàng)新思維、工程思維、計(jì)算思維、解決問題的能力和動(dòng)手實(shí)踐能力都得到了更多方位的鍛煉。

注：本文系廣東省STEM課題“小學(xué)STEM課程體系構(gòu)建與模式研究”（課題編號：2018GDSTEM003）的研究成果。

責(zé)任編輯 黃博彥