在校外環(huán)境教育教學中運用STEM教育模式的案例初探

吳彥君

摘 要：青少年校外STEM教育活動是由校外教育機構和各種社會教育團隊，面向中小學生，在校內課程之外開展的以科學、技術、工程和數(shù)學為主要內容的各種教育活動，其目的是培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新意識和實踐能力。本文將該教育模式運用到我國中學生的環(huán)境教育教學過程中，并以自編教材《我的環(huán)保小屋——關于不同塑料材質對于房屋內散熱與隔熱性能的比較探究》為案例進行剖析，簡要探討了STEM教育模式對校外環(huán)境教育教學的啟示，提出了合理建議。

關鍵詞：STEM教育;環(huán)境教育;校外教育

0 背景

STEM是Science （科學）、Technology（技術）、Engineering （工程）、Mathematics（數(shù)學）的簡稱，旨在將原本分散的科學、技術、工程、數(shù)學4門課程集合成一個新的整體。這一集合，不是簡單地加和整理四要素，而是把學生學習到的零碎知識與機械工程相結合，讓學生體會知識間的相互關系，它強調在“雜亂無章”的學習情境中提升學生的設計能力、合作能力、問題解決能力和實踐創(chuàng)新能力。[1]將STEM教育整合到校外環(huán)境教育教學中是未來的發(fā)展方向。將科學、技術、工程與數(shù)學有機地整合到環(huán)境教育中，是在校外環(huán)境教育教學中體現(xiàn)STEM教育理念的關鍵。[2]

1 校外STEM教育教學活動的理念

STEM教育將原本分散的4門學科（科學、技術、工程、數(shù)學）集合成一個整體，這4門學科分別代表科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)、工程素養(yǎng)與數(shù)學素養(yǎng)，STEM教育理念的核心就在于培養(yǎng)學生的4大素養(yǎng)。

在校外STEM教學課程中，教師應為學生提供一個教學情境，然后由學生自主地展開討論與探究，從而在實踐中提高他們在特定情境中設計與解決問題的能力，最后讓學生與同伴交流各自的成果與心得，提升青少年的創(chuàng)新意識與實踐能力，并最終將成果運用于實際生活，真正做到學以致用。

2 STEM教育模式運用于校外環(huán)境教育教學中的案例剖析

一節(jié)好的STEM課堂，不僅要有足夠的新意和吸引力，還要體現(xiàn)以學生為中心的教育理念和科學、技術、工程、數(shù)學的相互碰撞。[3]在STEM教育理念的影響下，課堂更加體現(xiàn)出學生的主體地位。在某一特定的教學情境下，教師提出問題，學生通過自主探究的學習方式，結合STEM教育包含的4方面綜合知識，進行主動研究，通過小組合作自行設計問題并嘗試解決問題，最終獲得相應的環(huán)保知識，[4]進而獲得相應的STEM素養(yǎng)。

在校外環(huán)境教育教學中，教學設計是很重要的一個環(huán)節(jié)。STEM教育要求教學設計具有綜合性、開發(fā)和動態(tài)性、回歸性、實踐性、多樣性。[5]依據(jù)這一原則，現(xiàn)以自編教材《我的環(huán)保小屋——關于不同塑料材質對于房屋內散熱與隔熱性能的比較探究》為例，將教學過程分為以下6個過程：

2.1 STEM教育需要解決實際問題

教師以社會生活情景引入，向學生提供有關塑料在生活當中的運用以及塑料的白色污染問題，以此作為激發(fā)本課堂的學習主題，另外引入當今社會較為前沿的低碳環(huán)保建筑結構，引發(fā)學生的思考：“假設能夠變廢為寶，將塑料垃圾轉變?yōu)榈吞辑h(huán)保的隔熱建筑材料豈不是一舉兩得？”并請學生根據(jù)教師所提供的不同塑料材質及模擬建筑對象進行實驗設計，說明不同塑料種類對于房屋內部隔熱與散熱性能的影響情況。

2.2 STEM教育需要教師呈現(xiàn)問題

在本課題中，主要探究有關塑料隔熱性能的3個問題：一是房屋內哪個方位散發(fā)的熱量最多，哪里是房屋隔熱保溫的重點部位;二是哪種塑料材料對于房屋頂部隔熱保溫效果比較好;三是不同隔熱材料具有不同的保溫性能，這主要取決于隔熱材料的什么性質。基于STEM教育模式的問題提出略有不同，在建立起教學情境后，教師應引導學生進行思考并設計相關實驗，根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)進行簡單歸納統(tǒng)計，最終解決問題。

2.3 STEM教育需要基于問題探究

基于已有的有關塑料的物理及化學知識（其中包括熱傳遞的種類，塑料內部結構等），大部分學生可以設計出簡單的對照實驗，并得出初步結論。在正式開始實驗操作與探究前，教師發(fā)現(xiàn)有些學生忽略了科學研究是一個嚴謹?shù)倪^程，在設計實驗時只考慮了變量因素，但是對于不同塑料材質的厚度、塑料材質在模擬房屋結構的安放位置沒有達成一致，大大降低了實驗的準確性。在遇到這些問題時，教師不能急于指導，因為STEM教育的優(yōu)勢就在于讓學生自己想辦法尋求幫助，最終通過自己的努力解決實際遇到的問題。[6]

2.4 STEM教育需要對數(shù)據(jù)進行收集和統(tǒng)計，并得出結論

在本課題中，學生需要每隔3分鐘對鞋盒周圍（前、后、左、右、上）5個方位的盒內溫度進行溫升記錄，記錄次數(shù)為3次，根據(jù)不同方位30分鐘內的溫升記錄求平均值，得到相應的平均溫升，根據(jù)平均溫升數(shù)據(jù)，最后得到“房屋”不同方位在不同情況下的溫升數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是科學實驗必要的組成部分，學生們通過組間的橫向數(shù)據(jù)比較，可以非常清晰地分析與判斷出哪種塑料材質的隔熱與散熱性能最好，這也是最直觀地反映科學結論的方法。

2.5 STEM教育需要學生共享數(shù)據(jù)，完成設計

以小組為單位，向全班展示自己小組修改前后的環(huán)保小屋設計方案，并總結第一次設計的不合理之處與修改之后的優(yōu)點。與其他小組進行討論，全班分享、交流成果，并總結這堂課學習到的有關塑料隔熱性能的學科知識。

2.6 STEM教育需要基于社會問題進行擴增

在本課題的結尾，教師留下思考問題：“塑料除了會影響室內溫度外，會不會對屋內的其他因素產生影響呢（比如濕度，二氧化碳濃度等）？設計一個實驗用來驗證自己的觀點（實驗進行前必須得到教師的同意）;節(jié)能環(huán)保教室的設計與實際運用?！闭n堂教學的最終目的是要學生學以致用，運用于社會、生產與生活，該課題的開展來源于生活，最終通過實驗論證，得出最佳方案并運用生活中節(jié)能環(huán)保建筑的設計與建造。

該教學設計體現(xiàn)出了STEM教育的基本要求。首先，STEM是基于問題的教育，以學生為主體，讓他們自己通過觀察設計，動手解決實際問題;其次，如何探究不同塑料對于屋內隔熱與散熱性能的影響是將物理、化學問題與數(shù)學和工程學聯(lián)系起來;最后，延伸學習要求學生將課堂上的實驗數(shù)據(jù)和科學結論運用于生活中，設計出一個現(xiàn)實生活中低碳環(huán)保的生態(tài)小屋。學生發(fā)現(xiàn)、思考并解決問題的過程可以使其更好地感知科學、技術、工程和數(shù)學4大領域之間的密切聯(lián)系，從而幫助他們更加全面地掌握和運用知識，引導學生積極、廣泛、有遠見地追尋有意義的學習體驗。

3 在校外環(huán)境教育教學中運用STEM教育模式的啟示

將STEM教育理念運用到校外環(huán)境教育教學中是我國校外教育發(fā)展的必然結果，為了更好地在校外環(huán)境教育教學中體現(xiàn)STEM教育理念，提高學生的STEM素養(yǎng)，可將重點放在如下工作中：

第一，增強融合意識，改變單一學科的現(xiàn)狀，注重生物學、化學、物理、工程、數(shù)學等其他學科的有機結合。[7]第二，以現(xiàn)有的課程為載體，開發(fā)整合與其他學科內容相關的設計任務，注重發(fā)掘不同類型的設計元素，并根據(jù)任務特性選擇合適的途徑。[8]第三，大力發(fā)展STEM教育，加強STEM教師的培養(yǎng)。第四，加大對于STEM教育的投入，針對今后的STEM教育，各學校應根據(jù)自己的實際情況設計不同的教學方案，并完成探究與實踐。第五，有效利用社會資源，加強與科普教育基地及各大院校的聯(lián)系，上海目前擁有科普場館260多所，大學20多所，這些資源涵蓋的領域廣，專業(yè)性強，如果學校和校外機構能夠建立深入、長效的合作機制，聯(lián)合開發(fā)STEM綜合課程必將有助于提高中學生的綜合素養(yǎng)。

參考文獻：

[1] 鐘柏昌，張麗芳.美國STEM教育變革中“變革方程”的作用及啟示[J].理論與爭鳴，2014（4）：18-24.

[2] 程亮，鄭曉慧.美國中學生物學課程中的STEM教育理念及啟示[J].生物學教學，2015，40（6）：23-24.

[3] 肖媛.科學課程中設計STEM活動的有效方法：從工程和技術的角度審視科學探究活動[J].中國科技教育，2014（9）：16-19.

[4] 任偉，李元蓉，等.基于STEM教育下的中學化學教學模式初探[J].化學教與學，2015（7）：10-12.

[5] 黃曉，李揚.論STEM教育的特點[J].江蘇教育研究，2014（5）：5-7.

[6] 葉兆寧，楊元魁.集成式STEM教育：破解綜合能力培養(yǎng)難題[J].人民教育，2015（17）：62-66.

[7] 朱麗娜，葉兆寧.促進課內外融合的STEM教育實踐與反思：STEM教育如何從理念走向實踐[J].湖北教育：科學課，2016（1）：94-96.

[8] 唐小為，王唯真.整合STEM發(fā)展我國基礎科學教育的有效路徑分析[J].教育研究，2014（9）：61-68.