STEM教育視角下的科學(xué)教學(xué)實(shí)踐

陳銀寒

在科學(xué)教育的發(fā)展過程中，從斯賓塞提出的“科學(xué)知識最有價值”，到赫胥黎強(qiáng)調(diào)人文科學(xué)、自然科學(xué)、社會科學(xué)的同等地位，到杜威的經(jīng)驗(yàn)主義，到“STS教育”、建構(gòu)主義科學(xué)教育觀、有中國特色的“科學(xué)精神與人文精神”相統(tǒng)一的綠色教育?？茖W(xué)教育理念在前人的基礎(chǔ)上不斷地演變與更新，以適應(yīng)科技飛速發(fā)展的當(dāng)今社會。20世紀(jì)80年代，美國意識到其國際競爭力在慢慢地下降，首次提出“科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)教育集成”的綱領(lǐng)性文件，簡稱為“STEM”教育。

一、STEM教育與科學(xué)課程的契合點(diǎn)——技術(shù)與工程

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門課程的簡稱，但STEM并不是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)教育的簡單疊加，而是強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合。將這四門學(xué)科內(nèi)容組合形成一個有機(jī)的整體，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。

科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)已把“技術(shù)與工程”列入課程目標(biāo)內(nèi)容之一。技術(shù)與工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生有機(jī)會綜合所學(xué)的各方面知識;體驗(yàn)科學(xué)技術(shù)對個人生活和社會發(fā)展的影響;技術(shù)與工程的實(shí)踐活動可以使學(xué)生體會到“做”的成功和樂趣，并養(yǎng)成“動手做”解決問題的習(xí)慣。

STEM教育理念下的技術(shù)與工程，離不開科學(xué)與數(shù)學(xué)的結(jié)合。因此，STEM教育與科學(xué)課程的契合點(diǎn)便是技術(shù)與工程，技術(shù)與工程不僅是科學(xué)教育的一個組成部分，也是小學(xué)科學(xué)教育的發(fā)展方向。

二、在科學(xué)教學(xué)中滲透STEM教育理念——“技術(shù)”

“技術(shù)”是人類為了滿足自身的需求和愿望，遵循自然規(guī)律，在長期利用和改造自然的過程中，積累起來的知識、經(jīng)驗(yàn)、技巧和手段，是人類利用自然改造自然的方法、技能和手段的總和，但也是需在實(shí)際中多多磨煉，才能找到自己技術(shù)的所在。可見STEM教育理念下的“技術(shù)”包括“方法、技能和手段”的學(xué)習(xí)，掌握與應(yīng)用等相關(guān)聯(lián)的活動方式、方法。

（一）自制科學(xué)材料

在STEM教育中常常需要大量的材料，如何恰當(dāng)、科學(xué)地準(zhǔn)備材料也是科學(xué)教師必須考慮的問題。小學(xué)科學(xué)儀器室中的大部分儀器與科學(xué)教材是不配套的，科學(xué)老師要上好一節(jié)科學(xué)課，與材料的選擇是很有關(guān)系的。“巧婦難為無米之炊”，“米”就好比是科學(xué)課的材料，可見材料對于科學(xué)課的重要性。有時一堂出彩的科學(xué)課，在很大程度就與材料有關(guān)，材料的新穎性，材料的實(shí)效性，都會讓科學(xué)課堂增色。

如五年級下冊《讓自行車鏈條轉(zhuǎn)動起來》一課，學(xué)生可以利用機(jī)械實(shí)驗(yàn)盒中的材料自己設(shè)計鏈條傳動裝置，也可選用樂高玩具中的鏈條傳動裝置材料進(jìn)行再設(shè)計。再如四年級上冊《吸熱和散熱》一課，我利用100W的白熾燈泡、木板、開關(guān)、燈座、回形針、紙盒等材料自制了熱輻射實(shí)驗(yàn)裝置，此實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單，適宜開展演示或分組實(shí)驗(yàn)，不受環(huán)境、天氣因素影響，可在室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果明顯。精心挑選制作的材料能喚起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，教學(xué)的效果也不錯。

（二）選擇專業(yè)化材料

STEM教育活動中，往往會用到一些專業(yè)化的工具和材料。如目前受到廣泛關(guān)注的開源電路板、3D打印、機(jī)器人等;還需要一些用來支持或指引擴(kuò)充思維過程的認(rèn)知工具，如Scratch少兒編程軟件、SPSS社會科學(xué)統(tǒng)計軟件包、網(wǎng)絡(luò)溝通工具、123 Design三維CAD建模軟件等。這些專業(yè)工具材料以及軟件的使用對于廣大科學(xué)教師來說既是挑戰(zhàn)，又是福音，它意味著科學(xué)教師既可以運(yùn)用這些新技術(shù)工具，又要不斷地學(xué)習(xí)使用新工具，掌握這些新的技術(shù)手段。

另外，為了適應(yīng)人們對STEM教育的需要，許多教具生產(chǎn)廠家也推出了一系列的STEM課程材料包。教學(xué)時，教師也可以選擇合適的材料包使用，這樣可以節(jié)省出大量時間運(yùn)用到教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計上，確保有好的教學(xué)成效。

（三）掌握必備的技能

在STEM教育中，要讓學(xué)生的合作探究有效，學(xué)生就必須具備一定的動手能力和使用材料的技能。如在四年級下冊《小車的運(yùn)動》一課中，在學(xué)生探究“小車的運(yùn)動與拉力”和“小車運(yùn)動與載重量”這兩個問題時，我用了整整兩節(jié)課的時間。主要問題有：⒈學(xué)生的計時技能需要一定的訓(xùn)練，作為一名平時不具備計時能力的學(xué)生，在老師簡短講解了秒表使用方法后，許多臨時上任的計時員，不能很快進(jìn)入狀態(tài)，往往把時間記多了，甚至把秒表按錯了;⒉學(xué)生計時的準(zhǔn)確性不高，因?yàn)槭鞘謩佑嫊r，計時員與控制小車啟動的學(xué)生往往不能同步，計時員的反應(yīng)速度也各不相同，造成個別小組的數(shù)據(jù)偏差較大;⒊學(xué)生不會系結(jié)。對于《小車運(yùn)動》這一課，我把實(shí)驗(yàn)室的一些材料進(jìn)行了組合，材料有：兩端帶金屬孔的木板、實(shí)驗(yàn)小車、羊毛線。探究時，需要學(xué)生將毛線的一端系在小車上，另一端穿過木板上的金屬孔，再系上3個螺帽作為小車運(yùn)動的起始拉力，而就在系結(jié)這個環(huán)節(jié)上，有個別組就用了差不多十幾分鐘，因?yàn)槲乙髮W(xué)生系活結(jié)，這樣才可以改變小車運(yùn)動的拉力大小。也正是因?yàn)橛辛诉@個難度，學(xué)生開展這個探究實(shí)驗(yàn)就顯得很困難。再如四年級上冊《冷熱與溫度》一課，不僅要求學(xué)生掌握溫度計、計時技能，還必須要學(xué)會分析數(shù)據(jù)的技能。若學(xué)生不具備這些技能，那么探究的有效性是無從談起的。

三、在科學(xué)教學(xué)中滲透STEM教育理念——“工程”

“工程”是科學(xué)和數(shù)學(xué)的某種應(yīng)用，通過這一應(yīng)用，使自然界的物質(zhì)和能源的特性能夠通過各種結(jié)構(gòu)、機(jī)器、產(chǎn)品、系統(tǒng)和過程，以最短的時間和精而少的人力做出高效、可靠且對人類有用的東西，將自然科學(xué)的理論應(yīng)用到具體工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門中形成的各學(xué)科的總稱。

可見，STEM教育理念下的“工程”并不是簡單地將科學(xué)與數(shù)學(xué)組合起來，而是要把學(xué)生學(xué)習(xí)到的零碎的知識與機(jī)械過程轉(zhuǎn)變成一個探究世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的過程。

在科學(xué)教學(xué)中滲透STEM教育理念——“工程”，就要引導(dǎo)學(xué)生探究一些“問題”項目，讓他們用自己的智慧去設(shè)計解決方案，并付諸實(shí)施。

（一）“任務(wù)挑戰(zhàn)”式問題項目

教師為學(xué)生提供一些簡單的材料，如紙巾、木筷、吸管、水等，先讓學(xué)生學(xué)著做一把空氣槍，然后提出問題：怎樣讓空氣槍射出的子彈更遠(yuǎn)？這個問題項目其實(shí)已經(jīng)有答案，只不過學(xué)生暫時還不知道。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生可從空氣槍的管徑大小、推力、管道的密封性等問題方面有目的、有計劃地進(jìn)行探究。從效果上看，與我們曾經(jīng)提倡的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法有異曲同工之妙。在“問題”任務(wù)的驅(qū)動下，學(xué)生會自主集中注意力進(jìn)行探究。在探究的過程中，教師實(shí)時關(guān)注，在必要時給予適當(dāng)?shù)膸椭?。這樣一來，“工程”的成功可能性就相對提高了，在成就感的激勵下，更能激發(fā)學(xué)生對“高大上的工程”的學(xué)習(xí)和研究的興趣，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（二）在動手操作中生成問題項目

如《搭支架》一課，學(xué)生通過搭建三角形、四邊形、五邊形支架后，會發(fā)現(xiàn)三角形的支架最穩(wěn)定。接著自然會生成“不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)怎樣才能變得穩(wěn)定？”這一問題。學(xué)生對問題進(jìn)行思考并實(shí)驗(yàn)，緊接著便是技術(shù)層面的事了。學(xué)生會根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和一定的技術(shù)讓不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定。隨后，教師對學(xué)生的技術(shù)加以評價，這種方式叫作“架梁”。接下來的“搭建高塔”便是一項工程兼技術(shù)的挑戰(zhàn)賽。學(xué)生以小組為單位進(jìn)行合作學(xué)習(xí)：利用已有知識（數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)）——畫出高塔設(shè)計圖——討論設(shè)計圖的可行性——做出預(yù)算（需要的材料）——建造高塔工程——展示成果——評價（互評與自評）——改進(jìn)設(shè)計方案——完善高塔的搭建工程。在整個的高塔的搭建過程中，學(xué)生對自己的設(shè)計方案和作品津津樂道，并對課程本身產(chǎn)生濃厚的興趣，其綜合技術(shù)與技能也得到提升與發(fā)展。

STEM教育在我國從理念走向?qū)嵺`勢在必行，其中的難度也是可想而知的。將STEM教育思想合理地滲透進(jìn)小學(xué)科學(xué)課程中，能夠全面實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與實(shí)踐操作能力。要真正發(fā)揮STEM教育的長處，科學(xué)教師還應(yīng)該多下功夫把科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)這四條彩線，交織在一起，融合在一起，才能織出更加絢麗的畫卷。

【作者單位：丹陽市界牌中心小學(xué) 江蘇】