許 佳，信海鳳

近年來，加強科學、技術、工程和數(shù)學等學科融合的教育已經(jīng)成為國際教育界的熱門話題，同時也越發(fā)受到人們的重視。STEM教育融合了科學、技術、工程和數(shù)學，其正視了各學科間的內在聯(lián)系，注重了對學生綜合能力的培養(yǎng)。美國提出在知識經(jīng)濟時代，STEM是美國乃至世界都蓬勃崛起的前景學科，具有STEM素養(yǎng)的人才是全球競爭力的關鍵。［1］2017年《美國競爭力計劃》提出知識經(jīng)濟時代培養(yǎng)具有STEM素養(yǎng)的人才是具有全球競爭力的關鍵，并大力加強了對STEM教育的投入。［2］在英國、德國、芬蘭、以色列、日本、澳大利亞、韓國等國家，STEM教育同樣受到高度重視，廣泛開展促進STEM教育和人才培養(yǎng)的項目計劃。［3］

當今中國STEM教育并沒有完全模仿國外做法，而是結合國家和社會需要，匯聚社會各界力量，不斷探索STEM的實踐路徑。2017年，中國教育科學研究院發(fā)布《中國STEM教育白皮書》，提出了2029創(chuàng)新行動計劃。隨著STEM教育理念傳入中國并逐步被大力提倡，教育部出臺的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確指出有效利用信息技術推進建設，探索STEM教育模式，使學生具有較強的信息意識和創(chuàng)新意識。［4］將STEM課程引入小學科學課程中，深入加強學生的發(fā)明和創(chuàng)造能力，實現(xiàn)技術與工程的學習，成為中國小學科學的教學發(fā)展趨勢。［5］

“率性教育”有過程的歸納教學理念與STEM教育有著很多共通之處，可以說是不謀而合。學生在STEM教育過程中經(jīng)歷的就是科學家不停探究—反思—構建—改進—再反思的過程。在每一次的探究和反思活動中，都離不開“歸納”教學的方法，可以說，有過程的歸納教學在科學課中是無處不在的。所以“率性教育”有過程的歸納教學是可以指導STEM教育的。

一、設計原則

課題組選擇圍繞STEM項目式學習的行動研究為主，融合科學、數(shù)學、信息技術、美術、語文等多個學科，實現(xiàn)真實情境下的小學STEM項目式學習。目前，小學科學學科課程標準在實施建議中明確提出，“倡導跨學科學習方式，STEM是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，它將科學、技術、工程、數(shù)學有機地融為一體，有利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)”。

根據(jù)最新小學科學課程標準關于“工程與技術”課程目標要求，課題組通過將STEM課程與我校有過程的歸納教學理念融合開展系列化STEM項目的研究，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力、科學探究能力、空間想象能力、工程設計能力和綜合應用能力，使學生體會到工程和技術產(chǎn)品給生活帶來的方便和舒適，能將創(chuàng)意轉化為模型或實物。學生通過按圖裝配、按流程完成等程序性說明，完成產(chǎn)品組裝、討論設計圖、說明書和成品之間的關系等。

二、整體架構

基于STEM教育理念，依據(jù)有過程的歸納教學，設計多個STEM項目的行動研究案例，尋找科學、技術、工程、數(shù)學、美術學科的交叉點。

基于有過程的歸納教學梳理、歸納齒輪的工作原理，包括兩個齒輪和多個齒輪的原理。利用課堂觀察表來觀察學生原理掌握情況。

根據(jù)科學原理，準備設計實際應用的產(chǎn)品。例如，先剖析一種具有齒輪的物品，如八音盒，了解齒輪是如何應用的，分析研究其結構和作用，然后做計劃，明晰問題。

查閱資料，師生共同解決問題，進一步完善方案，畫設計圖紙。在畫設計圖紙時，可以由數(shù)學老師介入，解決計算和測量方面的問題。

動手制作產(chǎn)品，小評委評估產(chǎn)品，進一步改進完善。辦主題科技產(chǎn)品展覽會，展示交流研究成果。

以上過程為第一輪研究，研制的齒輪產(chǎn)品為第一代產(chǎn)品。課題組選用行動研究的方法，進行三輪行動研究。在第二輪、第三輪研究過程中，不斷反思、改進項目實施中出現(xiàn)的問題，以及通過問卷調查的方法了解學生學習后產(chǎn)生的問題，再迭代出第二代、第三代產(chǎn)品和實施方案或方法。

三、以“齒輪”單元為例的STEM單元設計實踐路徑

（一）學情調研與分析

課前，課題組針對齒輪的概念和應用問題設計了紙質版的調查前測問卷，問卷主要面向本次參與項目學習的學生。通過調研發(fā)現(xiàn)，學生對齒輪工作原理有一定的了解，但不懂具體的傳動等科學名詞。這個項目會大量使用機器人零件，多數(shù)學生沒有接觸過VEX IQ組件，但有玩樂高積木的基礎。參與調研的學生多為小學高年段學生，對繪圖并不陌生，但要針對自己或小組的想法，繪制項目設計圖紙，多數(shù)學生沒有經(jīng)驗。學生對于現(xiàn)有的市場上的產(chǎn)品，如汽車、手機等產(chǎn)品的工程設計制造流程并不清楚，在項目式學習方面也是零基礎，對項目式學習的流程并不清楚。

從以上的調研結果可以分析出，STEM教育與日常教學樣態(tài)有所不同，必然也會導致在開展項目式學習時，教師要與學生從零基礎開展，要多注重學生的“最近發(fā)展區(qū)”。對于齒輪相關問題，學生需要補充大量基礎知識，才能開展動手制作環(huán)節(jié)。而這些齒輪基礎知識的補充，一定要考慮學生的年齡特點和接受知識的能力。對于圖紙設計，學生沒有基礎，所以，教師可以選擇與美術學科融合，專業(yè)地去指導學生進行產(chǎn)品設計圖的設計?？傮w來看，學生所面對的是很多個“零”基礎，教師面對的是很多個“零”突破，這就需要科學地有條不紊地開發(fā)課程資源，扎實走好每一步。這也符合“有過程的歸納教學”對學習起點的要求，要從學生已有的經(jīng)驗出發(fā)。

（二）“齒輪”單元STEM設計案例

【單元名稱】小齒輪、大用途——齒輪歡樂谷的研究

【融合學科】科學、數(shù)學、信息技術、編程技術、VEX IQ結構搭建

【整體學習目標】

S——科學：齒輪的傳動、力學

T——技術：VEX IQ編程、信息技術

E——工程：VEX IQ結構搭建

M——數(shù)學：測量、計算

【適合年級】小學五、六年級

【材料準備】全套VEX IQ零件、素描紙、超輕黏土、鉛筆等

【實施計劃】本單元計劃安排6~8課時進行學習，主要涉及科學、信息、數(shù)學、美術三個學科內容，其他技術作為輔助內容。第一課時先明確齒輪的工作原理，認識和應用VEX IQ結構組件。學生通過搜集大量資料，學習基礎知識，為之后的學習奠定基礎。第二課時，學生要在教師指導下體驗齒輪陀螺實驗中，齒輪的工作原理，進行更加深入的研究。第三課時，根據(jù)任務和情境，學生以小組為單位選定本組的游樂場項目，將自己心目中的想法繪制成草圖。第四課時，學生要依據(jù)設計圖紙，進行VEX IQ搭建，形成第一代產(chǎn)品。第五課時，學生依據(jù)設計圖，進行搭建改進。第六課時，學生要針對團隊設計產(chǎn)品進行反思，發(fā)現(xiàn)新的問題，再次反思。例如，如何調節(jié)摩天輪的旋轉速度？如何使大擺錘可以360度旋轉，而不是180度旋轉？航天飛機的螺旋槳轉速達到多少才能夠起飛？如何利用身邊材料彌補VEX IQ零件的不足？如何用編程技術讓自己的游樂設施具有更多的功能？第七課時和第八課時可以用來開一個產(chǎn)品發(fā)布會，并邀請全校師生參與產(chǎn)品發(fā)布會，一起進行評價。

【教學實施】

1.補充齒輪基礎知識，奠定STEM研究基礎

在開展項目研究之前，課題組針對部分學生進行了前測，利用調查問卷形式了解學生對齒輪的前概念。通過對收集到的調查問卷進行分析發(fā)現(xiàn)，學生對齒輪工作原理有一定的了解，但不懂具體的科學名詞；多數(shù)學生沒有接觸過VEX IQ組件；對于現(xiàn)有的產(chǎn)品項目的工程設計制造流程并不清楚，如智能手機等。

學生已搜集了游樂設施相關資料，了解常見游樂設施的工作原理。在常規(guī)課堂中，學生已經(jīng)開展了齒輪相關知識學習，通過研究兩個齒輪之間的傳動作用，認識了齒輪的特點，對齒輪的轉動和傳動有了初步感受。

在VEX IQ機器人零件中，具有非常典型的五種齒輪模型，教師將這五種模型介紹給參與研究的學生，能夠使他們的思維更加發(fā)散，也能夠使他們初步了解VEX IQ機器人零件的齒輪組合方式，為之后的歡樂谷項目設計打下基礎。這些組合方式包括圓柱齒輪傳動、錐齒輪傳動、齒輪齒條傳動、蝸輪蝸桿傳動和鏈傳動，它們可以帶動結構件形成不同的運動，最終實現(xiàn)項目中的傳動需求。

2.探究齒輪工作原理，激發(fā)研究興趣

體驗齒輪陀螺活動是用兩個大小不同的齒輪在同一平面上轉動，然后將陀螺轉出并且自行旋轉的過程。體驗目的：體驗VEX IQ零部件組裝的技巧；體會齒輪傳動中如何能夠使所需齒輪在一個平面上；熟悉結構板的孔狀結構，會通過數(shù)孔的數(shù)量來計算軸和齒輪等零部件安裝位置；對整體結構進行把握；思考如何能夠使陀螺轉動更長時間。

這個環(huán)節(jié)引入了有過程的歸納教學中的原理歸納。學生通過猜想—實踐—記錄數(shù)據(jù)—分析結果—得出結論這樣的過程，最終歸納出齒輪的工作原理。不同于以往教學中教師給出原理，學生通過一定方式驗證的學習過程，學生通過“玩”齒輪歸納出原理，像科學家一樣模擬了“知識再發(fā)現(xiàn)”的過程。通過課堂觀察量表可知，學生非常有研究興趣，學習難度不大，卻很有成就感。

3.設計項目草圖，描繪未來場景

學生可以想象自己心目中的游樂場，設計草圖。值得注意的是，學生在設計中需要標注主要部分尺寸及所需零件數(shù)量，多關注VEX IQ機器人零件尺寸，這樣能夠縮小設計圖紙與實物尺寸差距。在繪制草圖時，可以是素描手繪圖，也可以選擇電腦3D建模繪圖，只要能夠畫出具備尺寸且有一定比例的設計圖即可。

4.根據(jù)設計圖紙，搭建實物產(chǎn)品

學生根據(jù)自己的設計圖紙進行結構搭建，搭建過程可以設計為兩節(jié)課的大課時，為學生提供足夠的時間和空間，這樣更有利于學生思維的連續(xù)性。搭建過程中常常遇到實物與圖紙尺寸不符的情況，學生要學習工程師的工匠精神，精益求精，不斷修正，最后呈現(xiàn)作品與設計圖紙進行現(xiàn)場比對。這也是本項目評價方式中的重要部分。

5.完善最初設計，交流反思提升

在展示交流過程中，學生要互相討論去解決遇到的問題。比如，如何調節(jié)摩天輪的旋轉速度？如何使大擺錘可以360度旋轉，而不是180度旋轉？航天飛機的螺旋槳轉速是多少才能夠起飛？如何利用身邊材料彌補vex零件的不足？如何用編程技術讓自己的游樂設施具有更多的功能？

項目評價也是STEM項目中的重要一環(huán)，課題組設計了分層的評價量規(guī)供學生進行自我評價、生生評價及師生評價。主要評價的項目包括：齒輪結構中，能否很好地體現(xiàn)游樂項目的細節(jié)，能否較為細致地表現(xiàn)項目裝置是如何運轉的；規(guī)劃邏輯性中，能否有目的地組合零件，能否提供些許支持性設施，結構規(guī)劃安排是否合理，有無漏洞等；分工合作時，有無明確的分工，每個團隊成員能否按照既定的任務有組織有條理地進行研究；藝術性上，設計有沒有一定的藝術性，是否美觀、簡潔、大方，制作是否具有美感；材料的選擇上，能否運用身邊易得材料進行搭建，材料的選擇是否恰當、巧妙，有無依據(jù)；最后的展示說明環(huán)節(jié)，小組展示語言是否清晰，描述是否準確，能否有效地體現(xiàn)設計意圖、特點和優(yōu)勢。根據(jù)評價標準，設置三種評價分數(shù)，通過評價過程獲得分數(shù)。學生在互相評價、交流中，也能學習他人設計的優(yōu)長之處，進一步完善作品。

四、結語

（一）STEM教育理念與“有過程的歸納”教學思想的有機結合，探索出STEM教育實施路徑

本項目通過將STEM教育理念與“有過程的歸納”教學思想的有機結合，探索出了STEM項目式學習的實施路徑，讓學生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題—搜集資料—頭腦風暴—嘗試設計圖紙—討論改進圖紙—搭建實物—再次改進—完成作品—不斷完善迭代的過程。有過程的歸納教學強調“從特殊到一般”，強調從學生個體和已有經(jīng)驗出發(fā)開展教學，課堂教學立足情境—具象、操作—體驗、對話—省思三個著眼點，盡可能還原知識產(chǎn)生、發(fā)展的情境，讓先驗的知識轉化為學生可經(jīng)驗、可體驗、可發(fā)展、可探究的過程。［6］在本項目中，學生通過多種實踐途徑，了解齒輪的構造和工作原理，從原有經(jīng)驗出發(fā)，可認為是有過程歸納教學的起點。學生通過學習歸納出科學原理，再次驗證科學家的研究結論，還原了知識產(chǎn)生和發(fā)展的情景。STEM教育的研究流程與“有過程的歸納教學”流程是可以有機結合在一起的，也是可以相互完善的兩種教育思想。正是在這樣的思維碰撞下，課題組探索出了STEM教育的實施路徑，將STEM項目式學習落實在本土教學活動中，對今后的STEM中國本土化研究奠定基礎。

（二）基于項目式的學習，經(jīng)歷工程設計之路

從學習原理到設計圖紙，最后學生看到自己設計的游樂項目，學生親身經(jīng)歷了從游客到設計者的轉變，完整地感受了一次工程設計之路。齒輪歡樂谷的研究進一步促進了學生對身邊事物的了解，激發(fā)了學生對身邊事物的研究熱情，比如對齒輪相關機械物件的關注。參與本項目研究的學生實現(xiàn)了從VEX IQ零基礎到搭建出自己的項目的“零”的突破。在整個STEM項目的體驗過程中，學生體會到了學科融合帶來的思考方式上的轉變和沖擊，對思維的培養(yǎng)有一定促進。

（三）科學有效地開發(fā)課程資源，彌補學科不足

六年級學生在科學教材中已經(jīng)學過自行車上的齒輪作用，了解了齒輪的基本結構，但對于齒輪的工作原理及應用部分知之甚少。而齒輪在人類日常生活或工業(yè)制造中都有廣泛的應用，所以，將“齒輪”相關內容作為一個項目深入研究是非常有必要的。對于“齒輪”課程資源的開發(fā)，緣起于學生的業(yè)余生活，歡樂谷即游樂場，深受學生喜愛，基于學生對游樂設施的體驗，讓他們了解其中機械制動這些游樂設施的關鍵部位——齒輪的作用，經(jīng)歷設計并制作齒輪歡樂谷，學習齒輪的作用。課題組在STEM教育與“有過程的歸納”兩種思想指導下，根據(jù)現(xiàn)有問題，科學有效地開發(fā)了“齒輪”課程資源，彌補了學科內容不足。

（四）打破學科界限，融合多學科教學

在這個項目中，學生圍繞“齒輪”這一項目和創(chuàng)設情境下產(chǎn)生的問題，展開研究。研究過程涉及科學、信息技術、數(shù)學、美術、編程等多個學科的知識和技術，不同于常規(guī)課堂教學，項目實施過程打破了學科界限，由問題引導綜合多學科和多門技術進入教學活動，讓學生在教師的引導下，進行有邏輯、有方法、有目的的虛擬建設活動，不再是游客而是游樂設施的建造者，能夠培養(yǎng)學生的項目意識、知識的綜合運用能力和動手實踐能力。

“齒輪”項目設計把學科融合的重點放在關注工程設計和實際生活的聯(lián)系，因為現(xiàn)實生活中的工程設計問題不是把各個學科知識技能割裂開，而是綜合運用它們去實現(xiàn)工程設計?，F(xiàn)實生活中，解決實際問題也是沒有學科界限的，但是現(xiàn)在學生課堂依然是嚴格的分科教學，那就更需要這樣的項目式學習去補充日常的分科教學。在提高綜合運用能力的同時，也要拓寬教師和學生的視野，對此，STEM項目就成為一個典型的綜合多學科教學的案例，為融合課程的開展奠定了基礎。