例談STEM課程組織方式在小學(xué)科學(xué)教育中的應(yīng)用

吳章德

[摘 ? 要]科學(xué)教育應(yīng)嘗試借鑒STEM理念設(shè)計(jì)課程，尤其是“技術(shù)與工程領(lǐng)域”，應(yīng)融合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)的思路開展研究性學(xué)習(xí)。同時(shí)在科學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)中融合驗(yàn)證型STEM、探究型STEM、制造型STEM、創(chuàng)造型STEM等各種類型的活動(dòng)設(shè)計(jì)策略，使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)提升能力，實(shí)現(xiàn)從驗(yàn)證到創(chuàng)新的突破。

[關(guān)鍵詞]STEM理念;融合;小學(xué);科學(xué)教育

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出：倡導(dǎo)跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式。STEM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，它將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)有機(jī)地融為一體，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?？茖W(xué)教師可以嘗試運(yùn)用于自己的教學(xué)實(shí)踐[1]。STEM是一種重實(shí)踐的超學(xué)科教育概念，科學(xué)教師可以將STEM運(yùn)用于小學(xué)科學(xué)教育，在STEM教育視域下，通過技術(shù)與工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)，打破常規(guī)，大膽嘗試學(xué)科融合，創(chuàng)新活動(dòng)設(shè)計(jì)，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)的思路開展研究性教學(xué)活動(dòng)，使學(xué)生綜合所學(xué)的各方面知識(shí)，體驗(yàn)科學(xué)技術(shù)對(duì)個(gè)人生活和社會(huì)發(fā)展的影響。

有學(xué)者認(rèn)為，可根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容將STEM教育活動(dòng)分為驗(yàn)證型STEM、探究型STEM、制造型STEM、創(chuàng)造型STEM，針對(duì)STEM類型的不同，教育策略也有所不同。但不論是哪種策略，都要使學(xué)習(xí)者經(jīng)歷完整的科學(xué)研究過程[2]。在STEM教學(xué)方式下，學(xué)生并不會(huì)自發(fā)地像科學(xué)家那樣進(jìn)行研究或像工程師那樣思考，而是需要教師為他們提供一定的典型材料，設(shè)計(jì)一定的結(jié)構(gòu)化程序，提供一些必要的指導(dǎo)。同時(shí)，從驗(yàn)證型STEM到創(chuàng)造型STEM，研究的成分會(huì)越來越多，教師的指導(dǎo)會(huì)隨之逐漸減少，以促進(jìn)學(xué)生自主性和創(chuàng)造性的發(fā)展?？傊谛W(xué)科學(xué)課的教學(xué)中，教師可通過借鑒不同類型的STEM活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)從驗(yàn)證到創(chuàng)新的突破。

一、驗(yàn)證型STEM

驗(yàn)證型STEM是在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上延伸而來的，是當(dāng)學(xué)生對(duì)研究對(duì)象有了一定的了解，并形成了一定認(rèn)識(shí)或提出了某種假說后，為驗(yàn)證這種認(rèn)識(shí)或假說是否正確而進(jìn)行的一種項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)。它強(qiáng)調(diào)演示和證明科學(xué)活動(dòng)，更注重探究的結(jié)果（事實(shí)、概念、理論），而非探究的過程。

如STEM活動(dòng)“胡蘿卜疊高塔”，要求在規(guī)定時(shí)間里，用一定數(shù)量的牙簽和胡蘿卜現(xiàn)場(chǎng)搭建盡可能高的“塔”。由于六年級(jí)學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了形狀與結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)，知道高塔之所以不容易倒塌與它的結(jié)構(gòu)有重要關(guān)系等。所以這項(xiàng)活動(dòng)更適合六年級(jí)的學(xué)生。相應(yīng)地，科學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下環(huán)節(jié)：了解現(xiàn)實(shí)生活中的塔;提出問題（怎樣疊才能使塔更高）;設(shè)計(jì)圖紙（畫出各結(jié)構(gòu)形狀）;模仿建造;改進(jìn)結(jié)構(gòu);修改設(shè)計(jì);創(chuàng)新建造。這樣，搭建一個(gè)穩(wěn)定的胡蘿卜高塔的過程就成為一個(gè)驗(yàn)證和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的過程。借鑒驗(yàn)證型STEM活動(dòng)的科學(xué)課程，需要學(xué)生有一定的相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備。

二、探究型STEM

探究型STEM在探究性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上延伸而來，事先不知道可能的結(jié)果，探究的影響因素也往往有多種。學(xué)生要看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果才能判斷實(shí)驗(yàn)假設(shè)是否正確，并獲得某種知識(shí)。這一點(diǎn)不同于驗(yàn)證型STEM。

例如，筆者在一次培訓(xùn)中，觀摩了一堂“制作一個(gè)陀螺”的STEM展示課。教師讓學(xué)生從觀察陀螺的結(jié)構(gòu)入手，通過問題引導(dǎo)學(xué)生思考如何制作一個(gè)能夠穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的陀螺，并探究影響陀螺旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的因素。教師提供了智高玩具器材，讓學(xué)生從中自選材料制作一個(gè)陀螺，并設(shè)法讓它轉(zhuǎn)起來，通過觀察陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)的情況分析影響其穩(wěn)定性的因素，在改進(jìn)制作后再進(jìn)行調(diào)試。通過互動(dòng)交流，學(xué)生歸納了一些影響穩(wěn)定性的因素：一是陀螺的重心，重心越低旋轉(zhuǎn)越穩(wěn);二是布局尺寸，陀螺低處的直徑小一點(diǎn)，中間偏下的直徑大一點(diǎn)，盤面上部的軸要比下部的軸稍長(zhǎng)些。展示作品后各組分享了制作經(jīng)驗(yàn)，并優(yōu)化了陀螺的結(jié)構(gòu)。緊接著，教師組織學(xué)生開展“陀螺大戰(zhàn)”，看哪組陀螺旋轉(zhuǎn)最久，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生探究影響陀螺旋轉(zhuǎn)時(shí)間的因素。有學(xué)生認(rèn)為“轉(zhuǎn)得快的轉(zhuǎn)得時(shí)間也長(zhǎng)”，教師又追問“如何才能轉(zhuǎn)得快”，引導(dǎo)學(xué)生回顧學(xué)過的大齒輪帶動(dòng)小齒輪可以使轉(zhuǎn)速變快的知識(shí)。然后讓學(xué)生先畫出陀螺的設(shè)計(jì)圖，同時(shí)遵循“用最節(jié)省的材料打造最優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品”的設(shè)計(jì)理念，用現(xiàn)場(chǎng)的智高玩具器材完成制作，并可在制作和調(diào)試過程中不斷修改設(shè)計(jì)和改進(jìn)產(chǎn)品。

又如，筆者所在學(xué)校的教師組織四年級(jí)學(xué)生用硬紙片和火柴等成本更低的簡(jiǎn)單材料，進(jìn)行了類似的科學(xué)探究。學(xué)生先后探究了陀螺盤形狀與旋轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系，陀螺重心高低與旋轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系，陀螺中心平衡與旋轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系，陀螺質(zhì)量與旋轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系，陀面大小與旋轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系等（見圖1）。

以上的探究型STEM經(jīng)歷了“模仿設(shè)計(jì)—收集證據(jù)—實(shí)踐改進(jìn)—優(yōu)化思路—?jiǎng)?chuàng)新作品”等過程?？茖W(xué)探究活動(dòng)與此類似，也可以采取這一形式進(jìn)行活動(dòng)設(shè)計(jì)。

三、制造型STEM

在小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于課程內(nèi)容的第四大板塊“技術(shù)與工程領(lǐng)域”中提出：人類為實(shí)現(xiàn)自己的需要，對(duì)已有的物質(zhì)材料和生活環(huán)境加以系統(tǒng)性的開發(fā)、生產(chǎn)、加工、建造等，這就是工程，工程的核心是建造[3]。而制造更趨向于小型化和具體化，指把原材料加工成適用的產(chǎn)品或器物的過程。

例如，一位教師展示了一節(jié)“沙漏”的制造型STEM課。該教師從沙漏的結(jié)構(gòu)入手，通過問題引導(dǎo)學(xué)生思考如何制作一個(gè)能夠計(jì)時(shí)一分鐘的沙漏。教師演示了一只準(zhǔn)備好的沙漏，學(xué)生發(fā)現(xiàn)這只沙漏不能計(jì)時(shí)一分鐘，那么是哪些因素影響了沙漏計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性呢？學(xué)生通過討論交流，歸納了兩方面的影響因素：一是沙子的數(shù)量;二是漏口的大小。接著，教師請(qǐng)學(xué)生利用課堂提供的一些結(jié)構(gòu)性材料制作沙漏。學(xué)生在不斷的嘗試、調(diào)試、改進(jìn)、再調(diào)試中，最終制作出了一個(gè)計(jì)時(shí)更接近一分鐘的沙漏。

以上教學(xué)以完成一件作品的形式，促進(jìn)了學(xué)生的思考與實(shí)踐，鼓勵(lì)學(xué)生在反復(fù)調(diào)試與改進(jìn)中完成制作。這種制造型的STEM經(jīng)歷了“模仿制作—實(shí)踐調(diào)試—優(yōu)化改進(jìn)—?jiǎng)?chuàng)新作品”的過程，在促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，提升學(xué)生動(dòng)手操作和積極思考的能力，使學(xué)生體驗(yàn)了將原材料加工成適用產(chǎn)品的過程，并獲得了成就感。

四、創(chuàng)造型STEM

小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中還提到：人類運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)和工程，創(chuàng)造了豐富多彩的人工世界。課標(biāo)在活動(dòng)建議中也提出：教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生，通過設(shè)計(jì)和制作一件作品或產(chǎn)品，了解設(shè)計(jì)作品、完成項(xiàng)目的基本過程;體會(huì)科技產(chǎn)品給生活帶來的方便和舒適;認(rèn)同創(chuàng)意設(shè)計(jì)能夠改善生活質(zhì)量[4]。科學(xué)教育要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到創(chuàng)造給社會(huì)帶來的益處，引導(dǎo)學(xué)生用創(chuàng)新的思想進(jìn)行創(chuàng)造，有意識(shí)地對(duì)世界進(jìn)行探索性勞動(dòng)。而創(chuàng)造型STEM強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，與課標(biāo)的要求高度一致。

例如，在“燈彩針刺”的創(chuàng)造型STEM課堂上，教師從引導(dǎo)學(xué)生欣賞非遺燈彩導(dǎo)入，通過交流燈彩的八大技法，即針、裱、糊、畫、刻、扎、結(jié)、拗，讓學(xué)生體會(huì)豐富的民間文化和燈彩工藝的特點(diǎn)。在接下來體驗(yàn)八大技法中的針刺技法環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察燈彩，了解哪個(gè)部位是針刺，并交流針刺的作用與特點(diǎn)，讓學(xué)生了解好的針刺應(yīng)具備的特征。課堂上，學(xué)生利用教師準(zhǔn)備好的材料和工具進(jìn)行了嘗試、展示、交流、改進(jìn)、創(chuàng)新、再嘗試。最后學(xué)生總結(jié)出了好的針刺應(yīng)具備圓潤(rùn)、細(xì)膩、透光性好等特點(diǎn);體會(huì)到操作的技巧是要扎得深、扎得直、扎得勻;認(rèn)識(shí)到針刺時(shí)心要細(xì)、手要慢，還要有耐心。最后環(huán)節(jié)是對(duì)比人工針刺與機(jī)器針刺的不同，體會(huì)到人工燈彩針刺作品更具靈活性和創(chuàng)新性，并由于人在勞動(dòng)中傾注了情感，使每一件燈彩都成為獨(dú)一無二的作品。這堂科學(xué)課，不僅讓學(xué)生在實(shí)踐中體驗(yàn)了燈彩針刺的技能技巧，更重要的是鼓勵(lì)學(xué)生在基本技法的基礎(chǔ)上，大膽創(chuàng)新，制作出富有個(gè)性的燈彩針刺作品（見圖2）。

綜上所述，每種類型的STEM活動(dòng)都有其側(cè)重的一面，但不同類型又有其共通之處，甚至有時(shí)很難區(qū)分它們到底屬于哪個(gè)類別。在小學(xué)科學(xué)課程活動(dòng)設(shè)計(jì)中，特別是涉及技術(shù)與工程領(lǐng)域時(shí)，可以通過預(yù)設(shè)問題情境，在“模仿設(shè)計(jì)—實(shí)踐改進(jìn)—優(yōu)化思路—?jiǎng)?chuàng)新作品”的過程中，引導(dǎo)學(xué)生思考解決問題的方案，設(shè)計(jì)制作工具或“產(chǎn)品”來解決現(xiàn)實(shí)問題或滿足現(xiàn)實(shí)需要，促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)提升綜合能力，并學(xué)會(huì)運(yùn)用理性方法對(duì)問題進(jìn)行驗(yàn)證。

總之，STEM教育提倡科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等不同學(xué)科之間相互支撐、相互補(bǔ)充、共同發(fā)展，倡導(dǎo)不同學(xué)科之間的相互融合，在交互與碰撞中使學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解，實(shí)現(xiàn)更有意義的學(xué)習(xí)，真正培養(yǎng)學(xué)生的工程思維與科學(xué)精神。小學(xué)科學(xué)課程是實(shí)施STEM教育的良好載體，教師在考慮如何將STEM活動(dòng)或?qū)W習(xí)方式引入小學(xué)科學(xué)課堂時(shí)，更要有意識(shí)地將STEM教育理念融入科學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1][3][4]中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2017.

[2]傅騫，劉鵬飛.從驗(yàn)證到創(chuàng)造——中小學(xué)STEM教育應(yīng)用模式研究[J].中國(guó)電化教育，2016（4）：71-78，105.

（責(zé)任編輯 ? 郭向和）