基于STEM理念的課程對(duì)中小學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)
——以智能桌面實(shí)驗(yàn)盒學(xué)區(qū)課程為例

勞浩勛

(廣州市八一希望學(xué)校，廣東廣州，510000)

越秀區(qū)轄內(nèi)的16所中小學(xué)于2016年組成立體學(xué)區(qū)，以學(xué)區(qū)內(nèi)資源共享及交流合作為途徑。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，形成學(xué)區(qū)一體化課程開(kāi)發(fā)機(jī)制，共同建設(shè)體現(xiàn)學(xué)區(qū)特色的學(xué)區(qū)課程，能有效推動(dòng)教育向優(yōu)質(zhì)、均衡的方向發(fā)展，促進(jìn)教育公平。STEM和創(chuàng)客教育的興起，給技術(shù)學(xué)科特別是信息技術(shù)與通用技術(shù)學(xué)科帶來(lái)了新的生命力。課程教學(xué)融入STEM理念，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生不斷提問(wèn)、假設(shè)、探究、試錯(cuò)和總結(jié)的科學(xué)思維能力，給學(xué)生帶來(lái)全新的體驗(yàn)。

一、概念界定

進(jìn)行智能桌面實(shí)驗(yàn)盒項(xiàng)目中應(yīng)用STEM理念分析之前，有必要對(duì)STEM理念、學(xué)區(qū)課程、智能桌面實(shí)驗(yàn)盒、科學(xué)思維進(jìn)行概念界定。

(一)STEM教育理念

STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)四門(mén)學(xué)科英文首字母的縮寫(xiě)，學(xué)習(xí)者接受STEM教育有助于更深入地理解數(shù)學(xué)和科學(xué)等內(nèi)容，有助于培養(yǎng)自身在真實(shí)世界中運(yùn)用這些知識(shí)來(lái)解決跨學(xué)科問(wèn)題的能力。需要指出的是，STEM素養(yǎng)，一方面是上述四種素養(yǎng)的組合，另一方面是需要把學(xué)習(xí)到的各學(xué)科知識(shí)融合與整合、拓展與創(chuàng)新，最終轉(zhuǎn)變成有機(jī)整體。STEM教育的課程設(shè)計(jì)應(yīng)該使用“整合的課程設(shè)計(jì)模式”，旨在培養(yǎng)學(xué)生超越傳統(tǒng)學(xué)科界限，動(dòng)手解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

(二)科學(xué)思維

科學(xué)思維是一種正確、高效、具有可操作性的思維，在科技創(chuàng)新活動(dòng)中起到核心作用，是創(chuàng)新活動(dòng)的靈魂。科學(xué)思維方式強(qiáng)調(diào)的是思維加工處理方式和途徑的科學(xué)性。學(xué)生在開(kāi)展基于智能桌面實(shí)驗(yàn)盒的設(shè)計(jì)制作活動(dòng)的過(guò)程中不斷提問(wèn)、假設(shè)、探究、試錯(cuò)和總結(jié)，對(duì)自身用科學(xué)思維方式思考問(wèn)題、解決問(wèn)題有著積極的指導(dǎo)意義。

(三)智能桌面實(shí)驗(yàn)盒項(xiàng)目

智能桌面實(shí)驗(yàn)盒項(xiàng)目是技術(shù)學(xué)科的教育載體，STEM和創(chuàng)客教育的技術(shù)套件極為豐富，為智能桌面實(shí)驗(yàn)盒的設(shè)計(jì)提供了有力的支撐。廣州市第一中學(xué)、廣州市第三中學(xué)整合ScratchPi、樹(shù)莓派等產(chǎn)品，根據(jù)學(xué)習(xí)需求改件、補(bǔ)件，聯(lián)合設(shè)計(jì)了智能桌面實(shí)驗(yàn)盒1.0版本(表1)。

(四)學(xué)區(qū)課程

學(xué)區(qū)課程是一門(mén)特色創(chuàng)新的課程，應(yīng)是介于地方課程與校本課程之間的課程，是能體現(xiàn)學(xué)區(qū)教育思想和課程觀念的課程。它應(yīng)根據(jù)學(xué)區(qū)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)、政治、文化發(fā)展水平和對(duì)人才的特定需求，充分利用現(xiàn)有課程資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、實(shí)施。其本位一是為了立體學(xué)區(qū)，二是在立體學(xué)區(qū)的學(xué)校中，三是基于立體學(xué)區(qū)的所有學(xué)校。越秀區(qū)立體學(xué)區(qū)課程建設(shè)主要是在小學(xué)、初中、高中整個(gè)階段幫助學(xué)生進(jìn)行生涯規(guī)劃，將STEM教育理念應(yīng)用到智能桌面實(shí)驗(yàn)盒項(xiàng)目中，是重實(shí)踐的超學(xué)科教育概念創(chuàng)新，使STEM的內(nèi)涵和外延越來(lái)越豐富的同時(shí)也體現(xiàn)著創(chuàng)新科技、教育和技術(shù)協(xié)同發(fā)展的探索和趨勢(shì)。

表1 智能桌面實(shí)驗(yàn)盒1.0版本

二、STEM理念在智能桌面實(shí)驗(yàn)盒課程中的應(yīng)用案例

STEM理念的特點(diǎn)是在建立學(xué)科集成的過(guò)程中將學(xué)生思維習(xí)慣由“低階思維”向“高階思維”提升。2019年，筆者觀摩了廣州市少年宮與廣州市名教師工作室聯(lián)合開(kāi)展的基于STEM理念的智能桌面實(shí)驗(yàn)盒系列公益課堂，在基于活動(dòng)、項(xiàng)目、問(wèn)題解決的課堂上發(fā)現(xiàn)了有實(shí)現(xiàn)新課改目標(biāo)的可能性：教師與學(xué)生正在共同經(jīng)歷創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作并解決問(wèn)題的過(guò)程。筆者記錄、歸納、整理了以下優(yōu)點(diǎn)。

(一)玩轉(zhuǎn)創(chuàng)意編程，提升學(xué)生科學(xué)與技術(shù)素養(yǎng)

豐富多彩的游戲背后是怎樣的規(guī)則與布局？建構(gòu)一個(gè)個(gè)神秘的游戲世界需要怎樣的創(chuàng)造力與想象力？在體驗(yàn)課上，陳老師化身為“小小游戲設(shè)計(jì)師”，讓學(xué)生自主組合成6個(gè)組，每組4人，基于同樣的實(shí)驗(yàn)盒器材、初始程序和多學(xué)科知識(shí)錦囊，創(chuàng)造性地在90分鐘內(nèi)合作完成任務(wù)，一起設(shè)計(jì)出專(zhuān)屬小游戲。這將大大拓展和提升學(xué)生想象的空間。游戲一：學(xué)生要解密打地鼠這款既簡(jiǎn)單又充滿(mǎn)樂(lè)趣的游戲的制作過(guò)程，編寫(xiě)程序后，用傳感器實(shí)現(xiàn)用編程密語(yǔ)喚醒魔法之錘。游戲二：在浩瀚的宇宙中，一大波蝙蝠突然向宇宙飛船襲來(lái)，學(xué)生被迫加入了太空之戰(zhàn)。學(xué)生在完成任務(wù)過(guò)程中會(huì)不斷遇到新問(wèn)題，小組設(shè)計(jì)與制作的難度不斷加大：怎樣更快打到地鼠？如何精準(zhǔn)打中蝙蝠？需要用到哪些器材？怎樣快速編寫(xiě)程序？……教師引領(lǐng)學(xué)生逐步應(yīng)用STEM理念了解游戲背后的編程世界，在項(xiàng)目中突破常規(guī)思維，在解決問(wèn)題的過(guò)程中提升學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。

根據(jù)筆者觀測(cè)，在合作過(guò)程中，小組成員發(fā)揮各自獨(dú)特作用，每個(gè)學(xué)生都專(zhuān)注地設(shè)計(jì)、編寫(xiě)、搭建，思維是高度活躍的。這正是基于STEM理念的智能桌面盒下的理想課堂：既是玩耍，又是學(xué)習(xí)。學(xué)生用ScratchPi制作出自己團(tuán)隊(duì)的專(zhuān)屬游戲，體現(xiàn)了STEM 理念所倡導(dǎo)的學(xué)科集成理念：在問(wèn)題解決的基礎(chǔ)上進(jìn)行建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作與創(chuàng)造?？偨Y(jié)下來(lái)，課堂上團(tuán)隊(duì)制作現(xiàn)場(chǎng)具備真實(shí)情境、探究、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、解決問(wèn)題等要素，也是STEM理念所要達(dá)到的目的，即趣味編程讓學(xué)生的思維活躍起來(lái)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力、想象力和不斷試錯(cuò)的問(wèn)題解決能力。

(二)突出STEM理念的試錯(cuò)功能，體現(xiàn)科學(xué)性與創(chuàng)新性

智能桌面實(shí)驗(yàn)盒課程是避開(kāi)煩瑣的代碼語(yǔ)法也能做出精妙的創(chuàng)意編程的課程。在黃老師的帶領(lǐng)下，學(xué)生迎來(lái)創(chuàng)意無(wú)處不在的“蘋(píng)果大豐收”。在ScratchPi里要體驗(yàn)到“摘蘋(píng)果”的樂(lè)趣，學(xué)生就要思考如何才能進(jìn)行高效摘取和運(yùn)輸，考慮需要用到的工具。學(xué)生在設(shè)計(jì)、制作、展示、闡述的過(guò)程中總結(jié)和感悟，分享心得，提煉問(wèn)題，擬定修改方案，這體現(xiàn)了技術(shù)學(xué)科應(yīng)有的科學(xué)性與創(chuàng)新性。

李老師為大家介紹了新的硬件工具——傳感器，借助這一裝置，學(xué)生可以創(chuàng)作出更為豐富多彩的互動(dòng)作品。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)與制作環(huán)節(jié)中，學(xué)生自主探究，打開(kāi)程序，安裝驅(qū)動(dòng)，將傳感器與電腦連接起來(lái)。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，教師發(fā)揮協(xié)助、指導(dǎo)、監(jiān)督、評(píng)價(jià)的作用，允許學(xué)生反復(fù)試驗(yàn)，鼓勵(lì)組員之間相互糾錯(cuò)，讓學(xué)生設(shè)置接口，添加指令，隨著手在光敏傳感器上移動(dòng)、遮擋，燈或點(diǎn)亮或熄滅，再試試有什么新發(fā)現(xiàn)。在反饋完善的過(guò)程中，學(xué)生明白了“科學(xué)就是一個(gè)不斷犯錯(cuò)，不斷修正，不斷假設(shè)，不斷驗(yàn)證的過(guò)程”的道理。

(三)彰顯STEM理念對(duì)學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)多維度

在有限的時(shí)間里選用實(shí)驗(yàn)盒里的器材完成任務(wù)，是對(duì)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)造力的一種考查。在體驗(yàn)課堂現(xiàn)場(chǎng)，學(xué)生與李老師一起研究老鼠晚上才會(huì)出來(lái)覓食的原因。他們用ScratchPi模擬怕光的老鼠，將光敏傳感器與電腦連接起來(lái)，編寫(xiě)腳本，點(diǎn)擊綠旗后，仔細(xì)觀察舞臺(tái)發(fā)現(xiàn)：用手遮擋住光敏傳感器，當(dāng)昏暗的時(shí)候，“老鼠”便會(huì)出來(lái)覓食，將手移開(kāi)，燈光亮的時(shí)候，“老鼠”就被嚇跑了。在完成任務(wù)的構(gòu)思與制作過(guò)程中，學(xué)生的綜合能力、分析能力與實(shí)踐能力都將得到激發(fā)與展示，學(xué)生將成為一個(gè)全面發(fā)展的完整的人。

為了使課堂評(píng)價(jià)具有可實(shí)施性，有說(shuō)服力，在參考其他STEM科技項(xiàng)目規(guī)則及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，筆者采納了13位課程實(shí)施教師的建議，整合設(shè)計(jì)了三個(gè)有梯度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，多維度對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，詳見(jiàn)表2。清晰可量化，每一個(gè)梯度的上升也是對(duì)學(xué)生綜合能力的一次肯定。

表2 中小學(xué)智能桌面實(shí)驗(yàn)盒學(xué)區(qū)課程課堂評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

三、體現(xiàn)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的智能桌面實(shí)驗(yàn)盒課程

STEM理念注重打破學(xué)科界限，建立學(xué)科集成理念。這與核心素養(yǎng)的“跨領(lǐng)域性”強(qiáng)調(diào)其連接學(xué)科知識(shí)與生活世界(真實(shí)情境)的“可連接性”是不謀而合的。鑒于此，筆者梳理了智能桌面實(shí)驗(yàn)盒課程中體現(xiàn)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的精髓。

(一)彰顯人文底蘊(yùn)，提升科學(xué)精神

STEM理念以“智能桌面實(shí)驗(yàn)盒”作為教育載體，融入中外兒童故事和游戲，這是對(duì)人文積淀與情懷的一種喚醒與傳承。筆者發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在編程與制作的過(guò)程中，或多或少會(huì)對(duì)自己設(shè)計(jì)的作品賦予特殊的含義，有對(duì)傳統(tǒng)文化的理解，有對(duì)自己未來(lái)職業(yè)的向往……這正是學(xué)生人文底蘊(yùn)核心素養(yǎng)的顯性表現(xiàn)。

勇于探究、批判質(zhì)疑、理性思維的科學(xué)精神核心素養(yǎng)在基于STEM理念的智能桌面實(shí)驗(yàn)盒體驗(yàn)課中也得到了很好的體現(xiàn)?！昂Ｑ蟮纳钐帲瑑磹旱孽忯~(yú)要把海底所有的小魚(yú)都吃掉……”跟著陳老師的腳步，學(xué)生一起走進(jìn)“海洋”。怎么拯救小魚(yú)？怎么保護(hù)生態(tài)環(huán)境？怎么把生活語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言？對(duì)這些問(wèn)題的解答，學(xué)生需要綜合跨學(xué)科的知識(shí)與技能，運(yùn)用理性思維進(jìn)行批判質(zhì)疑，嘗試個(gè)性化的創(chuàng)新。

(二)真正學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新

體驗(yàn)課堂體現(xiàn)STEM理念，強(qiáng)調(diào)問(wèn)題的真實(shí)性，倡導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立完成每個(gè)項(xiàng)目，學(xué)生在項(xiàng)目完成過(guò)程中提升對(duì)信息的篩選能力，從網(wǎng)絡(luò)或其他渠道獲取有用的資源，更便捷地完成設(shè)計(jì)與制作，以達(dá)到理想的狀態(tài)。在體驗(yàn)課中，陳老師念起“嘛哩嘛哩哄”的咒語(yǔ)，學(xué)生就想到選用哪個(gè)傳感器才能產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，實(shí)現(xiàn)吹走前方障礙物的風(fēng)之魔法目的。謝老師提出有些生活噪聲是無(wú)法忍受的。在制作創(chuàng)意噪聲監(jiān)測(cè)儀的過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)循環(huán)往復(fù)的試驗(yàn)與改進(jìn)措施，不斷提高檢測(cè)儀的性能，達(dá)到準(zhǔn)確、便捷地用波形圖檢測(cè)聲音大小的目標(biāo)?；赟TEM理念的評(píng)價(jià)側(cè)重考查的是定義不良情況下學(xué)生的反應(yīng)，即實(shí)踐創(chuàng)新能力。這是對(duì)以往應(yīng)試教育下定義優(yōu)良問(wèn)題解決的一次改進(jìn)，與學(xué)生發(fā)展所倡導(dǎo)的實(shí)踐創(chuàng)新核心素養(yǎng)理念一致。

(三)構(gòu)建應(yīng)用智能桌面實(shí)驗(yàn)盒的教學(xué)流程

智能桌面實(shí)驗(yàn)盒課程參照“生活即教育”的理念，教學(xué)方法是“教學(xué)情境化、知識(shí)生活化、創(chuàng)作體驗(yàn)化”。筆者所在團(tuán)隊(duì)在基于STEM理念的體驗(yàn)課實(shí)踐中，總結(jié)出“1+1”雙師導(dǎo)學(xué)課內(nèi)翻轉(zhuǎn)的有效教學(xué)流程。(圖1)

圖1 智能桌面實(shí)驗(yàn)盒體驗(yàn)課(主教+助教)教學(xué)流程

四、結(jié)語(yǔ)

廣州市實(shí)施科技教育提升工程的建設(shè)需要更多STEM教育試點(diǎn)課程提供基礎(chǔ)支撐。作為一個(gè)融合STEM理念，創(chuàng)新與實(shí)踐并重的課程，考查學(xué)生在課堂活動(dòng)中思維開(kāi)發(fā)的過(guò)程將是重點(diǎn)。學(xué)生享受科學(xué)探索的過(guò)程，是發(fā)現(xiàn)自己隱性?xún)?yōu)點(diǎn)的過(guò)程，也是展示自己領(lǐng)導(dǎo)力、計(jì)劃力、學(xué)習(xí)力、創(chuàng)新力與綜合素養(yǎng)的過(guò)程。因此，如何依據(jù)學(xué)區(qū)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)學(xué)區(qū)課程，以STEM跨學(xué)科知識(shí)融合的教育理念，研究構(gòu)建和開(kāi)發(fā)具有跨學(xué)科性、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、設(shè)計(jì)性的全學(xué)段拓展性課程體系，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問(wèn)題解決的方式推進(jìn)實(shí)施科技教育提升工程是非常有價(jià)值的。