小學(xué)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科“課堂教學(xué)與STEM理念的融合”教研活動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

◎ 朱 鈺

一、背景與基礎(chǔ)

（一）選題背景

STEM教育將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)進(jìn)行跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的融合，充分發(fā)揮STEM教育綜合性、多樣性、開(kāi)放性和趣味性等特點(diǎn)，引起眾多教育研究者的關(guān)注。教育部2017年頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在課程內(nèi)容中明確增加了“技術(shù)與工程”領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)科學(xué)教育從分科到綜合的探索嘗試。開(kāi)展課堂教學(xué)與STEM理念的融合，注重科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科的綜合運(yùn)用，從教學(xué)實(shí)踐和反思過(guò)程中積累經(jīng)驗(yàn)與不足，可以為基礎(chǔ)性課程小學(xué)科學(xué)教育的改革發(fā)展和廣大教師教學(xué)實(shí)踐提供借鑒與思考。

小學(xué)科學(xué)與技術(shù)是上海市“二期課改”研制的具有啟蒙性、綜合性的特色基礎(chǔ)型課程，教材內(nèi)容結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化整合，更加凸顯項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、主題式學(xué)習(xí)、真實(shí)問(wèn)題解決、動(dòng)手實(shí)踐等特征。其學(xué)習(xí)方式的多樣性，為開(kāi)展課堂教學(xué)與STEM理念的融合提供了可行性。上海市虹口區(qū)小學(xué)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教研團(tuán)隊(duì)選取滬教版小學(xué)科學(xué)與技術(shù)教材，嘗試開(kāi)展課堂教學(xué)與STEM理念融合的教學(xué)實(shí)踐研究。

（二）教研基礎(chǔ)

本次教研活動(dòng)既是學(xué)科教學(xué)改革的大膽嘗試，又是師資隊(duì)伍建設(shè)的有力推進(jìn)；既呈現(xiàn)了學(xué)校學(xué)科的整體規(guī)劃，又展示了區(qū)域團(tuán)隊(duì)的實(shí)踐研究。

（1）基于教材內(nèi)容開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)?？茖W(xué)與技術(shù)學(xué)科的中心組成員作為開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的先行者，吸納區(qū)域內(nèi)青年骨干教師組建實(shí)踐團(tuán)隊(duì)，近年來(lái)梳理了教材中有關(guān)技術(shù)、設(shè)計(jì)和工程等百余個(gè)教學(xué)內(nèi)容，以項(xiàng)目任務(wù)的形式開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，通過(guò)設(shè)計(jì)制作、交流展示、團(tuán)隊(duì)合作、比賽評(píng)優(yōu)等形式與方法，為促進(jìn)融合的學(xué)習(xí)積累了大量素材和案例。

（2）參與式培訓(xùn)提升教師對(duì)STEM的理解。為了讓教師們能深刻體會(huì)到STEM教育的融合性，學(xué)科開(kāi)展了參與式的教師培訓(xùn)，在培訓(xùn)中對(duì)教師進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換，讓教師以學(xué)生的身份參加到真實(shí)的STEM項(xiàng)目活動(dòng)中去。從小組分工、工程設(shè)計(jì)到合作制作，教師在活動(dòng)中感受學(xué)生的所思所想，在真實(shí)的體驗(yàn)中提升對(duì)課堂教學(xué)與STEM教育融合的理解。

（3）結(jié)合學(xué)校特色開(kāi)展綜合實(shí)踐活動(dòng)。目前學(xué)校的科技活動(dòng)從課內(nèi)到課外、從游戲到競(jìng)賽內(nèi)容形式豐富多彩，很多科技活動(dòng)非常注重學(xué)生工程實(shí)踐、發(fā)明創(chuàng)造等能力的培養(yǎng)，因此在開(kāi)展科技活動(dòng)過(guò)程中也可以與STEM理念融合，提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

二、設(shè)計(jì)與實(shí)施

為了充分體現(xiàn)小學(xué)科學(xué)教學(xué)融合STEM的教育理念，我們選取了科學(xué)與技術(shù)教材中部分成熟案例進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、重新打磨和精心準(zhǔn)備，通過(guò)科技體驗(yàn)、課堂教學(xué)、案例分享等具體活動(dòng)，展示學(xué)生綜合運(yùn)用不同領(lǐng)域的知識(shí)和方法解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程。

（一）活動(dòng)設(shè)計(jì)

（1）期望目標(biāo)。通過(guò)教研活動(dòng)，與各區(qū)教師交流課堂教學(xué)與STEM理念融合的方法和路徑；探索有助于實(shí)踐STEM教學(xué)的案例設(shè)計(jì)與實(shí)施策略，積累整體STEM 項(xiàng)目與課堂教學(xué)實(shí)踐的案例，提煉經(jīng)驗(yàn)并交流反思；借助現(xiàn)場(chǎng)教研和網(wǎng)絡(luò)教研相結(jié)合的方式，資源共享，發(fā)揮教研活動(dòng)的引領(lǐng)與輻射作用。

（2）活動(dòng)方式。本次教研活動(dòng)聚焦“融合”主題，以多種形式對(duì)STEM項(xiàng)目的挖掘與實(shí)施進(jìn)行展示交流，從科技活動(dòng)的體驗(yàn)、課堂教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)案例分享等多方面落實(shí)，通過(guò)多層面、多角度來(lái)推進(jìn)課堂教學(xué)與STEM理念的融合。采用線下教研活動(dòng)與線上網(wǎng)絡(luò)教研相結(jié)合的方式，以上海教研在線為平臺(tái)，觀看教研活動(dòng)的教學(xué)展示課、主題發(fā)言和案例交流，教師以發(fā)帖和回復(fù)的形式發(fā)表意見(jiàn)和建議，使更多的教師能夠?yàn)镾TEM活動(dòng)的開(kāi)展獻(xiàn)言獻(xiàn)策。

（3）活動(dòng)流程。本次教研活動(dòng)包括五個(gè)部分，分別是科技活動(dòng)體驗(yàn)、課堂教學(xué)展示、主題交流發(fā)言、教學(xué)案例分享、專家點(diǎn)評(píng)寄語(yǔ)。

（二）活動(dòng)準(zhǔn)備

市、區(qū)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教研員，虹口區(qū)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科中心組以及華師大一附中實(shí)驗(yàn)小學(xué)科學(xué)與技術(shù)教研組共同商定了科技體驗(yàn)活動(dòng)板塊中，19個(gè)班級(jí)“科技周周樂(lè)”以及“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”開(kāi)放展示的具體內(nèi)容；確定課堂教學(xué)展示課題是“紙船承重”STEM項(xiàng)目中的第四環(huán)節(jié)“測(cè)試優(yōu)化和解決問(wèn)題”（該項(xiàng)目與科學(xué)與技術(shù)三年級(jí)“浮力的研究”教學(xué)內(nèi)容相融合）；確定交流發(fā)言主題為“促進(jìn)融合的學(xué)習(xí)”；確定由3所學(xué)校分別交流4篇STEM案例。相關(guān)教師和人員一起參與了STEM項(xiàng)目的開(kāi)展和指導(dǎo)，并進(jìn)行了集體備課、課堂教學(xué)研究和案例修改工作，為教研活動(dòng)高質(zhì)量、高效率地順利開(kāi)展做好準(zhǔn)備。

教研活動(dòng)的前奏是參觀體驗(yàn)華師大一附中實(shí)驗(yàn)小學(xué)的“科技周周樂(lè)”與“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”?！翱萍贾苤軜?lè)”以科技小游戲、小競(jìng)賽的形式每周在班級(jí)輪換進(jìn)行，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性地思考問(wèn)題，團(tuán)結(jié)協(xié)作地解決問(wèn)題?；顒?dòng)當(dāng)天，19個(gè)班級(jí)開(kāi)展了“紙杯創(chuàng)意”“不走的球”“小建筑師”等生動(dòng)有趣的科技活動(dòng)，吸引了與會(huì)教師和學(xué)生一起探究其中的奧秘。“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”所展示的“機(jī)械抓斗”“運(yùn)水機(jī)器人”等上百件作品，都是學(xué)校開(kāi)展科技教育活動(dòng)的成果。正是因?yàn)閷W(xué)生們長(zhǎng)期浸潤(rùn)在各種科技活動(dòng)中，因此在參與STEM項(xiàng)目時(shí)，其動(dòng)手能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力時(shí)常都會(huì)呈現(xiàn)出令人意想不到的效果。

（三）具體實(shí)施

1.課堂教學(xué)展示，嘗試STEM教學(xué)片段

課堂教學(xué)展示的內(nèi)容是“紙船承重”STEM項(xiàng)目中的第四環(huán)節(jié)“測(cè)試優(yōu)化和解決問(wèn)題”。課前執(zhí)教教師對(duì)開(kāi)展該項(xiàng)目的背景和流程作了介紹，項(xiàng)目融合了科學(xué)與技術(shù)教材中“浮力的研究”這一教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生在環(huán)節(jié)一“引入問(wèn)題和確定需求”過(guò)程中，確定項(xiàng)目?jī)?nèi)容是“制作一艘既大又輕，質(zhì)量不超過(guò)30克且能承重的紙船”。環(huán)節(jié)二“調(diào)查研究和學(xué)習(xí)支持”，學(xué)生通過(guò)3課時(shí)的學(xué)習(xí)了解有關(guān)浮力的知識(shí)，知道改變物體沉與浮的方法。環(huán)節(jié)三“分析觀點(diǎn)和建立模型”，學(xué)生運(yùn)用已掌握的科學(xué)知識(shí)和技能，設(shè)計(jì)紙船模型圖紙，制作紙船，經(jīng)過(guò)初次下水嘗試，又發(fā)現(xiàn)紙船設(shè)計(jì)存在防水的缺點(diǎn)，于是進(jìn)行改進(jìn)。環(huán)節(jié)四“測(cè)試優(yōu)化和解決問(wèn)題”是教研活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)展示的內(nèi)容，學(xué)生們展示了自己設(shè)計(jì)并制作的紙船，開(kāi)展了紙船承重的挑戰(zhàn)，在學(xué)生們緊張、興奮、失望、喜悅中，有的船滿載寶藏，有的船沉沒(méi)水底，有的船反倒傾覆，有的船勉強(qiáng)支撐。挑戰(zhàn)活動(dòng)結(jié)束后，學(xué)生們進(jìn)一步交流分析了紙船模型的不足，嘗試為實(shí)現(xiàn)理想效果繼續(xù)改進(jìn)方案設(shè)計(jì)，爭(zhēng)取制作出更好的紙船模型。

2.主題交流發(fā)言，體現(xiàn)學(xué)校特色做法

華師大一附中實(shí)驗(yàn)小學(xué)科學(xué)與技術(shù)教研組進(jìn)行了主題發(fā)言，該校近年來(lái)開(kāi)展了主題為“促進(jìn)融合的學(xué)習(xí)”的教學(xué)研究，在學(xué)科融合STEM理念、開(kāi)發(fā)融合性的校本教材、開(kāi)展融合性的科技活動(dòng)等方面做了有益的嘗試。學(xué)校結(jié)合科學(xué)與技術(shù)學(xué)科，打造了“科技周周樂(lè)”課程，優(yōu)化了校本課程“環(huán)境科技”“仿生模型制作與探究”等。學(xué)校利用?？萍脊?jié)、傳統(tǒng)節(jié)日、寒暑假等時(shí)間開(kāi)展科技創(chuàng)新制作活動(dòng)，結(jié)合“環(huán)境科技”校本課程開(kāi)展有主題的社會(huì)、環(huán)境、生活、科技等多方面的調(diào)查實(shí)踐活動(dòng)。教研組還開(kāi)設(shè)了多個(gè)科技社團(tuán)，社團(tuán)活動(dòng)以綜合性活動(dòng)為主，讓學(xué)生走出教室，調(diào)動(dòng)多元素學(xué)習(xí)，活化運(yùn)用科技、數(shù)學(xué)、體藝等知識(shí)，滿足學(xué)生完整獨(dú)特的自我發(fā)展。

3.教學(xué)案例分享，展示融合探索過(guò)程

本次教研活動(dòng)的案例分享展示了4個(gè)融合STEM理念的教學(xué)案例，分別是 “仿生模型——水禽”“模型機(jī)械手改進(jìn)”“超級(jí)小噴泉”“從形狀到結(jié)構(gòu)”。這些案例選題都來(lái)自學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的真實(shí)問(wèn)題。

“仿生模型——水禽”STEM項(xiàng)目源于校本課程“仿生模型制作與探究”。中國(guó)古船模仿水禽“船身中部寬”，西洋古船模仿魚“船身頭部寬”的造型，引發(fā)了學(xué)生思考：這兩種船型與航速有什么關(guān)系呢？學(xué)生首先學(xué)習(xí)了科學(xué)與技術(shù)學(xué)科三年級(jí)“動(dòng)物的結(jié)構(gòu)與功能”單元中魚類、鳥(niǎo)禽類身體結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式的知識(shí)，又制作了仿古船模型，通過(guò)反復(fù)修改船模、測(cè)試比較、分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)中國(guó)古船仿造水禽航行速度比較快，同時(shí)學(xué)生還知道了中國(guó)古代造船技術(shù)非常先進(jìn)，領(lǐng)先歐洲一千多年，民族自豪感油然而生。

“模型機(jī)械手改進(jìn)”STEM項(xiàng)目源于科學(xué)與技術(shù)教材中的“自制機(jī)械手”，學(xué)生不滿足于連桿裝置手動(dòng)操作的機(jī)械手，提出了改進(jìn)想法。經(jīng)過(guò)調(diào)查研究多種機(jī)械手臂的活動(dòng)原理，將教材中有關(guān)壓縮空氣、氣壓傳動(dòng)、杠桿原理，木材料加工等知識(shí)融會(huì)貫通，反復(fù)嘗試，最終把機(jī)械手改進(jìn)為氣壓控制的水平夾物機(jī)械手和抬升高度機(jī)械手。

“超級(jí)小噴泉”是科學(xué)與技術(shù)學(xué)科三年級(jí)“熱脹冷縮”的教學(xué)內(nèi)容。教師從以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)“如何使小噴泉噴得更高”表現(xiàn)出極大的興趣，于是“超級(jí)小噴泉”STEM項(xiàng)目便逐漸形成。學(xué)生們帶著好奇心開(kāi)展了噴泉的種類、噴水原理、制作方法的調(diào)查。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目規(guī)劃、準(zhǔn)備材料、討論制作方法，開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在不斷嘗試、不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題中，學(xué)生們的超級(jí)小噴泉噴射高度達(dá)到2米多。

“從形狀到結(jié)構(gòu)”是科學(xué)與技術(shù)學(xué)科五年級(jí)的教學(xué)內(nèi)容，為了幫助學(xué)生完成從平面到立體、從形狀到結(jié)構(gòu)的認(rèn)知跨越所開(kāi)展的STEM項(xiàng)目。在這個(gè)項(xiàng)目中，學(xué)生首先連接不同形狀，認(rèn)識(shí)到三角形最穩(wěn)定。然后為了完成從形狀到結(jié)構(gòu)的思維轉(zhuǎn)換，開(kāi)展了用紙材料卷成紙棍搭建橋梁結(jié)構(gòu)活動(dòng)，以及用牙簽和胡蘿卜搭建胡蘿卜高塔活動(dòng)，這些項(xiàng)目讓學(xué)生初步嘗試了合理分工、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成本預(yù)算等工程流程。最后，當(dāng)用小木片搭建橋梁結(jié)構(gòu)，開(kāi)展橋梁承重比賽時(shí)，學(xué)生們已經(jīng)能夠像工程師一樣開(kāi)展橋梁設(shè)計(jì)和制作。

通過(guò)案例的介紹和分享，我們可以看出教師深挖現(xiàn)行教材內(nèi)容，借助STEM跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的特點(diǎn)，注重科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的綜合運(yùn)用，使學(xué)生經(jīng)歷設(shè)計(jì)、制作、實(shí)驗(yàn)、探究、問(wèn)題解決和合作學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)他們的綜合實(shí)踐能力。

4.專家點(diǎn)評(píng)寄語(yǔ)，探討融合教學(xué)方向

專家對(duì)本次教研活動(dòng)進(jìn)行了點(diǎn)評(píng)，認(rèn)可小學(xué)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科在教學(xué)融合方面做出的大膽嘗試，肯定了課堂教學(xué)融合STEM理念，在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，內(nèi)化課堂知識(shí)，拓展實(shí)施途徑，提升學(xué)生綜合素養(yǎng)方面的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)建議教師們能繼續(xù)研究和實(shí)踐，對(duì)案例文本范式進(jìn)行補(bǔ)充和優(yōu)化，進(jìn)一步提升案例文本設(shè)計(jì)能力。專家希望將來(lái)的融合學(xué)習(xí)可以更全面，不僅僅是學(xué)科內(nèi)容的融合、教學(xué)方式的融合，還可以涉及教師隊(duì)伍的融合、學(xué)生跨年級(jí)融合、與學(xué)校特色的融合。在開(kāi)展STEM過(guò)程中還可以考慮與數(shù)字化系統(tǒng)相結(jié)合，建立數(shù)字化資源包和共享網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等。

三、收獲與思考

本次教研活動(dòng)向上海市全體小學(xué)科學(xué)與技術(shù)教師開(kāi)放，同時(shí)邀請(qǐng)小學(xué)自然學(xué)科各區(qū)教師代表參加?，F(xiàn)場(chǎng)集中教研活動(dòng)以區(qū)為單位，直接參與人數(shù)約200人，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)教研面向全體教師，本主題教研活動(dòng)涉及近千人。

本次活動(dòng)是上海市虹口區(qū)小學(xué)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教研團(tuán)隊(duì)初次嘗試與STEM理念進(jìn)行融合，課堂教學(xué)及教學(xué)案例中真實(shí)的工程設(shè)計(jì)過(guò)程不僅充分發(fā)揮了科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，也較好地達(dá)到教研活動(dòng)預(yù)期目標(biāo)。STEM項(xiàng)目的案例文本設(shè)計(jì)基本形成了“引入問(wèn)題和確定需求—調(diào)查研究和學(xué)習(xí)支持—分析觀點(diǎn)和建立模型—測(cè)試優(yōu)化和解決問(wèn)題”4個(gè)環(huán)節(jié)，為學(xué)科后續(xù)開(kāi)展STEM教學(xué)組織方式提供了范例。

相對(duì)于基礎(chǔ)性教育的課堂教學(xué)，開(kāi)展STEM項(xiàng)目要嘗試從融合的角度設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)。因?yàn)镾TEM教育不同于單一的科學(xué)學(xué)習(xí)和科技活動(dòng)，也不是分學(xué)科的簡(jiǎn)單疊加，而是通過(guò)融合的學(xué)習(xí)過(guò)程帶給學(xué)生探究的理念和科學(xué)的方法。為此，在設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)時(shí)，選題宜以小見(jiàn)大，以工程設(shè)計(jì)為基石，從學(xué)生游戲項(xiàng)目入手，從學(xué)生現(xiàn)實(shí)生活中尋找話題，讓學(xué)生像工程師一樣經(jīng)歷設(shè)計(jì)、制作、嘗試、分析、匯報(bào)等項(xiàng)目全過(guò)程，通過(guò)融合的學(xué)習(xí)落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)，多元地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和綜合實(shí)踐能力。