淺析STEM理念下初中科學拓展課程的構建

摘?要：在發(fā)展中國學生核心素養(yǎng)為背景下的學科教學，要求六大核心素養(yǎng)之間相互聯系、互相補充、相互促進，在不同情境中整體發(fā)揮作用，這就需要在學科教學中有更強的融合性。就科學學科而言，本來就是一門綜合學科，在學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)過程中，更應該注重與其他學科之間的大融合，特別是與技術、工程、數學之間融合來解決實際的問題，切實提高學生的科學精神和實踐創(chuàng)新能力。美國教育中的STEM教學對當下中國學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)有著一定的借鑒意義，特別是對科學的教學指導意義更為有效，但是在使用STEM教學的過程中，實際存在著很多的問題，筆者從拓展課程設計的角度，以利用科學知識解決實際問題為切入點，采用建模的方式，結合學生所學的數學知識、技術和工程素養(yǎng)來進行單元綜合學習，對培養(yǎng)學生的科學精神和實踐創(chuàng)新能力有一定的幫助。

關鍵詞：STEM;核心素養(yǎng);拓展課程

2016年9月，中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)研究成果發(fā)布，中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心，分為文化基礎、自主發(fā)展、社會參與三個方面，綜合表現為人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創(chuàng)新等六大素養(yǎng)，具體細化為國家認同等18個基本要點。以培養(yǎng)學生素養(yǎng)為要點的教育，會更加重視學科的融合性，大綜合趨勢會更加明顯。

美國的STEM就是一門大綜合融合課程，是由科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門課程融合而成，其重點是加強對學生四個方面的教育：一是科學素養(yǎng)，即運用科學知識（如物理、化學、生物科學和地球空間科學）理解自然界并參與影響自然界的過程;二是技術素養(yǎng)，也就是使用、管理、理解和評價技術的能力;三是工程素養(yǎng)，即對技術工程設計與開發(fā)過程的理解;四是數學素養(yǎng)，也就是學生發(fā)現、表達、解釋和解決多種情境下的數學問題的能力。

STEM教育能對跨領域跨學科的知識進行整合，體現了學科之間大綜合的教育觀念，與當下中國學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)思路不謀而合。目前在科學學科的教學過程中，已經有很多的教師在自己的課程中引入STEM教學的理念，并開始探究適合中國學生的STEM教學形式。

一、 STEM理念下科學教學的問題分析

（一）教師層面：課堂設計為了追求STEM的完整性，忽略了教育規(guī)律

當下部分教師對STEM教育的理解就是在解決實際問題的時候一定要用到數學、科學、技術、工程四個方面的知識，為了課堂上能夠湊齊四個要素，往往生搬硬套，沒有從學生認知規(guī)律出發(fā)設計教學，導致課堂結構松散，學生只是走馬觀花地體驗了四門獨立的學科，但是為什么要這么做往往是稀里糊涂，一頭霧水。

（二）學生個人層面：以模仿教師的操作為主，缺少必要的學科思維養(yǎng)成過程

STEM課程對學生綜合能力的要求比較高，而學生欠缺的恰恰是綜合能力，特別是沒有經過體系學習的中國學生，在新授課的過程中，既要掌握新知識，又要與其他學生進行融合，還要應用知識，最后的結果往往只能是模仿教師，進行重復性的操作和識記，而沒有真正了解操作背后的隱含的學科原理、知識背景，只知其然而不知所以然。

（三）學生團隊層面：合作能力、合作方式有待改進

當前的科學教學，有探究必定有小組，殊不知，學生一直缺乏科學的、有計劃的小組合作學習的培養(yǎng)，學生沒有足夠的小組合作能力，也沒有比較合適的小組合作方式。我們仔細去觀察學生學習小組的討論，你就會發(fā)現，合作過多次的小組，往往存在一個或者兩個的核心人數，其他同學往往是聽從核心人物的要求去完成一些任務，但是為什么需要這么做，好多學生根本就不清楚;臨時組建的小組，有時候連基本的相互交流也會出現一些問題，如何能進行有效地合作？

綜合以上三點，結合目前教材的課程設置，如果能夠以小組合作的形式，在單元學習之后，以拓展課的形式進行單元整合課程的設置，既有利于教師在更多的資源下能進行有效地融合課程設計，也有利于學生在形成一定學科素養(yǎng)的基礎上進一步了解科學原理和內涵，更能夠使學生在平時合作學習的基礎上進行更深入地合作。

二、 STEM理念下的科學拓展課程設計的指導思想

（一）真實情境化設計原則

情境學習理論認為，學習者的學習動機源于現實情境，情境學習理論將學習者視為情境的組成要素，因此教師不止要創(chuàng)設較為真實的情境，特別是學生曾經經歷過或者聽說過的情境，更應該鼓勵學生成為真實情境的創(chuàng)設者，利用已有的學科知識來分析問題、探索問題、解決問題。當學生以情境創(chuàng)設者的身份參與學習的過程并最終解決問題，將獲得成就感，學習的興趣將會獲得持久的提升。

（二）注重有效學習支架設計的原則

為促進學習者對知識的真正理解以及思維的發(fā)展，教師、同伴或者其他人提供的一切支持和幫助，我們都成為學習支架。問題是學習過程中最常見的支架，有經驗的教師會在學生的學習過程中自然地、應機地提供問題支架。教師可以針對學生在解決實際問題可能會遇到的問題，設置有效的轉換支架，搭建合理的思維橋梁，幫助學生轉換所獲得的信息，促進知識的內化和科學學科素養(yǎng)的形成。

（三）注重課程融合性的原則

STEM教育不是四門學科的純粹相加，或者按照一定的秩序排放，而是通過實際的情境，在解決實際問題的過程中，將四門學科有機地融合在一起，不僅要運用四門學科涉及知識、技能和理念，還要通過實踐操作，鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，切實“改變高分低能”的現狀。

三、 教學實踐——以“曹沖稱象——浮力秤的制作”拓展課程為例進行教學實踐

浮力是初中科學繼《密度》《壓強》后學習的第三個帶計算的物理知識，對于學生來說，學習難度較大，下面以“曹沖稱象——浮力秤的制作”拓展課程為例，建立STEM理念下拓展課程教學設計，設計思路如下：

本節(jié)拓展課安排在浮力學習結束之后，以浮力秤的制作和使用作為課程的核心，但是教學設計并不是直接告訴學生我們今天要制作一個浮力秤，而是通過曹沖稱象的故事引入，具體教學過程如下：

課前小組任務分工：四人小組搭配和小組分工：1號同學負責管理器材和匯總討論結果，2號同學作為實驗操作員（主要是浮力秤制作），3號作為副操作員（協助主操作員），4號同學作專門負責畫刻度線和記錄數據，完成得好的組，主操作員可以去其他組幫忙，給予小組加分。

任務一、根據故事情節(jié)，再現曹沖稱象的過程

任務推進過程：

師：大家聽過曹沖稱象的故事嗎？誰來給大家講一下？

生：一位學生講述曹沖稱象的故事，其他學生補充。

師：你能不能學著曹沖的樣子，利用大家桌子上的船模型和大象模型，找出和大象質量一樣的沙子？

學生小組動手實驗，教師到各個小組指導，尤其是指導如何讓船不傾斜漂浮，以及在船上貼標簽紙方便畫線。

任務一競賽環(huán)節(jié)：各組稱下自己小組的沙子質量，教師公布大象模型的質量，比一比哪個小組操作的水平最高。

小組討論：如何操作可以得到更接近大象質量的沙子？

任務二、利用模型船來做浮力秤

師：恭喜大家都稱量出來的大象的質量，如果曹操又得到了一頭長頸鹿，大家會測量嗎？

生：用同樣的辦法測量。

師：如果是犀牛、獅子的質量呢？

生：也可以一樣測量。

師：但是每測一種動物，都要把石塊搬上搬下，太辛苦了，大家能不能改進一下？

生：每加10千克石頭畫一條線，到時候根據畫線的刻度來估計動物的質量就可以了。

學生動手實驗：請大家利用鉤碼和船的模型，給船畫上刻度線，要求兩條刻度線之間的刻度差為1N，小組分工與剛才一樣。

任務二的實質就是制作浮力秤，在制作的過程中，學生自然的將科學原理、數學計算、工程和技術有機的結合在一起了，同時學生之間分工合作，團結協作。

師：剛才我們在船上畫上了刻度，你感覺這個實際上是一個什么東西？

生：好像就是一個浮力秤。

師：這個浮力秤的刻度好像和我們上課講的不一樣，刻度不均勻，大家知道為什么嗎？

生：因為這個船底部不是柱體，越往上截面積越大，所以刻度之間越來越小。

任務三、練習使用浮力秤

師：下面我們請大家用這個浮力秤來稱下其他動物的質量（其他動物在大家桌子上）。

學生開始利用浮力稱進行稱量，并記錄數據，教師給出其他動物模型的重力，并由小組討論稱量偏差產生的原因。最后，根據偏差的大小進行小組的評比并布置課后作業(yè)——制作精確度更高的浮力秤。

綜上整個過程，我們從曹沖稱象的情境出發(fā)，通過再現稱象的過程，自然地過渡到稱量其他動物，整個過程都沒有說要做一個浮力秤，但是卻做出了浮力秤的原型，說明了很多發(fā)現都源自生活。同時，在同學們制作的過程中，有效的融合了數學、工程、技術和科學相關的知識，學生解決實際問題的能力得到提升，并在課后的作業(yè)——制作刻度均勻的浮力秤中得到更為全面的鍛煉。

四、 實踐反思——基于STEM理念下科學拓展課程設計的注意事項。

（一）學生的小組合作能力需要持續(xù)的培養(yǎng)

要在學習過程中建立長效的學習小組，平時要進行小組合作的相關培訓，要讓每一位孩子知道在小組中自己該做什么，該怎么做;要建立小組評價機制和學生個人評價體系，以此促進學生主觀能動性的提高;要充分發(fā)揮小組核心人物的優(yōu)勢，促成生生互學氛圍的營造，讓學生之間相互學、幫助學成為小組合作的常態(tài);只有這樣，才能建立真正意義上的學習小組。STEM課程應該是建立在成熟學習小組的基礎上的。

（二）學科地整合要聚焦工程

教師要有效利用實際的情境，引導學生利用科學探究、數學計算、技術知識與技能的應用來完成工程項目，而不是簡單地涵蓋了四門學科的內容就算完成任務了，應該是四門學科彼此交織，缺一不可。比如在浮力秤的制作過程中，缺少了數學計算就難以在刻度線上標數值，缺少了科學原理也就不能理解為什么小石子的重力等于大象的重力，沒有一定的技術，也不能保證船水平漂浮，最終將船改裝成浮力秤其實就是一個工程。把學習作為一個實際的工程項目來完成，比較符合STEM教學的理念。

（三）課堂的模式要開放

STEM課程具有開放性，而拓展課程的設計以學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)為目標，擺脫了教材的諸多限制，具有更強的開放性，因此需要設計更為開放的課堂模式來適應拓展課程的要求。開放的課堂需要學生有更強的自主性，教師要設置更為合理的實際情境來增強學生參與的積極性，開放的課堂需要學生有更多的自由學習時間，教師就應該減少講課的時間，把時間留給孩子們自主學習和相互交流，教師要選擇適合于討論交流的實際情境，簡單來說是選擇學生熟悉的、有一定生活基礎的情境來組織教學。

五、 結語

以核心素養(yǎng)為培養(yǎng)背景的科學教學，必須從傳統的以知識為主要目標的教學，轉變?yōu)槿绾斡行囵B(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，需要對課程進行整合。教師要從實際問題的情境出發(fā)設計科學拓展課程，在課程設置中要注意聚焦工程，整合科學探究、數學思維、技術知識與技能的應用技巧。教師要在課堂上要充分發(fā)揮學生的主觀能動性，在長期的小組合作探究中，在解決問題的情境中，進一步促成學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

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作者簡介：張華剛，浙江省杭州市，浙江省杭州市余杭區(qū)徑山鎮(zhèn)中學。