基于STEM教育理念下小學(xué)科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

曾曉華

摘要：《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》（以下簡稱新課標(biāo)）首次提出STEM教育理念應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)教育。小學(xué)科學(xué)課是一門實(shí)驗(yàn)課，要求動(dòng)手實(shí)操和教學(xué)的情節(jié)、內(nèi)容相輔相成，恰好就是STEM教育最好的實(shí)踐平臺(tái)。根據(jù)學(xué)生的能力特點(diǎn)，設(shè)立不同的教學(xué)目標(biāo)，采用不同的教學(xué)手段進(jìn)行課堂教學(xué)，才能真正實(shí)現(xiàn)有效的STEM特色課堂，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

關(guān)鍵詞：STEM教育理念；小學(xué)科學(xué)；工程思維（解決問題的思維）

一、背景介紹

新課標(biāo)中將科學(xué)的學(xué)習(xí)提前至一年級(jí)，并明確將小學(xué)科學(xué)課程界定為“一門基礎(chǔ)課程”，可見小學(xué)科學(xué)課程已經(jīng)成為與語文、數(shù)學(xué)相當(dāng)?shù)恼n程了。新課標(biāo)中首次提出了STEM教育理念。STEM是科學(xué)（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）、數(shù)學(xué)（mathematics）的簡稱，是當(dāng)今世界各國提倡的新科學(xué)教育理念。STEM教育的核心就是解決問題的思維，也就是工程思維。STEM 教育中強(qiáng)調(diào)教育工作者不再過于關(guān)注學(xué)科界限或者將重點(diǎn)放在某個(gè)特定學(xué)科，而是將重心放在解決特定的工程問題上，強(qiáng)調(diào)利用科學(xué)、技術(shù)、工程或數(shù)學(xué)等學(xué)科的知識(shí)共同解決問題，實(shí)現(xiàn)跨越學(xué)科界限、從多學(xué)科知識(shí)綜合應(yīng)用的角度提高學(xué)生解決問題的能力。與傳統(tǒng)科目語文、數(shù)學(xué)不同，小學(xué)科學(xué)課是一門實(shí)驗(yàn)課，要求動(dòng)手實(shí)操和教學(xué)的情節(jié)、內(nèi)容相輔相成，恰好就是STEM教育最好的實(shí)踐平臺(tái)。下面結(jié)合科教版六年級(jí)上冊(cè)第二單元形狀與結(jié)構(gòu)5.《做框架》（以下簡稱《做框架》）的整個(gè)教學(xué)過程，淺談STEM理念在小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為將STEM整合融入我國科學(xué)教育、改善科學(xué)教育課程設(shè)計(jì)提供一個(gè)參考視角。

二、教學(xué)實(shí)錄

環(huán)節(jié)1.借用前概念調(diào)研提出工程問題，落實(shí)工程問題

前概念調(diào)查問卷

1.下面屬于框架結(jié)構(gòu)的是（ ）

[A B C]

2. 你認(rèn)為下列屬于框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是（ ）

A.有許多拱形

B.只有四邊形結(jié)構(gòu)

C.中間都是鏤空

3.你認(rèn)為以下幾種圖形哪種最穩(wěn)固（ ）

A.長方形 B.三角形 C.梯形

4.老師邀請(qǐng)你們小組挑戰(zhàn)班級(jí)立體框架設(shè)計(jì)建造大賽。請(qǐng)你們小組討論怎樣才能搭建一個(gè)最強(qiáng)的框架？需要解決什么樣的科學(xué)問題和工程問題？還有什么需要注意的？

工程目標(biāo)：用木條建造一個(gè)形狀不限的立體框架，使用框架承托重物。

工程限制：26根木筷，30根橡皮筋

工程挑戰(zhàn)：承重同樣的大小材質(zhì)相同的課本，比比誰的框架承重?cái)?shù)量最多。

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)學(xué)生的前概念進(jìn)行摸底，同時(shí)根據(jù)基本概念的摸底，教師可針對(duì)本班情況及時(shí)作出學(xué)習(xí)活動(dòng)的調(diào)整。問卷的第二部分從基本調(diào)研直接跳到項(xiàng)目要求，開課就提出項(xiàng)目要求，引導(dǎo)學(xué)生用解決問題的思維去思考。在思考的同時(shí)，需要解決的問題便一一浮現(xiàn)，例如，“什么是框架結(jié)構(gòu)”“哪種框架結(jié)構(gòu)好”“要用什么搭建”“搭建技術(shù)要點(diǎn)是什么”……一開始就提出需要解決的問題，學(xué)習(xí)的目的更明確，有利于提高課堂效率。

環(huán)節(jié)2.在學(xué)習(xí)搭建技術(shù)的過程中突破搭建技術(shù)（T）難點(diǎn)

微課《如何連接木條》布置為課前前置學(xué)習(xí)，課堂上重溫一遍后即時(shí)對(duì)學(xué)生目前的掌握情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。學(xué)生自由投票，教師統(tǒng)計(jì)結(jié)果。如大部分同學(xué)還沒掌握，則現(xiàn)場一起再學(xué)習(xí)。如大部分學(xué)生掌握則可以進(jìn)入下一部分（個(gè)別同學(xué)未掌握，可以向小組其他同學(xué)學(xué)習(xí)，也可以由教師進(jìn)行個(gè)別輔導(dǎo)）。

設(shè)計(jì)意圖：在前概念摸底時(shí)，學(xué)生已經(jīng)發(fā)現(xiàn)要解決的問題就是怎么搭建（T），和搭建的哪種結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固（S），需要成本控制（M），才能解決整個(gè)工程（E）問題。而在第二個(gè)環(huán)節(jié)微課《如何連接木條》學(xué)習(xí)，就解決了該工程問題搭建的技術(shù)（T）難點(diǎn)。

環(huán)節(jié)3.在動(dòng)手實(shí)踐過程中探究學(xué)習(xí)科學(xué)重點(diǎn)知識(shí)（S）

1.通過埃菲爾鐵塔和小丑電線塔尋找框架結(jié)構(gòu)共同點(diǎn)，給出框架結(jié)構(gòu)的定義。

2.請(qǐng)同學(xué)們分別搭建一個(gè)三角形和一個(gè)四邊形框架，并測試驗(yàn)證這兩個(gè)框架哪個(gè)更穩(wěn)固。

3.請(qǐng)學(xué)生為四邊形設(shè)計(jì)加固方案。

4.探討加固四邊形中斜杠的作用

學(xué)生探討四邊形的加固方案并展示，并討論分析哪種方案更好并嘗試解釋原因（使四邊形會(huì)變成兩個(gè)三角形）。

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)學(xué)習(xí)的本質(zhì)之一就是發(fā)現(xiàn)事實(shí)，通過對(duì)比研究得到工程問題中科學(xué)概念“框架結(jié)構(gòu)”（S）的定義，通過在動(dòng)手實(shí)踐探究中發(fā)現(xiàn)斜杠在四邊形加固過程的作用，使學(xué)生理解為什么斜杠可以使四邊形變穩(wěn)固的同時(shí)，加深對(duì)科學(xué)概念“三角形具有穩(wěn)定性”的理解，解決工程問題中的科學(xué)知識(shí)（S）。同時(shí)“三角形具有穩(wěn)定性”也是四年級(jí)數(shù)學(xué)（M）的課程內(nèi)容。

環(huán)節(jié)4.在設(shè)計(jì)中運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)（M）控制工程成本

挑戰(zhàn)立體框架設(shè)計(jì)建造大賽

1.設(shè)計(jì)并繪制立體框架的搭建方案。

工程目標(biāo)：用木條建造一個(gè)形狀不限，能夠承托書本這類重物的立體框架。

工程限制：26根木筷，30根橡皮筋

工程挑戰(zhàn)：承重同樣的大小材質(zhì)相同的課本，比比誰的框架承重?cái)?shù)量最多。

設(shè)計(jì)意圖：了解工程目標(biāo)，根據(jù)工程限制，運(yùn)用科學(xué)（S）和技術(shù)（T）進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決工程問題，結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)（M）控制工程成本，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的立體框架的工程搭建方案。

環(huán)節(jié)5.完成工程建造（E），并挑戰(zhàn)承重

小組合力搭建立體框架，教師巡堂，個(gè)別輔導(dǎo)。

各小組來進(jìn)行框架承重挑戰(zhàn)——“比比誰的框架才是真正的承重之王”

學(xué)生上臺(tái)展示小組工程成果，并挑戰(zhàn)。學(xué)生和教師隨機(jī)點(diǎn)評(píng)。

設(shè)計(jì)意圖：動(dòng)手搭建立體框架是《做框架》的工程目標(biāo)。以工程建造的成果作為學(xué)習(xí)結(jié)果，也是STEM教育的另一大特色，也是整合多學(xué)科學(xué)習(xí)與評(píng)價(jià)的切入點(diǎn)。評(píng)價(jià)過程中不僅要關(guān)注學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的深度理解，科學(xué)性解釋及其遷移運(yùn)用，還要關(guān)注學(xué)生的勞動(dòng)意識(shí)、技術(shù)運(yùn)用、人文積淀、審美情趣等素養(yǎng)。評(píng)價(jià)多元化，可以是學(xué)生的自我點(diǎn)評(píng)，學(xué)生之間的相互評(píng)價(jià)，還有教師的點(diǎn)評(píng)。

環(huán)節(jié)6.分享與感悟

學(xué)生分析分享做框架的秘訣，感悟在整個(gè)工程問題解決過程中的收獲。

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)浙江省小學(xué)各學(xué)科教學(xué)建議中有關(guān)小學(xué)科學(xué)教學(xué)的第13條“探究不是唯一的學(xué)習(xí)模式”，我認(rèn)為分享與感悟也是很好的學(xué)習(xí)模式。通過分享，引導(dǎo)學(xué)生加深“三角形具有穩(wěn)定性”的理解，引導(dǎo)學(xué)生將關(guān)注點(diǎn)從建造框架的興奮回歸到建造立體框架的過程，感悟如何解決問題，獲得解決問題的能力。

三、教學(xué)反思

傳統(tǒng)科學(xué)課堂的教學(xué)方法單一，造成了有的學(xué)生喜歡科學(xué)但討厭科學(xué)課的尷尬局面。STEM教育具有整合性、體驗(yàn)性、探究性、合作性等特征，通過實(shí)踐給學(xué)生帶來親身體驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力起到積極的作用，是符合小學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)的教育方法，也給小學(xué)科學(xué)課程改革提供了新的思路。

STEM教育倡導(dǎo)的工程思維被視為創(chuàng)新必備的邏輯思維能力，也是國外一直以來研究的重點(diǎn)。從教育的角度而言，解決問題的思維應(yīng)該覆蓋到每一個(gè)教育階段，應(yīng)該從小進(jìn)行有意識(shí)的培養(yǎng)和構(gòu)建，幫助學(xué)生從小就理解和體會(huì)個(gè)人、事件和社會(huì)的關(guān)系，獲取解決問題的能力，從而未來可以迎接各種復(fù)雜的問題和挑戰(zhàn)。

理念決定行動(dòng)，正確的教學(xué)理念產(chǎn)生合理有效的教學(xué)行為，引領(lǐng)正確的教學(xué)設(shè)計(jì)。本課的教學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)合從科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個(gè)方面開發(fā)適合學(xué)情的教學(xué)活動(dòng)，從工程問題的提出到工程的完成，全課6個(gè)環(huán)節(jié)可分成兩個(gè)課時(shí)進(jìn)行，引導(dǎo)學(xué)生高階思維與積極情感的投入，解決復(fù)雜的工程問題，訓(xùn)練學(xué)生的觀察力、語言表達(dá)能力、小組合作精神和動(dòng)手能力思維，從而全面提升學(xué)生的知識(shí)、能力和科學(xué)素養(yǎng)，很好地體現(xiàn)了STEM的教育理念。

在將STEM教育引入小學(xué)科學(xué)課堂的同時(shí)，要注意小學(xué)不同年級(jí)的學(xué)生特點(diǎn)，有側(cè)重點(diǎn)的進(jìn)行教學(xué)，不能局限于STEM教育項(xiàng)目的形式，而是要根據(jù)學(xué)生的能力特點(diǎn)，設(shè)立不同的教學(xué)目標(biāo)，采用不同的教學(xué)手段進(jìn)行課堂教學(xué)，才能真正的實(shí)現(xiàn)有效的STEM特色課堂，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

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