STEM教育融入小學(xué)科學(xué)課程的改革路徑與實(shí)踐探索

劉韜容 肖化

[摘? ?要]STEM教育在創(chuàng)新人才培育方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)當(dāng)前小學(xué)科學(xué)課程的改革創(chuàng)新提供了新的視角。為了促進(jìn)STEM教育與小學(xué)科學(xué)課程的有機(jī)融合，可從教學(xué)情境、課程教學(xué)和課程評(píng)價(jià)三個(gè)方面采取以工程設(shè)計(jì)為主線的改革路徑。小學(xué)科學(xué)教師可參考“太陽能熱水器”項(xiàng)目教學(xué)實(shí)例進(jìn)行實(shí)踐探索，在科學(xué)課堂教學(xué)中深度融入STEM教育。

[關(guān)鍵詞]STEM教育;小學(xué)科學(xué)課程;工程設(shè)計(jì)

STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）教育是一種以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，它將STEM知識(shí)有機(jī)地融為一體，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1]。在我國(guó)小學(xué)科學(xué)課程的改革創(chuàng)新中，如何深度融合STEM教育，是現(xiàn)階段小學(xué)科學(xué)教師面臨的重要實(shí)踐課題。

一、STEM教育融入小學(xué)科學(xué)課程的改革背景

1.時(shí)代需求：青少年創(chuàng)新實(shí)踐能力亟待提升

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)制造業(yè)快速發(fā)展，規(guī)模已躍居世界第一，但科技創(chuàng)新力量薄弱，成為制約我國(guó)躋身制造強(qiáng)國(guó)的瓶頸。2019年，雖然我國(guó)在全球創(chuàng)新指數(shù)排名中已升至第14位，但是依然與我國(guó)勞動(dòng)力總量第一和經(jīng)濟(jì)總量第二的國(guó)際地位不相符合。為提高我國(guó)的整體創(chuàng)新力，應(yīng)從提升青少年的創(chuàng)新實(shí)踐能力入手。而我國(guó)的小學(xué)科學(xué)課程長(zhǎng)期未受到足夠的重視，在培育青少年創(chuàng)新實(shí)踐能力方面沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。為此，小學(xué)科學(xué)課程改革已成為時(shí)代需求。

2.新教育推動(dòng)：STEM教育的優(yōu)勢(shì)不斷彰顯

STEM教育作為新興的跨學(xué)科教育，重視真實(shí)、有意義、有挑戰(zhàn)性的問題情境創(chuàng)設(shè)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在動(dòng)手、動(dòng)腦、動(dòng)口過程中合作解決問題、提升核心素養(yǎng)。已有研究表明：STEM教育有助于激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究和工程實(shí)踐的熱情，培養(yǎng)學(xué)生解決問題、團(tuán)隊(duì)合作和創(chuàng)新實(shí)踐的能力以及堅(jiān)韌的毅力，使學(xué)生最終獲得STEM領(lǐng)域的核心能力，發(fā)展終身學(xué)習(xí)所需的核心素養(yǎng)[2]。STEM教育正是因其獨(dú)特的創(chuàng)新人才培育優(yōu)勢(shì)而逐漸在全世界得到推廣。

3.國(guó)際趨勢(shì)：新科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)技術(shù)和工程教育高度重視

縱觀國(guó)內(nèi)外科學(xué)教育的改革與發(fā)展，高度重視技術(shù)和工程實(shí)踐是許多國(guó)家科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的重要特征。美國(guó)于2013年發(fā)布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，將工程實(shí)踐和科學(xué)實(shí)踐合并為“實(shí)踐”，與“跨學(xué)科概念”“學(xué)科核心概念”一起作為新標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)維度，同時(shí)將工程設(shè)計(jì)提高到與科學(xué)探究同等重要的地位，提倡工程設(shè)計(jì)與科學(xué)探究深度融合[3]。美國(guó)新科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工程實(shí)踐和工程設(shè)計(jì)的高度關(guān)注，有力地推動(dòng)了STEM教育在美國(guó)科學(xué)課程中的實(shí)施。我國(guó)也在最新出臺(tái)的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）中新增了“技術(shù)與工程”，與物理科學(xué)、生命科學(xué)、地球和宇宙科學(xué)一并成為小學(xué)科學(xué)的四個(gè)內(nèi)容領(lǐng)域，并建議教師在教學(xué)實(shí)踐中開展STEM教育[4]。這是我國(guó)首次在科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中明確STEM教育在小學(xué)科學(xué)課程中的重要地位。由此，小學(xué)科學(xué)課程成為我國(guó)基礎(chǔ)教育階段普及STEM教育的重要載體。

二、STEM教育

融入小學(xué)科學(xué)課程的改革路徑

如何將STEM教育有效地整合到小學(xué)科學(xué)課程中？探索符合發(fā)展需求且更易“落地生根”的改革路徑，是解決這一問題的關(guān)鍵。新課標(biāo)明確指出，工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，工程是運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問題和制造產(chǎn)品的活動(dòng)[5]?？梢?，工程本身就是有機(jī)整合科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)的學(xué)科。實(shí)踐表明，引入工程設(shè)計(jì)思路的教學(xué)策略能有效促進(jìn)STEM知識(shí)的融合，且科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的整合最適合我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)教育的發(fā)展[6]，年齡越低的學(xué)習(xí)者越能從這種整合中獲得更高的回報(bào)[7]。因此，工程設(shè)計(jì)是將STEM教育融入小學(xué)科學(xué)課程的突破口。

工程設(shè)計(jì)是工程的核心，是工程師解決實(shí)際問題時(shí)采用的一套系統(tǒng)化的思維模式，與科學(xué)探究的重要性等同。工程設(shè)計(jì)沒有固定的模式，但是通常包括明確問題、確定方案、設(shè)計(jì)制作、改進(jìn)優(yōu)化與再設(shè)計(jì)等思維流程。工程設(shè)計(jì)也沒有現(xiàn)成的、唯一正確的解決方案，因此具有反復(fù)性、開放性和創(chuàng)新性的特征。借鑒工程設(shè)計(jì)的思維流程，可梳理出STEM教育融入我國(guó)小學(xué)科學(xué)課程的改革思路：以工程設(shè)計(jì)為主線，從真實(shí)情境中提出滿足現(xiàn)實(shí)需求的工程問題，通過設(shè)計(jì)需求驅(qū)動(dòng)知識(shí)探究，再將所學(xué)科學(xué)知識(shí)和已知限制因素應(yīng)用于設(shè)計(jì)、制作和優(yōu)化解決方案中，并以適切的課程評(píng)價(jià)有效檢測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)收獲。這種改革思路充分體現(xiàn)了科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的相互增益。

綜上所述，從教學(xué)情境、課程教學(xué)和課程評(píng)價(jià)三個(gè)課程要素可以凝練出以工程設(shè)計(jì)為主線的改革路徑：真實(shí)的工程問題情境—基于工程問題解決的教學(xué)模式——多元化課程評(píng)價(jià)（見圖1）。其中，多元化課程評(píng)價(jià)包括項(xiàng)目評(píng)價(jià)、同伴評(píng)價(jià)和標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)驗(yàn)。

1.真實(shí)的工程問題情境：有效連接STEM教育與科學(xué)課程

工程設(shè)計(jì)的問題源于生活中的需要，最終又運(yùn)用于生活。因此，有效連接STEM教育與科學(xué)課程的問題情境應(yīng)凸顯其真實(shí)性、工程性和知識(shí)性。真實(shí)性指問題源于真實(shí)世界的生產(chǎn)生活，并基于學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)。工程性指從情境中提出的問題是為了滿足人類的現(xiàn)實(shí)需求和期望，且解決方案需要綜合考慮現(xiàn)實(shí)的制約因素，如要經(jīng)濟(jì)、耐用、方便和安全等。知識(shí)性指解決情境中的問題要蘊(yùn)含課標(biāo)所要求學(xué)習(xí)的知識(shí)。

例如，《科學(xué)探索者》是美國(guó)最權(quán)威的研究性教材，在每章開篇處都營(yíng)造了真實(shí)的問題情境以引出一個(gè)需要解決的工程問題。如在“功和機(jī)械”一章開篇?jiǎng)?chuàng)設(shè)了“幾千年來，機(jī)械一直是人們的好幫手”的問題情境，然后提出“自己動(dòng)手制作一輛起重機(jī)模型”的任務(wù)，這樣就使STEM教育與科學(xué)課程自然地連接起來。

2.基于工程問題解決的教學(xué)模式：促進(jìn)STEM教育與科學(xué)課程的融合

基于工程問題解決的教學(xué)模式是以工程設(shè)計(jì)為主線的項(xiàng)目教學(xué)法，包括三個(gè)主要環(huán)節(jié)和七個(gè)教學(xué)步驟[8]。該模式的主要特征是依托工程設(shè)計(jì)思維流程，將背景知識(shí)的探究和工程問題的解決串聯(lián)起來，促進(jìn)STEM教育與科學(xué)課程的融合。