概念轉變視角下的STEM教學設計研究

張靜文

【摘 要】建構科學概念，培養(yǎng)學生提出科學問題、分析和解決問題的能力是小學科學的主要任務；小學科學是一門基礎性、實踐性和綜合性的課程?；诖苏n程的特點，借鑒STEM教育，選取兩個平行班分別作為實驗班和對照班，實施前測。以概念轉變理論為指導思想，從前測數據出發(fā)，提出基于概念轉變視角的STEM教學設計，并實施后測，驗證該教學設計的有效性。

【關鍵詞】概念轉變；STEM教育；小學科學；前概念；教學設計

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2018）01-0057-03

2006年，美國總統(tǒng)布什提出要培養(yǎng)具有STEM素養(yǎng)的人才；2009年，奧巴馬大力資助STEM教育[1]。2016年，“STEM教育”首次被我國寫入“十三五”規(guī)劃。目前，STEM的理論和實踐研究都如火如荼的進行著。

概念轉變是當代科學教育研究中重要的領域[2]。概念轉變理論認為學生頭腦不是“空白”的；重視學生的前概念，有助于完成概念的轉變。研究表明，學習者越早接觸STEM相關活動，越有利于培養(yǎng)其綜合素質[3]。小學階段是早期科學啟蒙的重要階段[4]，應當重視小學生STEM的全面發(fā)展。所以本文以小學五年級科學《形狀與結構》單元為例，從概念轉變視角出發(fā)，展示小學科學課程全新的教學設計。

概念轉變視角下的教學設計實例

1.課程主題和對象

本研究以“游樂園建筑物的建造”為主題，貼近生活實際，激發(fā)學生興趣。研究對象為南京市某小學五年級的學生。

2.活動劃分

本研究單元共四節(jié)內容，對其進行劃分，主要分成了3大部分：

（1）問題引入：確立造房子任務；

（2）背景經驗活動：環(huán)球房之旅、感受形狀與承受力的關系、感受形狀與穩(wěn)固性的關系和建橋梁；

（3）解決問題：設計、制作模型和展示、交流與評價。

3.學習目標

（1）激發(fā)學生的科學熱情和科學探究的樂趣；

（2）將所學知識應用到現實生活中；

（3）以小組合作的形式培養(yǎng)學生的交流、合作和互相評價的能力。

4.學生前概念調查與分析

選取兩個平行班分別作為實驗班和對照班，進行“形狀與結構”單元學生前概念的問卷調查。將調查結果中出現的前概念分為五種類型，分析其產生原因，并提出了對應的教學方法，具體如下：

張冠李戴：柱形和臺形分不清。

產生原因是觀察粗略，對局部事實的總結，可采用對比法和演示法。

先入為主：將承受力和穩(wěn)定性這兩個概念混淆，錯把承重能力理解為穩(wěn)定性。

產生原因是先入為主的日常生活經驗，可采用實驗探究法。

一知半解：知道雞蛋的承重能力大，但是說不清楚原理。

產生原因是獲取了不完整的科學概念，可采用演示法、實驗法。

墨守成規(guī)：知道三角形具有穩(wěn)定性，但是難以在現實生活中應用或者解決現實問題。

產生原因是知識的負遷移，可采用案例法、發(fā)現法。

力所不及：不清楚橋梁的結構與承受力有關。

產生原因是超出了認知范圍，可采用講授法、觀察法和實驗法。

5.教學過程

教學過程主要分為四個環(huán)節(jié)展開。

第一部分——游戲導入，激發(fā)興趣

教師利用“是真的嗎”游戲作為課堂導入，利用教學課件展示，激發(fā)學生學習的興趣和積極性，請學生們進行猜想和討論。

設計意圖：激發(fā)學生興趣和學習積極性，引發(fā)學生認知沖突。

第二部分——新課呈現，進行探究

（1）“蛋殼”實驗：觀看真實的“蛋殼”實驗視頻；小組討論蛋殼不易碎的原因，師生分析總結。

（2）由蛋殼引入新知：教師提問雞蛋是什么形狀的？教師演示課件，讓學生們觀察生活中（生物、建筑物等）的形狀；師生總結常見的四種形狀（平面與立體形狀的區(qū)分）。

（3）折紙實驗探究：教師給出另一個具有挑戰(zhàn)性的實驗——利用一張普通的紙將教科書托起來，離桌面15cm。組織學生進行折紙實驗；教師組織學生進行相關實驗。講清楚實驗要求、標準與注意事項（提出問題，學生進行猜想和假設，記錄下來；進行實驗驗證）。

設計意圖：通過學生親自參與探究實驗，可以引起學生強烈的認知沖突，不僅可以暴露出學生的前概念，更重要的是學生對自己親眼見證過的事實總是更加相信，可以幫助學生獲得科學概念，順利完成概念轉變。

第三部分——總結

（1）總結這一課時的主要內容。

（2）澄清學生的混淆概念，糾正錯誤的理解。

設計意圖：幫助學生完成概念的轉變和科學概念的構建，利用概念圖還可以幫助學生構建系統(tǒng)、有層次的概念體系。

第四部分——生活中的科學

教師引導學生發(fā)現生活中的科學——形狀在生活中的應用以及仿生學案例；教師引導學生分析這些形狀的好處，人們根據這些生物形狀特點建造建筑的原因。

設計意圖：將所學知識與生活實際相聯系，可以增強學生的學習興趣，達到情感態(tài)度、價值觀的教學目標。

教學設計效果檢驗

筆者采用Excel軟件中的t檢驗：雙樣本等方差假設。如表1所示，實驗班和對照班在a=0.05水平上對不同的教學設計反映出顯著性差異，證明了本研究中的教學設計在概念的轉變方面具有有效性。

T3、T7、T9對應的是問卷的第三道、第七道和第九道題目，這三道題目對應知識點分別是：形狀與承受力大小的關系、三角形支架的穩(wěn)定性和橋梁的承重力與形狀和結構有關。該部分內容實驗班的教學設計理念：從概念轉變的視角出發(fā)，貫徹落實STEM教育的核心與本質。在教師的指導下，學生進行實驗的預測和探究，數據的整理與分析，及小組匯報、組間點評與師生總結。如表2所示，實驗班的教學效果要遠遠好于對照班。

通過表1和表2的數據比較，驗證了本研究提出的基于概念轉變視角的STEM教學設計的有效性。通過整個具體實踐活動的實施，選取與學生生活實際相關、學生感興趣的主題可以激發(fā)學生學習、探究的熱情，從而提高學生對科學知識和科學探究的專注力，培養(yǎng)學生獨立思考的思維能力，使學生創(chuàng)作出屬于自己的作品[5]，從而不斷提高學生的解決問題的能力和創(chuàng)新能力。

總結

本文從“概念轉變”視角出發(fā)，以《形狀與結構》單元為載體，基于STEM的課程設計理念，完成了基于概念轉變視角的STEM的教學設計。該教學設計培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維，幫助學生加強了“科學概念”、修改了“非科學概念”，逐步完成了概念轉變，提升了學生的相關能力。STEM教育在培養(yǎng)學生的綜合素質、綜合運用知識等方面有優(yōu)勢，STEM教育具有極其廣泛的發(fā)展前景。endprint