學(xué)習(xí)者為中心的STEM課程設(shè)計

包士娟 孟延豹

前言：

包士娟老師應(yīng)筆者的要求提供了這篇文章，筆者事先提醒了包老師，這是一個教學(xué)APP的專欄，所以希望她提供的文章主要講這方面的內(nèi)容，但包老師文章來了，筆者通讀一遍，卻沒有看到教學(xué)APP的介紹，也沒有看到關(guān)于應(yīng)用的各種心得，再仔細(xì)看了一回，筆者又不禁欽佩，其實整篇文章中都是教學(xué)APP的影子。包老師的整個課程的進(jìn)程都是在在線的論壇環(huán)境下進(jìn)行的，她一如既往地還在繼續(xù)用她習(xí)慣的CCtalk做直播，設(shè)計圖紙中利用了設(shè)計軟件，備課時用了思維導(dǎo)圖軟件，為了課程設(shè)計還做了微視頻，學(xué)生自主學(xué)習(xí)中大量利用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括搜索、視頻制作、博客寫作等。包老師的課程中，信息技術(shù)已經(jīng)成了一種存在，她在整個課程設(shè)計的思考中沒有為了用技術(shù)而用技術(shù)，而已經(jīng)是一種習(xí)慣性的應(yīng)用，這讓我想起了中國傳統(tǒng)武術(shù)中對高手的一句評價：有形有意都是假，拳到無心方見奇。

蘇教版小學(xué)五年級語文教材下冊中《水》一文讓學(xué)生在閱讀中體悟到了水的重要性及其人文意義。筆者從科學(xué)教師的角度出發(fā)，創(chuàng)設(shè)STEM學(xué)習(xí)課堂——DIY水凈化器項目，帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)真實生活，通過整合科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四大學(xué)科領(lǐng)域知識，完整經(jīng)歷一次發(fā)現(xiàn)和解決生活中的真實問題的實踐過程，更具現(xiàn)實意義。

課程內(nèi)容總體構(gòu)思

奧蘇泊爾說過，“影響教育最重要的因素是學(xué)生已經(jīng)知道了什么”。五年級學(xué)生對水的物理認(rèn)知主要停留在其液、固、汽三態(tài)上。如何讓生命之水變得更加潔凈，學(xué)生需要通過“DIY水凈化器”這個學(xué)習(xí)項目來加深體驗，圖1即是該課程實施的思維導(dǎo)圖。

課程準(zhǔn)備

學(xué)生的問題往往來源于他們對周邊事物的好奇心，當(dāng)已有經(jīng)驗與情景產(chǎn)生沖突的時候就會有新的問題產(chǎn)生。研究表明，具備新穎性、復(fù)雜性、不確定性和沖突性的事物都能夠引發(fā)孩子的好奇心，促使孩子去探索和研究。在實施“DIY水凈化器”STEM課程學(xué)習(xí)過程中，筆者注重突出學(xué)生的主體作用，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、研究問題、解決問題的全過程，試圖在課程準(zhǔn)備階段就把學(xué)生帶進(jìn)課程當(dāng)中。

1.課前考察，創(chuàng)設(shè)問題情境

帶領(lǐng)學(xué)生到學(xué)校附近的澄塞河進(jìn)行考察，“了解身邊的水”。通過拍照、采集水樣等方式來收集資料。同時產(chǎn)生問題：自來水廠是如何凈化河水的？合格水的標(biāo)準(zhǔn)是什么？怎樣判斷我們?nèi)〉降倪@些水樣是否達(dá)標(biāo)？等等。

2.社會調(diào)查，了解相關(guān)產(chǎn)品性狀

學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過調(diào)研市場上的凈水器產(chǎn)品，了解凈水器的凈化原理和凈化效果。這個環(huán)節(jié)，家長可以出面協(xié)助。通過調(diào)查取證，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)問題：各類不同價格的凈水器凈水效果不同，同時也產(chǎn)生了要“自己造凈化器”的想法。

3.問題研討，點燃探究熱情

問題產(chǎn)生：生活中哪些東西可以用來凈化水？怎樣才能達(dá)到較好的凈化效果？什么樣的結(jié)構(gòu)能保證凈化效果？……此時的主要活動內(nèi)容，便是讓學(xué)生圍繞制作水凈化器這件事，通過寫問題帖、頭腦風(fēng)暴、小組交流討論等方式依次提出問題，篩選、整理有價值的問題。

4.文獻(xiàn)研究，儲備基礎(chǔ)知識

此環(huán)節(jié)主要活動內(nèi)容是通過網(wǎng)上搜索、圖書館閱覽等多種方式，搜集與水凈化相關(guān)的知識。通過網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)，學(xué)生們了解到了全國水資源分布圖、水的作用與危害、水的三態(tài)變化、水的凈化方法等知識。我班一名學(xué)生還在無意中查到了山東一家凈水器公司的電話，并將自己的問題告知了對方，對方非常誠懇地解答了問題。電話采訪，讓我們獲得了研究的第一手資料。

項目實施

活動1：水凈化原理我知道

活動內(nèi)容：邀請水廠專家進(jìn)課堂講解水凈化知識。

活動目標(biāo)：知道自來水的處理流程，知道水凈化的方法和所使用的材料。

“DIY凈化器”的整個項目學(xué)習(xí)過程都應(yīng)體現(xiàn)學(xué)生主體的作用，這有利于改變課程實施過于強(qiáng)調(diào)接受學(xué)習(xí)、死記硬背、機(jī)械訓(xùn)練的現(xiàn)狀，倡導(dǎo)學(xué)生主動參與、樂于探究、勤于動手的學(xué)習(xí)方法和態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力。講座當(dāng)天，江南水務(wù)的吳先生給學(xué)生們介紹了長江水如何變成自來水的河水處理過程，并重點講解了過濾和吸附兩種水凈化的方法。原來，過濾就是用濾紙等將大的顆粒物質(zhì)擋在目標(biāo)區(qū)以外，而吸附是指利用多孔物質(zhì)將水中的小顆粒物質(zhì)存留于濾料中。于是，“過濾和吸附的主要作用是什么”“過濾和吸附的主要原理是什么”“生活中哪些材料可以用作過濾和吸附的材料”等問題迎刃而解。

活動2：水凈化實驗大比拼

活動內(nèi)容：通過實驗掌握水凈化材料的排放順序、凈化效果及水質(zhì)檢測技術(shù)。

活動目標(biāo)：會使用PH試紙，會控制對比實驗中的變量，探究不同材料的過濾效果。

本環(huán)節(jié)的重點學(xué)習(xí)活動是水凈化實驗，在實驗實施之前，學(xué)生必須要了解：什么樣的水才是合格的？帶著問題，學(xué)生自主閱讀了《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》，懂得了合格飲用水須達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：①無毒，無害，無異味；②均衡的礦物質(zhì)和微量元素；③PH值成弱堿性。那如何檢測水樣是否合格呢？筆者向?qū)W生介紹了使用PH試紙測量水樣酸堿度的方法，并給出了一份水樣檢測實驗單（如下表），引導(dǎo)學(xué)生掌握了PH試紙的相關(guān)使用知識。學(xué)生分組使用PH試紙檢測三個水樣的酸堿度，每份水樣測量三次并填表。

此外，學(xué)生還了解了濁度計的結(jié)構(gòu)及使用方法，并仿照表1的樣式檢測了三個水樣的濁度。水體的氣味和味道可以通過鼻子聞、口嘗來檢驗，人們常常根據(jù)水的氣味，推測水中所含的雜質(zhì)和有害成分。水的色度也可以通過觀察法來檢測。

有學(xué)生嘗試用專家講座中提到的過濾和吸附的方法來凈化水質(zhì)。他們用大石子、小石子、沙子、活性炭、過濾棉等材料來做實驗，檢測使用哪種材料能夠達(dá)到凈化要求，并設(shè)計實驗方案（如下頁圖2）。通過實驗，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)，沙子是過濾水中大部分雜質(zhì)的重要材料，但是需要2厘米厚的沙子才能有效地過濾水中的雜質(zhì)，放沙太少效果不大。但是，接下來學(xué)生們又想到了第二個問題：只放一層凈水材料肯定是不夠的，如果要放多層的話，這些材料的疊放順序又該是怎樣的呢？于是學(xué)生開始設(shè)計實驗方案，展開了如圖3所示的實驗2，用來考證疊放順序?qū)羲Ч挠绊憽W(xué)生把過濾材料依次放入容器即礦泉水瓶中，從底部往上分別為：第一層放入2厘米厚的碎石，防止沙子流至容器底部；第二層倒入2厘米厚的沙子；第三層是活性炭。把污水從容器頂部倒入，污水依次流經(jīng)活性炭、沙子、碎石層，再從底部流出。這一階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生通過猜想、制訂方案、動手實驗驗證、再次發(fā)現(xiàn)問題、再次實驗驗證、調(diào)試等環(huán)節(jié)，最終解決了問題。

在實驗研究的過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，廢水中的一些有機(jī)物如酚、苯、洗滌劑等很難被分解，但活性炭可以吸附這些有機(jī)物。而石英砂可以過濾掉水中的懸浮物，讓水變得更清澈。

活動3：水凈化器的設(shè)計、制作、調(diào)試

活動內(nèi)容：引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計圖紙，小組合作完成水凈化器作品。

活動目標(biāo)：能繪制簡單的水凈化器設(shè)計圖紙；能按照設(shè)計圖制作簡易的凈水器并進(jìn)行調(diào)試；通過迭代，不斷優(yōu)化自己的凈水器產(chǎn)品設(shè)計。

STEM項目學(xué)習(xí)給予學(xué)生更多的機(jī)會自由討論，設(shè)計與實施自己的問題解決方案，再測試檢驗實驗效果并加以調(diào)試。從理論到實踐，制作一個凈水器需要思考幾個問題：使用哪些材料？用多少？有的準(zhǔn)備多了，有的準(zhǔn)備少了，沒考慮耗材情況……學(xué)生在反復(fù)實驗、調(diào)試的過程中，深刻體驗到了科學(xué)探究的趣味：通過設(shè)計對比實驗搜集數(shù)據(jù)，學(xué)會了監(jiān)測水質(zhì)的變化；通過繪制曲線圖分析數(shù)據(jù)，了解到了不同材料在相同厚度情況下的過濾效果；通過計算，綜合考慮過濾效果和價格等因素，學(xué)會了控制制作成本……最后學(xué)生在調(diào)查報告中詳細(xì)介紹了自己的成果獲取過程。

活動4：水凈化器發(fā)布會

活動內(nèi)容：邀請專家進(jìn)課堂召開水凈化器發(fā)布會，學(xué)生相互交流作品制作中的點滴收獲并總結(jié)制作經(jīng)驗。

活動目標(biāo)：及時梳理制作調(diào)試過程的成功經(jīng)驗與失敗教訓(xùn)，能用合適的方式表達(dá)有關(guān)水凈化的知識和自己的研究成果。

作品是知識建構(gòu)的外在表現(xiàn)。通過創(chuàng)作作品，建構(gòu)、重構(gòu)學(xué)生的理解，讓學(xué)生個人的理解可視化，并在展示過程中增進(jìn)理解力，這是我們召開水凈化器發(fā)布會的初衷。水凈化器發(fā)布會既是對一段時間以來學(xué)生學(xué)習(xí)成果的展示，也是對學(xué)生綜合能力的一次檢驗。發(fā)布會上，我們請來了江南水務(wù)的專家參與點評、互動；學(xué)生按小組發(fā)布自己制作的水凈化裝置，談成功感受，與師生分享自己的作品制作經(jīng)驗。正如沈子鈺同學(xué)在分享中所說：這次活動他不僅知道了水凈化的原理，還懂得了團(tuán)隊合作的重要性，一個產(chǎn)品的創(chuàng)新不是一次就能設(shè)計和制作成功的，而是需要多次反復(fù)嘗試。

課程評價

項目學(xué)習(xí)是以典型產(chǎn)品為載體展開的知識與技能的學(xué)習(xí)，是做中學(xué)的一種學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生自主探究能力，指引學(xué)身終身學(xué)習(xí)，自我發(fā)展。基于項目的學(xué)習(xí)，不僅要求對小組成果進(jìn)行評價，而且還要強(qiáng)調(diào)對個人學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評價，做到形成性評價和結(jié)果性評價相結(jié)合。

1.形成性評價

成長記錄袋是從國外引進(jìn)的一種新興評價方式，是根據(jù)教育教學(xué)目標(biāo)，有意識地將各科有關(guān)學(xué)生表現(xiàn)的作品及其他證據(jù)收集起來，通過合理地分析與解析，反映學(xué)生在學(xué)習(xí)與發(fā)展過程中的優(yōu)勢與不足，反映學(xué)生在達(dá)到目標(biāo)的過程中付出的努力與進(jìn)步，并通過學(xué)生的反思與改進(jìn)，激勵學(xué)生取得更高的成就。我們的項目學(xué)習(xí)成長記錄袋，主要用來記錄和展示學(xué)生學(xué)習(xí)的過程和成果，比如記錄學(xué)生的活動日記、家長的評價建議、教師的觀察日記等。

2.結(jié)果性評價

針對該項目的實施過程，筆者從同行處借鑒創(chuàng)作了“DIY凈水器”評價表，量化評價學(xué)生的作品，作為教師對學(xué)生小組作品的結(jié)果性評價。

課程反思

1.基于真實問題的學(xué)生主體實踐活動

STEM課程最大的特點就是以學(xué)習(xí)者為中心，解決生活實際問題。教師通過創(chuàng)設(shè)情境，帶領(lǐng)學(xué)生實地考察了解身邊的水，通過觀察水質(zhì)、拍攝照片、采集水樣等方式來收集樣本資料，提出了問題，并帶著問題請江南水務(wù)的專家進(jìn)課堂講解水凈化知識，有了水凈化的科學(xué)知識，學(xué)生們又開展了對實驗材料和凈化效果的實驗探究活動。而作為一個動手制作的活動，學(xué)生們又經(jīng)歷了設(shè)計、制作、修改等實踐活動。江南水務(wù)專家還二進(jìn)課堂，為作品進(jìn)行點評和優(yōu)化。學(xué)生始終站在課程中央，主動參與，是活動的積極實踐者。

2.四大領(lǐng)域課程的有機(jī)整合

DIY水凈化器項目是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)學(xué)科融合的課程。本活動中，科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)內(nèi)容有：用吸附、過濾的方法去除水中不溶性的雜質(zhì)、知道用PH試紙測試水的酸堿性。技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)內(nèi)容有：使用PH試紙檢測水樣酸堿度、探究不同材料的過濾效果、能根據(jù)需要借助技術(shù)制作水凈化器。工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)內(nèi)容有：繪制水凈化器設(shè)計圖、按照設(shè)計圖紙制作凈水裝置并進(jìn)行測試、通過迭代不斷優(yōu)化凈水器。數(shù)學(xué)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)內(nèi)容有：通過設(shè)計對實驗數(shù)據(jù)表格記錄實驗數(shù)據(jù)、通過計算綜合考慮過濾效果和價格等因素控制制作成本。

3.促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)是指在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心投入并且積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的一種有意義的學(xué)習(xí)過程。深度學(xué)習(xí)更關(guān)注學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)意義和知識的協(xié)同建構(gòu)。學(xué)生將水凈化知識用于制作水凈化器的過程中，不斷驗證實驗材料對凈化效果的影響，不斷嘗試的過程就是知識建構(gòu)的過程。

在實驗探究階段，學(xué)生的批判性思維、問題解決等綜合能力在反復(fù)實驗中得以培養(yǎng)和發(fā)展。學(xué)生通過選擇材料、實驗操作、設(shè)計修改水凈化裝置，顯著提升動手能力。作品發(fā)布會當(dāng)天，小組成員分工合作，有的策劃展示流程，有的制作PPT，有的做解說員，同學(xué)之間充滿了為完成共同任務(wù)的決心，展示交流環(huán)節(jié)讓學(xué)生理解并詮釋了合作的真諦。

總之，在DIY水凈化器項目學(xué)習(xí)中，筆者見證了學(xué)生的成長，STEM教育讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更主動，更有意義。

后記

筆者有一個越來越篤定的認(rèn)識，整體課程設(shè)計中應(yīng)用各種信息技術(shù)的方式，相比單獨對一個個教學(xué)APP進(jìn)行功能解讀、技能傳授的傳統(tǒng)信息技術(shù)培訓(xùn)方式，更容易讓老師們體會信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的形式和內(nèi)涵，并且更容易讓老師們將所學(xué)自覺地應(yīng)用于日常的工作中，因此筆者選擇了這篇文章，希望能給大家的日常工作提供一些有益的幫助。