在小學科學單元式教學中實施基于項目的STEM學習框架初探

唐皓 葉寶妮

摘? 要 基于項目的STEM學習的特點，以及教材本身大單元組織形式且單元主題明晰、結構完整的優(yōu)勢，結合實踐中的具體問題進行調整、改進，最后總結、提煉形成基于項目的STEM學習教學框架，通過“沉和浮”單元的案例解讀，分享基于項目的STEM學習富有成效的初步嘗試和思考。

關鍵詞 STEM學習框架;小學科學;沉和浮

中圖分類號：G623.6? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）05-0097-04

1 引言

通過市級名師課題“基于項目的STEM學習在小學科學課程中的實踐研究”，筆者所在課題組認識到，將STEM學習以項目的方式應用到小學科學課程，有利于培養(yǎng)學生綜合運用知識創(chuàng)造性解決生活實際問題的能力。但如何把STEM學習以項目的方式應用到小學科學課堂中呢？為此，本課題組認真研究了解決問題的四步循環(huán)賽耶模型、BSCS 5E模型、基于探究的學習步驟等三種學習方式，并圍繞基于項目的STEM學習的特點以及將實踐中的問題結合起來，再針對科學教材本身大單元組織形式且每個單元主題明晰、結構完整的特點，通過大量的案例研究、總結、提煉，初步形成在小學科學課堂教學中實施的基于項目的STEM學習教學框架（如圖1所示）。

課題組從課堂教學實踐中總結、提煉出來的這個框架適用于一般的基于項目的STEM學習，從它的第一個環(huán)節(jié)到最后一個環(huán)節(jié)，能夠讓兒童將所學知識應用到現實生活中，經歷對自己的方案進行勾勒、規(guī)劃、設計、構建和測試的過程。落實在單元學習伊始即提出項目任務;接著分解任務，發(fā)現新的問題（分解問題的過程）;重點在第三個環(huán)節(jié)，即圍繞新問題，通過探究式學習構建項目需要解決的若干科學概念;第四、第五個環(huán)節(jié)應用前面構建的概念融入設計技術技能;第六、第七個環(huán)節(jié)主要運用工程技術，而數學則需要在每一個環(huán)節(jié)得到體現和運用。最后，這是一個循環(huán)的過程，它可以是學生通過反思，覺得方案還可以進一步調整、完善，也可以是這個項目任務完成后準備進入下一個項目的學習過程，在這樣的循環(huán)式螺旋上升過程中，提升學生融合STEM技能解決現實問題的能力。

下面就以五年級下學期“沉和浮”單元的教學實踐為例，探索在教學實踐中落實基于項目的STEM學習框架的操作策略。

2 解讀教材，明確課程目標，開發(fā)適合單元教學實施的項目任務

克伯屈在對“項目”的定義中提出：“在任何有目的的經歷和目的性很強的活動中，目的占主導地位，也是內在激勵因素：給行動目標定位;指導行動過程;提供驅動力和內在動力?！币虼?，在基于項目的STEM學習中，如何確定項目任務就顯得十分重要。通過教學實踐，課題組認為挖掘教材，結合單元學習內容，抓住單元知識學習完成后能進行創(chuàng)作的項目，就是每一個基于項目的STEM學習項目任務的主要來源。

“沉和浮”是教科版《科學》五年級下冊第一單元，教材是從物體的沉浮現象開始，在一系列的探究活動中探尋物體沉浮的規(guī)律，研究影響沉浮的變量，最后形成有關沉浮現象的解釋。有了這些基礎，在第四課進行“造一艘小船”的活動。這個活動的開展先是讓學生探索用橡皮泥造船，通過改進船的形狀增大船浸入水中的體積，從而體會沉浮和排水量的關系，最后才讓學生按照自己設計的方案制造小船，激發(fā)學生的創(chuàng)作欲望。教材內容的邏輯關系見圖2。

正是由于教材的呈現方式使得造一艘小船成為純制作任務，在一般的教學中重點往往在用橡皮泥做一艘小船的活動，自己設計制作小船的活動只能放到課外完成，導致有興趣的學生積極完成，而多數學生由于時間等因素就忽略了。

3 圍繞基于項目的STEM教學框架，調整單元教學結構為任務統(tǒng)領

課題組在實施基于項目的STEM學習過程中，很強調在課堂上完成項目任務，而不是讓學生帶回家作為課外拓展來完成。

要避免以上各種因素對新的學習方式的不利影響，課題組首先圍繞教材的教學內容，結合基于項目的STEM學習“明確的結果”和“模糊的任務”的特點，調整整個單元的設計思路，具體如圖3所示。

4 以項目任務為統(tǒng)領，促進教學框架中每個環(huán)節(jié)的落實

第一個環(huán)節(jié)：創(chuàng)設情境，引出任務? 工程和設計的特點是解決真實的問題，在科學課堂怎么引入項目任務？筆者的建議是：有了項目任務，設計者需要創(chuàng)設一個真實的問題情境，激發(fā)學生的學習動機。所以在本單元的第一課，課題組就通過圖片和故事，創(chuàng)設一個山村小學學生上學用的小船年久失修，大家?guī)椭匦略齑那榫?，讓學生進入一個真實的情境，激發(fā)他們幫助當地兒童造船的愿望。

第二個環(huán)節(jié)：分解任務，重新定義? 對于學生來說，如何建造一艘能承重的船，在他們腦子里的原始想法是怎樣的呢？課題組讓學生結合自己已有經驗完成第一次設計，他們的想法很簡單，都是有個船型的上浮材料而已，從而可以分解出更具體的任務，引導他們進一步探究物體沉浮的相關因素。

第三個環(huán)節(jié)：探究學習，形成概念? 這個環(huán)節(jié)正好和教材內容十分吻合，設計者通過典型的探究活動，引導學生探尋物體沉浮的規(guī)律，研究影響沉浮的變量，最后形成有關沉浮現象的解釋：一是用浮力和重力的關系解釋沉浮現象;二是從密度的層面解釋沉浮現象。這些概念為學生后面設計小船奠定了知識和能力的儲備。

在此過程中，在教學第六課“下沉的物體也會受到水的浮力嗎”后，設計更高的要求：鄉(xiāng)村條件艱苦，為了小船更結實堅固，能用下沉材料制作小船可以加4分。為此進行第二次小船設計，并明確提出要求：全船采用下沉材料加4分;要有船的形狀（能載客）;模擬河流的長度大約20厘米，寬度約15厘米;載重量不低于5個鉤碼。學生的設計明顯考慮到材料的堅固以及想辦法增加其排水量。

第四個環(huán)節(jié)：頭腦風暴，層層深化設計? 在單元學習前調動已有經驗完成第一次設計，學生頭腦中還沒有關于沉浮的概念;在學習了影響沉浮的因素，特別是探究了下沉的物體也會受到水的浮力后，進一步調整設計要求，引導學生結合剛學習的沉浮知識，對材料大膽進行嘗試，并嘗試改變下沉材料的形狀、結構來增加浮力。從第二次設計可以看出，學生對材料選擇的變化雖然不成熟，但能大膽嘗試，值得欣慰。

最后在單元新知探究結束后，學習小組利用剛通過大量探究活動形成的相關沉浮的概念，充分開展頭腦風暴，打開思路，力圖形成更多的小船設計方案，鼓勵學生大膽創(chuàng)新，產生多個可選方案。

第五個環(huán)節(jié)：交流碰撞，形成最佳方案? 這時一定要回到之前創(chuàng)設的真實情境，根據鄉(xiāng)村的實際情況，小船的安全性要求最高，寬度、長度要符合要求，成本必須控制在最低，載客量要達標，才能保證每個學生都能上學。只有綜合考慮這些因素，才能造一艘他們需要的小船。于是各小組結合影響的各種因素，對方案進行篩選和修改，完善自己的方案，然后把這個方案在全班交流;讓大家對每個組的設計提出意見或者疑問，各小組答疑，促進小組進一步完善方案;最后進行小組分工，明確需要帶的材料、工具等細節(jié)，此時他們個個摩拳擦掌，恨不得馬上就制作。

第四、第五個環(huán)節(jié)最核心的技能就是設計。通過第一次、第二次的設計，學生了解如何將自己的思考用圖示的方法形象地呈現出來;第三次設計，教師要教給學生設計的幾個要素，讓學生的設計更全面，幫助學生讓思維具有可見性。

第六個環(huán)節(jié)：合作建造，形成作品? 在這個環(huán)節(jié)準備材料是基礎，學生一般不能把全部材料帶齊，教師要結合學生的情況，提前準備一些材料，如錫箔紙、膠帶、橡皮泥、泡沫、木塊等常見材料，以避免學生制作時沒有材料。其次是小組分工合作，讓學生共同協(xié)商，用自己帶的材料建造一艘小船。他們由于用的材料不同，建造的方法五花八門：有的用熱熔槍連接塑料的船體，有的用電烙鐵焊接鐵質的船身，有的用502膠水粘貼玻璃瓶的甲板，有的用剪刀加工易拉罐，有的用手折疊錫箔紙做船身，有的揉捏橡皮泥做船身……整個教室充滿熱烈的氣氛，但每個學生都親手使用各種工具進行制作活動，教師也被吸引到他們的活動中，不知不覺中一節(jié)課很快就過去了。

這個環(huán)節(jié)中工程技術是主導，它促進學生動手實現自己的方案，做出一個特別的、不同于別組的小船以解決鄉(xiāng)村孩子上學的問題。有的學生為了船身結實而用了焊接技術?？粗凰宜倚〈谒麄兪种姓Q生，那種興奮、激動、成就感，說明本活動對學生工程能力的培養(yǎng)是富有成效的。

第七個環(huán)節(jié)：展示分享，測試評價? 這是學生最激動的時刻，近一個月的學習和交流，他們等待的就是成果展示的這一刻。首先給學生十分鐘進行全班跨組交流，就是一個組留一位學生介紹，其他學生到別的小組參觀，聽別人介紹他們的小船是怎么做的，特點是什么。一個人至少參觀四個小組，并且給每個小組打分：外形、結實、造價、平穩(wěn)度，每項2分，并說出打分的理由。接著就是稱重量比賽，一個鉤碼一個鉤碼不斷淘汰，最后選出承重最多的前三名。全年級最多承重22個，最少兩個。學生雖然計較著鉤碼的多少，在評價時也欣賞有的組全用的下沉材料，有的組外觀很漂亮，有的組外形新穎等。還有的學生提出自己的改進意見。

最后，按照之前提出的評價細則進行打分：每次設計2分（共三次）;作品外觀、結實、造價、平穩(wěn)度的全班評價10分;全船用下沉材料4分，用一半下沉材料1分;承重不低于5個鉤碼7分，承重第一加3分、第二加2分、第三加1分，不足5個鉤碼5分。制作小船項目的分直接加入期末的科學成績評價中。

第八個環(huán)節(jié)：總結反思，深度學習? 基于項目的STEM學習是“以學生為中心”的教學，教師監(jiān)控和反饋得太多或者太少，都會阻礙學生學習。高質量的教學與反饋相平衡，讓學生有機會來反思自己的學習過程，從他人那里得到反饋并據此調整行為以及評估自己的觀點，這就是有深度的學習。

通過學生的評價得分以及自我總結反思的情況反饋，課題組感受到，親歷過程讓學生感觸良多，可以看出他們能運用在科學探究中獲得的關于沉浮的概念性知識，包括：同體積時重的物體容易沉、輕的容易浮;改變物體的形狀可以增加排水量，讓浮力增大;水中溶解了物質，可以增加浮力;等等。這些概念性知識幫助學生在設計制作小船的項目活動中組織整理事實性知識，如怎么選擇制作小船的材料，怎么改變材料的形狀，甚至在水里加鹽……這個過程讓概念性知識變得更清晰。反過來，概念性知識又加強了學生對事實性知識的理解。同時，學生對自己的設計的長處和缺陷進行批判性思考，真正實現為理解而教。

第九個環(huán)節(jié)：調整方案或進入新項目? 基于項目的STEM學習是一個螺旋式漸進的發(fā)展過程，幾個環(huán)節(jié)不是封閉的，而是開放的、呈螺旋上升的趨勢。所以，第九個環(huán)節(jié)可以是學生通過反思，覺得方案還可以進一步調整、完善，那就直接進入頭腦風暴，形成新的方案環(huán)節(jié);也可以是這個項目任務完成后準備進入下一個項目的學習過程，在這樣的循環(huán)式螺旋上升過程中，提升學生融合STEM技能解決現實問題的能力。

這種學習方式也受到家長好評，既培養(yǎng)了學生的動手能力、觀察能力，又培養(yǎng)了學生分析與解決問題的能力，幫助他們獲得不少物理知識，為以后的學習打下良好基礎。

5 結語

成果是顯著的，但是由于基于項目的STEM學習框架只是課題組在研究的初級階段形成的，還需要不斷提煉、完善，以適應不同的項目任務。筆者相信，通過后期深入的課題研究，一定能構建出更精煉、更有實效、更便于操作的學習框架并形成適合各種基于項目的STEM教學模式，為學生科學、數學、技術與工程能力的綜合提升提供更好更有效的教學方法。

作者：唐皓，成都市成華區(qū)教育科學研究院（610051）;葉寶妮，四川大學附屬實驗小學（610100）。