基于STEM的小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)項目設(shè)計

許春良

[摘 要]STEM教育的主要特征是“模糊的任務(wù)”和“明確的結(jié)果”，需要教師確定一個具有多項合理解決方案或?qū)我唤鉀Q方案有多種可行途徑的問題?！敖ㄔ爝\載小船”是小學(xué)科學(xué)課程中適合學(xué)生開展的一個項目設(shè)計案例，側(cè)重于讓學(xué)生借助數(shù)學(xué)的方法理解小船的體積與載重量之間的關(guān)系，滲透工程設(shè)計和技術(shù)應(yīng)用。整個項目設(shè)計分為前期、實施和后續(xù)三個板塊，在項目的核心實施板塊，設(shè)計“初建→反思→再建”的三錨式進(jìn)程，學(xué)生在這一時空里展開活動、分享和反思，實現(xiàn)數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)與科學(xué)的整合。

[關(guān)鍵詞]? 小學(xué)科學(xué);STEM;“建造運載小船”

STEM教育主要通過科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程設(shè)計與應(yīng)用于一體的融合式項目設(shè)計教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科技意識和創(chuàng)新能力。小學(xué)科學(xué)課程非常適合學(xué)生開展以問題解決為目標(biāo)、以實踐探究為形式的STEM項目學(xué)習(xí)。在此，筆者以“建造運載小船”為例，通過實現(xiàn)小船載重最大化的教學(xué)項目設(shè)計，拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維，引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)的方法，多維度地去思考、探究、解決客觀問題，進(jìn)而滿足學(xué)生的探索未知的欲望，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神和創(chuàng)新實踐能力。

一、項目實施過程及方法

（一）材料準(zhǔn)備

裝水的水槽、橡皮泥、厚紙、PVC板、學(xué)生用電動切割機、膠帶、膠槍和膠棒、圍棋子等。

（二）實施模式

從教學(xué)目標(biāo)上看，“建造運載小船”STEM項目，不是從研究船的形狀與結(jié)構(gòu)方面切入，而是側(cè)重于讓學(xué)生借助數(shù)學(xué)的方法理解小船的體積與載重量之間的聯(lián)系，工程設(shè)計和技術(shù)應(yīng)用所占的比例相對偏低。所以，教師將整個項目分為前期、實施和后續(xù)三個板塊，其中項目實施板塊是教學(xué)活動的核心，教師和學(xué)生主要在這一時空里展開活動、分享和反思。從學(xué)生“學(xué)”的角度看，主要經(jīng)歷“發(fā)揮創(chuàng)意→制作測量→記錄細(xì)節(jié)→交流展示→反思總結(jié)”這五個核心環(huán)節(jié)（見圖1）。發(fā)揮創(chuàng)意環(huán)節(jié)需要學(xué)生根據(jù)已有的生活經(jīng)驗和知識儲備，在頭腦中設(shè)計一艘浮在水上并能夠載重的小船;制作測量環(huán)節(jié)要求學(xué)生選擇某種材料，運用一定的制作技能，把自己的設(shè)計方案變?yōu)閷崒嵲谠诘哪Ｐ?，并進(jìn)行測試;記錄細(xì)節(jié)環(huán)節(jié)借助航海日志的方法，引導(dǎo)學(xué)生做好測試前后的記錄工作，要求能夠盡可能多地呈現(xiàn)出各種細(xì)節(jié);交流展示環(huán)節(jié)需要學(xué)生通過分享的方式，從自己和他人的活動中獲得啟發(fā);反思總結(jié)環(huán)節(jié)則是對整個學(xué)習(xí)活動加以提煉，形成較為統(tǒng)一的科學(xué)認(rèn)識。從教師“教”的角度看，項目實施中要對學(xué)生的探究活動提前設(shè)置合理預(yù)期，通過設(shè)置有趣的探究任務(wù)，促進(jìn)全體學(xué)生積極參與，引導(dǎo)他們發(fā)現(xiàn)各種有價值的信息，同時又能夠有效地控制課堂秩序，幫助學(xué)生形成科學(xué)結(jié)論。

（三）實施過程

在項目實施階段中，教師設(shè)計了“初建→反思→再建”三錨式進(jìn)程，在每個進(jìn)程中都讓學(xué)生使用數(shù)學(xué)的方法加以測量、評價、分析和總結(jié)。在初建進(jìn)程階段，學(xué)生將嘗試著用某種材料，來建造一艘浮在水上并能承載一定重量的小船;在反思進(jìn)程階段，學(xué)生將結(jié)合航海日志的繪寫，發(fā)現(xiàn)影響小船載重的諸多因素，并思考如何進(jìn)行完善;在再建進(jìn)程階段，學(xué)生將再次展開建船活動，并通過載重競賽的形式，發(fā)現(xiàn)小船體積與載重量之間的內(nèi)在聯(lián)系。

1.初造航船

教師組織學(xué)生觀看我國第一艘航空母艦“遼寧號”的首航畫面，這一活動的目的在于讓學(xué)生重新整理對航船的各種知識和細(xì)節(jié)，喚起民族的自豪感和使命感，為“造船”活動營造一種積極的氛圍。當(dāng)學(xué)生的情感被調(diào)動之后，教師布置如下任務(wù)：“請你們在10分鐘之內(nèi)制造一艘小船，不僅能讓它浮在水上，而且能夠承載一定的重量?！痹侔呀ù?種實物材料（橡皮泥、厚紙、PVC板）展示給學(xué)生。將學(xué)生分成4人一組，讓他們進(jìn)行簡短的討論，確定選用哪一種材料進(jìn)行制作，并商討如何確定所制造小船的載重量等細(xì)節(jié)問題。

學(xué)生按團隊所商討的制造方案進(jìn)行“造船”活動，并使用圍棋子作為檢測載重量的標(biāo)準(zhǔn)單位加以實際測試，要求他們將所造小船的外形及測試的結(jié)果記錄下來，以便與選用相同材料的其他團隊進(jìn)行比較和評估。在這個過程中，教師和學(xué)生明確各自的任務(wù)，教師要通過不停地巡視，重點觀察學(xué)生的一些活動細(xì)節(jié)，并用數(shù)碼相機記錄下具有探討價值的畫面，提醒學(xué)生關(guān)注并思考對策，為后面學(xué)生的航海日志交流環(huán)節(jié)提供真實直觀的圖片或視頻素材;學(xué)生要能夠發(fā)現(xiàn)自己所造小船存在的各種缺陷，并能夠從其他團隊的互相交流中獲得有用信息，以便為自己后續(xù)的建造和測試積累經(jīng)驗。

教學(xué)分析：STEM項目學(xué)習(xí)的核心特點之一，便是強調(diào)“模糊的任務(wù)”和“明確的結(jié)果”，而創(chuàng)建“模糊任務(wù)”的關(guān)鍵，則在于教師能否找到一個具有多項合理解決方案或?qū)我唤鉀Q方案有多種可行途徑的問題。在本項目中，建造小船就是一個“模糊的任務(wù)”，而能夠浮在水面并承載一定的重力就是一個“明確的結(jié)果”。要想實現(xiàn)這一任務(wù)，學(xué)生首先面臨的是小船材料的選擇問題，以及隨之而來的能承載多少重物的疑惑?！俺踉旌酱杯h(huán)節(jié)要求學(xué)生選擇某種材料來建造小船，體驗造船的樂趣，并發(fā)現(xiàn)造船不是想象中的那么簡單。學(xué)生遇到的實際問題越多，意味著圍繞這些問題所能展開的后續(xù)改進(jìn)措施就越多。

2.航海日志

學(xué)生完成建造和載重測試任務(wù)之后，教師隨即引導(dǎo)他們進(jìn)入整理“航海日志”環(huán)節(jié)。作為這艘小船的擁有者，學(xué)生的角色經(jīng)歷了多種變化，體驗了從無到有、從試航到沉沒的充滿興奮又稍帶遺憾的復(fù)雜心情。這時教師要趁熱打鐵，引導(dǎo)他們對這一過程進(jìn)行及時地反思和總結(jié)，整理航海日志則不失為一種有效的激勵教育方式。

航海日志沒有固定的模板，教師可事先為每組學(xué)生準(zhǔn)備空白紙張和水彩筆，讓學(xué)生以圖文并茂的方式記錄并呈現(xiàn)。航海日志應(yīng)包括建造小船所使用的材料、小船不同側(cè)面及整體的外觀圖，如果使用膠帶最好要標(biāo)出它的使用部位，還要盡可能準(zhǔn)確地在這些圖上標(biāo)注出這艘船的各種數(shù)據(jù)和信息，包括載有棋子前的“吃水線”、放置棋子的數(shù)量、漏水的各處部位及發(fā)生漏水的順序等。教師可以在此基礎(chǔ)上加以靈活調(diào)整，著重體現(xiàn)最有價值的細(xì)節(jié)，以適合教學(xué)目標(biāo)和課堂實際情況。

組織學(xué)生交流展示航海日志時，教師要做好充分的準(zhǔn)備，事先構(gòu)劃好所要交流的主題內(nèi)容、主題交流的順序、相關(guān)專業(yè)知識的鏈接等，以便于處理好不同小組在展示過程中有可能出現(xiàn)的語言表達(dá)困難、單調(diào)重復(fù)、枯燥無味以及爭先恐后等課堂表現(xiàn)。如有必要可以讓學(xué)生根據(jù)實物進(jìn)行講解，力爭讓全體學(xué)生既能夠?qū)ψ约旱膶W(xué)習(xí)獲得真實客觀的評價，也可以參與到對其他小組的學(xué)習(xí)評估中去，以獲得有深度的學(xué)習(xí)效果。

教學(xué)分析：STEM項目學(xué)習(xí)中的課堂管理，是以促進(jìn)學(xué)生的積極參與和控制混亂局面為基礎(chǔ)的。所以，在這一環(huán)節(jié)，教師應(yīng)事先考慮好航海日志的內(nèi)容設(shè)計，以便讓學(xué)生能夠全面詳細(xì)地記錄下建造和測試過程中的各種經(jīng)驗和教訓(xùn)，讓學(xué)生“有事做”，知道“怎樣做”。這一環(huán)節(jié)的活動目的，不在于評選出哪個團隊的設(shè)計建造方案為最優(yōu)，而在于讓學(xué)生通過這一真實有趣的活動，識別出自己在哪些方面需要進(jìn)一步改善與提高。

3.重建航船

學(xué)生通過建造小船這一初始“模糊的任務(wù)”，對如何提高小船的載重量有了比較“明確的結(jié)果”，他們通過繪寫航海日志、與他人交流后獲知：影響小船載重的因素有很多，如造船材料、建造技術(shù)、棋子擺放等都有可能成為限制小船載重量的短板。此時，教師可以讓學(xué)生圍繞某一方面展開新一輪的造船活動。本環(huán)節(jié)選擇的“新一輪模糊任務(wù)”是采用A4紙大小的PVC板材和熱膠棒，重新建造一艘載重量盡可能大的小船。教師引導(dǎo)學(xué)生通過具體的測量以及引入簡單直觀的函數(shù)圖像等方式，讓學(xué)生理解“所建造的小船容積越大，所能承載的重量就越大”這一“更為明確的結(jié)果”。這一環(huán)節(jié)，教師要給學(xué)生留出足夠多的時間來設(shè)計小船的草圖。學(xué)生首先需要對A4紙的長和寬進(jìn)行測量，在此基礎(chǔ)上大致確定所設(shè)計船的外形?？紤]到大部分學(xué)生的設(shè)計和制造能力，學(xué)生所建造的船會非常接近于一個長方體，因此，教師可以讓學(xué)生在草圖上標(biāo)注出各部分的數(shù)據(jù)（主要是長、寬、高的數(shù)據(jù)），這樣方便學(xué)生按圖切割和拼接。教師提醒學(xué)生在正式測量載重量之前，要檢查一下它是否漏水并采取適當(dāng)?shù)难a救措施。要盡可能多地提供水槽，控制好測試區(qū)域的人流量和聲音，以減少對課堂的影響。

教師事先在黑板上繪制各組所建造小船的數(shù)據(jù)表，并讓學(xué)生結(jié)合最終的載重量進(jìn)行分析和歸納，引導(dǎo)他們發(fā)現(xiàn)小船體積和載重量之間的內(nèi)在聯(lián)系。教師介紹用數(shù)學(xué)方法所繪制的小船，在不同深度的情況下載重量的曲線變化圖，讓學(xué)生進(jìn)一步感知和理解小船體積與載重量之間的內(nèi)在聯(lián)系。最后出示一張A4紙所能建造的最大體積的小船設(shè)計圖，并取出事先建造好的這種小船進(jìn)行載重量測量，看一看能否成功挑戰(zhàn)班級里載重成績最好的小組。

教學(xué)分析：STEM項目學(xué)習(xí)的設(shè)計過程，總是始于一個可測量的目標(biāo)?？蓽y量分為兩種：一種是滿足或符合預(yù)期規(guī)定的技術(shù)要求，如要求學(xué)生建造一艘能浮在水上的小船;另一種是在具體的數(shù)學(xué)化測量中獲得優(yōu)勝。在本環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生試著用數(shù)學(xué)方法來尋找出事物之間的內(nèi)在關(guān)系，滲透了科學(xué)研究與工程實踐之間的一種理論假設(shè)與實際解決問題的最優(yōu)化思想。函數(shù)圖像的知識雖然對小學(xué)高年級的學(xué)生來講顯得頗為陌生，但作為一種設(shè)計思想，用它來統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)、構(gòu)建模型、預(yù)測系統(tǒng)的運行狀況，顯然是具有積極的意義。

二、項目教學(xué)反思及建議

（一）對“模糊的任務(wù)”的理解

“模糊的任務(wù)”意味著會產(chǎn)生更多的子任務(wù)?？茖W(xué)課中的探究性實驗，通常希望學(xué)生能夠得出自己的結(jié)論。而STEM則稍有不同，它始終指向某一具體實際問題的解決，并以此作為評估學(xué)習(xí)效果的主要依據(jù)，要求學(xué)生通過各自的設(shè)計完成某一手工制品，通過這一“眼前可見的產(chǎn)品”獲得對知識的理解。事實上，學(xué)生最終呈現(xiàn)的作品必然是各不相同的，這意味著他們在解決現(xiàn)實問題時，所采取的策略是各不相同的。通過初始的“模糊的任務(wù)”能夠讓學(xué)生意識到：載重小船的建造涉及到多種學(xué)科知識，具體包括材料、浮力、密度、形狀與結(jié)構(gòu)甚至流體力學(xué)等。一旦學(xué)生意識到了這一點，教師需要將任務(wù)“進(jìn)一步模糊化”，確定其中某一因素展開深入研究。在本項目中，教師選擇的是在材料限定的情況下，讓學(xué)生設(shè)計船體的合理形狀以獲得最大的承載量，從中可以清晰地看出，學(xué)生所要解決的“模糊的任務(wù)”在不斷進(jìn)化和重新定義。

（二）對“明確的結(jié)果”的理解

STEM項目學(xué)習(xí)中最具有爭議性的地方無疑是“明確的結(jié)果”。一個STEM項目如何才能讓學(xué)生獲得一個“明確的結(jié)果”，同時又不會對學(xué)生的創(chuàng)造性和靈活性產(chǎn)生負(fù)面作用，這對教師來講是一個巨大的挑戰(zhàn)。在建造承重小船的項目中，學(xué)生所使用的材料和數(shù)量有嚴(yán)格的限制，從數(shù)學(xué)和物理學(xué)的角度來講，必然存在著一種最合理的設(shè)計方案，能夠讓學(xué)生所制作出來的小船具有最大的載重量，問題是在于如何讓學(xué)生理解這一最佳方案產(chǎn)生的依據(jù)。如果直接向?qū)W生提供問題的答案或解決困難的具體措施，他們就不會竭力嘗試自己去發(fā)現(xiàn)問題和解決問題;反過來，教師如果忽略學(xué)生所遇到的正常問題，對他們不理不管，又極易把他們推入挫折的深淵，導(dǎo)致放棄原來的探究活動。因此，教師需要在每個活動階段保證所有學(xué)生能夠獲得一個“明確的結(jié)果”，通過這種帶有個人意義的學(xué)習(xí)結(jié)果，讓它和自己頭腦中原有的相關(guān)認(rèn)知概念產(chǎn)生互動，這樣能夠吸引他們持續(xù)的學(xué)習(xí)熱情和欲望。沒有了“明確的結(jié)果”，學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗特別是成就感會大打折扣。

目前，小學(xué)科學(xué)教學(xué)中各學(xué)科領(lǐng)域的相互交叉、融合、滲透已被廣泛關(guān)注。將STEM教學(xué)思想引入到小學(xué)科學(xué)課程體系中去，有利于轉(zhuǎn)變教師的課程觀，有助于教師的思維開放、教學(xué)視野的開闊，促進(jìn)教師在教學(xué)過程中更好地進(jìn)行跨學(xué)科融合。以項目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，將生活情境和社會問題置于學(xué)習(xí)中心，對培養(yǎng)學(xué)生整合多學(xué)科知識、動手動腦實踐的能力、解決現(xiàn)實生活中的實際問題以及訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力，都具有極其重要的意義。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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（責(zé)任編輯：符 潔）