基于STEM教育理念的“教學+活動”項目式設(shè)計的探索

李定宇

STEM教育以多學科整合項目化的特點以及以創(chuàng)新實踐能力為培養(yǎng)宗旨的目標在國際上廣受關(guān)注，在我國，各個地區(qū)也以不同的方式展開了不同程度的STEM教育的嘗試與改革?；谖覈A(chǔ)教育在內(nèi)容上重理論輕實踐、重結(jié)果輕過程，缺乏工程、技術(shù)類知識的授予與熏陶，造成學生普遍缺乏創(chuàng)新精神、實踐創(chuàng)造能力不足的現(xiàn)狀，在小學階段，基于STEM教育理念的“教學+活動”項目式設(shè)計有利于培養(yǎng)學生綜合運用科學、技術(shù)、工程、數(shù)學四方面知識和可能涉及的其他學科知識來分析和解決實際問題的能力。

科學是小學基礎(chǔ)學科課程，是面向全體學生的素質(zhì)教育內(nèi)容;社團作為拓展學生學科知識的空間，面向有科創(chuàng)興趣愛好的部分學生;科創(chuàng)活動是科技創(chuàng)新類的競技活動，面向特長生?！敖虒W+活動”項目指向?qū)W科教學、社團教學、科創(chuàng)活動的設(shè)計，科學學科教學是基礎(chǔ)，社團教學側(cè)重于不同學科知識的拓展，科創(chuàng)類活動則著重競技試練?！敖虒W+活動”項目設(shè)計可以解決教學與活動脫節(jié)、知識碎片化的弊端，以項目的形式層層深入，幫助學生建立知識主線上的聯(lián)系，既面向全體學生普及科學教育，又為科創(chuàng)特長生搭建成長的支架，形成一個承上啟下的整體。

一、科學學科知識整合—基于問題的學習方式

2017年教育部印發(fā)的《義務(wù)教育小學科學課程標準》提到“倡導(dǎo)跨學科學習方式”。小學科學是一門基礎(chǔ)性、實踐性、綜合性課程。小學科學課程的設(shè)計要從學生發(fā)現(xiàn)身邊的現(xiàn)象出發(fā)，通過學習認清事物發(fā)展的規(guī)律，在內(nèi)容上包含物質(zhì)科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術(shù)與工程四個領(lǐng)域[1]?！缎W科學（粵教科技版）》教材主編馬學軍認為，科學教學是教師指導(dǎo)和幫助學生發(fā)現(xiàn)生活中的問題，探索科學現(xiàn)象，揭示其中隱藏的科學規(guī)律，并將其應(yīng)用于生活實際，自主地建構(gòu)科學知識，形成良好的思維習慣，獲得初步的實踐能力，習得科學方法，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W精神的活動[2]。STEM教育理念為小學科學教學的設(shè)計與整合提供了一個探索視角（見圖1）。

《小學科學（粵教科技版）》教材四年級下冊第17課“設(shè)計與制作：風帆小車”將工程的處理問題與設(shè)計的過程引入科學課堂，側(cè)重于建立科學和工程中重要概念的聯(lián)系，是基于小學科學課程開發(fā)科學探究、工程技術(shù)實踐的課例。

（1）基于現(xiàn)象，運用已有知識解決新的問題。學生利用“設(shè)計風帆小車”獲得對材料的理解以及運用“風與物體的相互作用”的相關(guān)知識設(shè)計風帆小車，解決新的問題。

（2）協(xié)作探究，在平等溝通的基礎(chǔ)上勇于質(zhì)疑。學生在嘗試風帆小車設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行單因素實驗探究。在學生嘗試設(shè)計過程中，教師要保留學生的困惑和疑慮，引導(dǎo)學生勇于質(zhì)疑，直到他們可以精準判斷。

（3）精準判斷，用測量工具或數(shù)學方法進行量化。學生通過分組探究，經(jīng)過多次實驗，利用對比實驗，從而減少誤差。教師在設(shè)計中滲透科學實驗原則，盡可能控制其他條件不變，測量不同風帆小車行駛的距離。

（4）創(chuàng)造提升，在操作的過程中整合各領(lǐng)域知識?？茖W課堂整合工程技術(shù)的工程設(shè)計（確定需求—設(shè)計—制作—測試—改進）、物質(zhì)科學（如材料屬性的探究）、數(shù)學（如幾何圖形的面積問題）等領(lǐng)域知識設(shè)計實驗方案，分別探究影響風帆捕捉風能的效果的各種因素。

二、科技社團教學整合—面向體驗的學習方式

科技社團教學作為科學課堂教學的拓展模塊，以科學知識為基礎(chǔ)，深入挖掘科學知識的深度并整合聯(lián)系其他領(lǐng)域，增加社團教學的廣度?？萍忌鐖F教學是科學教學的“進階版”。社團教學設(shè)計不是簡單地將這些領(lǐng)域的知識點拼湊在一起，而是有目的、有方法地將其系統(tǒng)地組合成項目。在社團活動教學中，教師通過問題的提出及由淺入深的關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)設(shè)置逐步引導(dǎo)學生解決問題。學生作為活動主體，通過教師的引導(dǎo)發(fā)揮自主能動性，主動對感興趣的問題（項目）進行探索，嘗試解決問題和建立模型，對自己所收集的證據(jù)進行分析。社團基于學生已有的知識基礎(chǔ)，合理設(shè)置活動項目的難度、廣度和深度，以任務(wù)、討論、對話、探究的形式作為教學主旋律。下面以“STEM造夢空間”社團項目為例進行說明。

（1）基于問題進行科學探究。以“影子的智慧—物體成影與皮影的制作”活動為例。教師提出問題：影子是怎樣形成的？影子的大小為什么會變化？皮影戲是怎樣利用影子的形成規(guī)律進行表演的？還能用影子的形成規(guī)律來做什么？影子的形成對我們來說是否百利而無一害？在科學課堂教學中，學生們只學習了影子的基本概念和成影因素，在社團活動中則可以通過設(shè)置問題驅(qū)動深度挖掘，讓學生帶著這些疑問開展對影子與皮影戲的探索。

（2）基于現(xiàn)象進行技術(shù)設(shè)計。以“如何解決一次性紙杯的浪費問題？”活動為例。從紙杯的材料構(gòu)成、降解等方向著手，結(jié)合技術(shù)手段合理利用材料解決結(jié)構(gòu)連接問題，結(jié)合工程設(shè)計準則確定設(shè)計、執(zhí)行、反思與修正的思維過程，結(jié)合人文素養(yǎng)提升設(shè)計作品的美觀性、藝術(shù)性，結(jié)合數(shù)學知識保證圖形的對稱性。本次“紙杯回收利用”活動促使學生設(shè)計出了許多回收處理方案，創(chuàng)造出了一批關(guān)于紙杯的小制作、手工藝品。

（3）基于項目進行工程實踐。以“水過濾裝置”活動為例。教師提出問題：如果飲用水被污染了，如何凈化？任務(wù)要求學生采用較容易獲得的部件來設(shè)計過濾裝置，能夠讓渾濁的水變成清水。教師先引導(dǎo)學生參與討論，研究怎樣使渾濁的水變清;再引導(dǎo)學生畫一個濾水器的原型，接著引導(dǎo)學生設(shè)計并完成濾水器制作;最后引導(dǎo)學生展示與優(yōu)化作品，設(shè)計說明書，確定最終作品。

三、科創(chuàng)活動項目整合——基于項目的學習方式

科創(chuàng)活動指與科技創(chuàng)新相關(guān)的賽事或展示評比活動，參加科創(chuàng)活動可以讓學生將在科學課堂和社團教學中學到的知識予以遷移應(yīng)用、創(chuàng)新，在這個過程中，可以優(yōu)中選優(yōu)、再次升華，形成精英作品。賽事的氛圍、比賽的規(guī)則可以強化學生的體驗，提供培養(yǎng)問題解決能力的試練機會，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和深度學習能力。在活動項目的訓練上，教師圍繞一個競技的目標設(shè)計一系列的問題，促進學生參與到小組中開展研究，明確方案的標準和限制，并應(yīng)用科學概念去解決所遇到的問題。以青少年科技創(chuàng)新大賽作品“車與運動”為例。

（1）發(fā)現(xiàn)問題，提出問題。項目來源于參加車輛模型比賽的學生在車輛的制作與控制中，對車輛轉(zhuǎn)彎、變速的原理提出疑問。這個問題的解決有利于他們了解車輛結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律，更好地制作與控制小車，因此展開了小車轉(zhuǎn)彎、變速的探索。

（2）集體討論，提出方案。在集體討論環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學生確立了“齒輪模擬汽車變速器的基本原理探究”和“四驅(qū)車與其他小車轉(zhuǎn)彎過程比較的探究”兩個研究主題。學生通過資料的收集了解了汽車運行的規(guī)律和齒輪連動的特征，經(jīng)過集體討論得出可以利用齒輪和軸模擬車輪尋找轉(zhuǎn)動與連動的關(guān)系的結(jié)論，解決了汽車速度變化與齒輪大小的關(guān)系（變速器的雛形）的問題，并根據(jù)同一根軸上車輪速度一致的現(xiàn)象，思考如何協(xié)調(diào)兩個車輪的不同速度來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎（差速器的雛形）。

（3）設(shè)計模型，搭建原型。當學生理解了齒輪與運動規(guī)律，腦中形成了搭建變速器、差速器的基本模型的影像之后，教師引導(dǎo)學生確立第二階段主題“齒輪創(chuàng)意搭建解釋汽車運動狀態(tài)的探究”，聚焦變速器、差速器基本模型的搭建。學生嘗試根據(jù)猜想的結(jié)構(gòu)設(shè)計原型，利用齒輪、泡沫板和軸來搭建模型。

（4）測試原型，優(yōu)化作品。教師和學生重新審視問題的制約因素和目標，對變速器、差速器原型的運行進行測試，發(fā)現(xiàn)齒輪咬合不緊密、軸插入泡沫板容易松動等問題，通過工具的補充、材料的替換等迭代過程確定了最終成品。

（5）總結(jié)反思，表達展示。教師將以上探究的過程歸納為科技實踐活動方案，同時引導(dǎo)學生將過程記錄為科學研究論文，將創(chuàng)造的模型制作為小發(fā)明。教師和學生帶著作品積極參與展評活動，在青少年科技創(chuàng)新大賽、模型制作比賽和少年兒童發(fā)明評選等活動中獲得了不錯的成績。

基于STEM教育理念的“教學+活動”項目式設(shè)計迎合多元課程的融合學習和核心素養(yǎng)教育的需要，提供了主動學習的“環(huán)境+過程+經(jīng)歷”一體化設(shè)計，搭建了以“知識+技能+素養(yǎng)”為主題的多元化“學習+體驗+評估”項目體系，使學生能夠感受到現(xiàn)實生活提出的復(fù)雜挑戰(zhàn)，這樣能夠幫助學生提高問題解決能力、合作探究能力和溝通交流能力等。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育小學科學課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2017：2.

[2] 馬學軍. 將孩子們引向何處[J]. 湖北教育—科學課（小學版），2009（5）：1.

本文系東莞市教育科研“十三五”規(guī)劃2019年度立項課題“基于STEM教育下小學社團活動項目開發(fā)與應(yīng)用研究”（編號：2019GH060）的研究成果。

（作者單位：廣東省東莞市寮步鎮(zhèn)西溪小學）

責任編輯：孫昕

heartedu_sx@163.com