從工程實(shí)踐問題出發(fā)設(shè)計(jì)STEM課程

陳建平

STEM教育是科學(xué)教育的熱點(diǎn)話題。本文通過展示分析《讓橡皮泥浮起來》這一課的教學(xué)案例，研究依靠小學(xué)科學(xué)課程資源，從工程實(shí)踐問題出發(fā)，設(shè)計(jì)STEM課程，為STEM教育在小學(xué)科學(xué)課程中的實(shí)施提供一些參考。

STEM是Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學(xué)）的簡稱，旨在將原本分散的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門課程集合成一個(gè)新的整體。這一集合，不僅僅是課程的簡單組合，而是要把學(xué)生學(xué)習(xí)到的零碎知識(shí)轉(zhuǎn)變成一個(gè)探究世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的過程。它更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生在情境中提升設(shè)計(jì)能力、合作能力、問題解決能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

隨著STEM教育在我國的盛行，科學(xué)課程的改革全面展開。2017年頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，科學(xué)課程除原有的“物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域”“生命科學(xué)領(lǐng)域”“地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域”三大領(lǐng)域外，增設(shè)了“技術(shù)與工程領(lǐng)域”，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了科學(xué)課程與并行開設(shè)的語文、數(shù)學(xué)等課程的相互滲透，更加強(qiáng)調(diào)了STEM教育的重要性。倡導(dǎo)跨學(xué)科學(xué)習(xí)，建議老師開展形式多樣的STEM課程。小學(xué)科學(xué)課程融入STEM理念勢在必行。從工程實(shí)踐問題入手，開發(fā)并研究STEM課程，是落實(shí)STEM教育的重要路徑。

《讓橡皮泥浮起來》源自蘇教版小學(xué)科學(xué)教材，是四年級第三單元“浮力”的延伸課，以融合STEM理念為出發(fā)點(diǎn)，在原有科學(xué)教材的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工、設(shè)計(jì)，讓學(xué)生經(jīng)歷“提出問題—活動(dòng)體驗(yàn)—設(shè)計(jì)與制作—測試與優(yōu)化—展示與交流—擴(kuò)展與應(yīng)用”等系列活動(dòng)，完成工程技術(shù)知識(shí)的建構(gòu)，激發(fā)學(xué)習(xí)靈感，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，全面提高科學(xué)素養(yǎng)。該課在內(nèi)容上兼具實(shí)踐性、探究性和趣味性，對小學(xué)科學(xué)STEM課程資源開發(fā)和研究有實(shí)踐意義。

《讓橡皮泥浮起來》一課需要學(xué)生掌握的STEM目標(biāo)如下：

S（科學(xué)）：感知物體的沉與浮，體驗(yàn)通過改變物體的形狀改變它所受到的浮力。

T（技術(shù)）：學(xué)生不斷改進(jìn)橡皮泥模型的形狀，讓它浮在水面上并增大裝載量。

E（工程）：設(shè)計(jì)方案并不斷改進(jìn)它。

M（數(shù)學(xué)）：學(xué)習(xí)用表格記錄數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)。

一、實(shí)施過程

（一）提出問題——如何讓橡皮泥浮起來

老師出示生活中常見物體（包含橡皮泥）：“你們看，老師今天帶來了什么？假如把這些物品放到水中，你們預(yù)測一下，會(huì)出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象呢？”讓學(xué)生感知物體在水中的沉與浮。接著老師出示浮力概念，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生，物體的沉與浮與它受到的浮力有關(guān)，激發(fā)學(xué)生探究興趣，并在此刻提出問題：“誰能讓沉在水中的橡皮泥浮起來？”

通過剛才的環(huán)節(jié)，學(xué)生關(guān)于浮與沉以及浮力有了自己的想法，這時(shí)老師組織學(xué)生進(jìn)行小組討論，鼓勵(lì)大家發(fā)表對解決這個(gè)問題的想法。一來可以促進(jìn)小組互相交流，培養(yǎng)默契;二來能幫助老師了解學(xué)生關(guān)于浮力的前概念。

設(shè)計(jì)意圖：課堂通過情境導(dǎo)入，吸引學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)引出本課主題“讓橡皮泥浮起來”，為學(xué)生后面的學(xué)習(xí)進(jìn)行鋪墊。

（二） 活動(dòng)體驗(yàn)——小組初步動(dòng)手制作橡皮泥模型

通過上一個(gè)環(huán)節(jié)的小組交流、師生交流，學(xué)生對于問題“讓橡皮泥浮起來”形成了很多想法，他們亟須驗(yàn)證自己的想法，這時(shí)放手讓他們?nèi)ブ谱?。制作完成后，小組代表在表格圖中按先后順序，標(biāo)記1、2、3……學(xué)生在制作時(shí)可能會(huì)遇到以下問題：一是橡皮泥的形狀要如何設(shè)計(jì);二是如何讓橡皮泥在水面上保持平衡;三是橡皮泥本身的特點(diǎn)會(huì)給他們帶來困難。這時(shí)，老師全班巡視，鼓勵(lì)他們大膽嘗試，不懼失敗。

當(dāng)?shù)谝淮沃谱魍瓿珊?，各小組情況不一，老師根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況提問。對成功的小組提問：橡皮泥形狀有什么特點(diǎn)？對失敗的小組提問：遇到了哪些困難？橡皮泥有什么特點(diǎn)？如何放置橡皮泥模型？

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生回顧自己活動(dòng)過程，反思自己遇到的問題，在師生交流中發(fā)展自己的思維，提高設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力、問題解決能力，為下一次活動(dòng)做鋪墊。

（三）設(shè)計(jì)制作和測試——小組設(shè)計(jì)方案并制作承載量最大的橡皮泥模型

經(jīng)過上一環(huán)節(jié)的活動(dòng)，學(xué)生可以成功地讓橡皮泥浮在水面上了，這時(shí)老師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生，接下來可以加大難度挑戰(zhàn)。學(xué)生自然而然想到，可以比一比誰的橡皮泥模型承載更多的重物。老師接著引導(dǎo)：用什么樣的重物測試？在這個(gè)過程中，學(xué)生掌握了測試載重量的方法。

接下來分兩個(gè)任務(wù)：任務(wù)一。小組討論，并畫橡皮泥模型設(shè)計(jì)圖，之后全班討論，并預(yù)測承載量;任務(wù)二。學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)方案，制作橡皮泥模型并測試。老師全班巡視，對制作細(xì)節(jié)進(jìn)行評價(jià)，并給予及時(shí)幫助。任務(wù)完成后，小組代表在黑板上的表格中填入承載量。

設(shè)計(jì)意圖：設(shè)計(jì)是工程技術(shù)的核心，也是現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)制作產(chǎn)品的第一步，通過設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生頭腦中的想法具體化，促進(jìn)他們思維的發(fā)展。動(dòng)手制作是本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)生能在制作探索過程中提高解決實(shí)際問題的能力，體驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)科學(xué)道理。學(xué)生在完成制作測試后，一定會(huì)體會(huì)到成功的快樂，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。

（四）展示、交流與優(yōu)化

制作測試完成后，通過數(shù)據(jù)分析，老師引導(dǎo)學(xué)生思考，請成功的小組分享成功的經(jīng)驗(yàn)，失敗的小組總結(jié)教訓(xùn)，然后全班交流。在這個(gè)分析過程中，總結(jié)提高橡皮泥模型承載量的辦法。老師進(jìn)而提問：想不想再試一次？自然而然進(jìn)入改進(jìn)環(huán)節(jié)。依然先畫設(shè)計(jì)圖，再制作、測試，在表格中填入承載量。

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)課堂不僅要有實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，更要有讓學(xué)生思維發(fā)展的空間和時(shí)間，一方面在活動(dòng)過程中，讓學(xué)生體驗(yàn)和感悟，另外一方面需要老師引導(dǎo)，學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)。所以活動(dòng)之后的分析交流是很重要的，老師可以根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況提出一些思考問題。例如，橡皮泥模型的底部是要大一些還是小一些？為什么？高度呢？在這個(gè)交流過程中，不同的觀點(diǎn)進(jìn)行碰撞，對于學(xué)生科學(xué)知識(shí)、科學(xué)思維的形成都大有好處。

（五）擴(kuò)展與應(yīng)用

當(dāng)改進(jìn)環(huán)節(jié)結(jié)束后，學(xué)生分析比較表格中的數(shù)據(jù)，看著自己模型承載量有了明顯提高，非常興奮。老師引導(dǎo)：還可以繼續(xù)改進(jìn)我們的橡皮泥模型嗎？實(shí)際上，我們可以不斷循環(huán)改進(jìn)制作測試這個(gè)環(huán)節(jié)，提高橡皮泥模型的承載量。老師接著引導(dǎo)：做成這樣的橡皮泥模型真不容易呀，回想一下，我們經(jīng)歷了哪些過程？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生將科學(xué)探究從課內(nèi)延伸到課外，讓學(xué)生得法于課內(nèi)，得益于課外，逐步養(yǎng)成科學(xué)探究的習(xí)慣，科學(xué)素養(yǎng)大大提高。同時(shí)，讓學(xué)生回顧項(xiàng)目活動(dòng)過程，深入體會(huì)工程師的思維過程和工作過程。

二、思考與啟示

（一）融合STEM理念的科學(xué)課程有助于提高學(xué)生解決問題的能力

在小學(xué)科學(xué)STEM課程中，學(xué)生從解決實(shí)際問題出發(fā)，經(jīng)歷頭腦風(fēng)暴，思考討論，設(shè)計(jì)制作，測試改進(jìn)，一步步解決活動(dòng)過程中各個(gè)細(xì)小的問題，從而解決了大問題。再加上科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)各個(gè)元素的融合，讓學(xué)生把學(xué)習(xí)到的零碎知識(shí)變成一個(gè)探究世界相互聯(lián)系的不同過程，全方面提高學(xué)生解決問題的能力。

（二）學(xué)生科學(xué)概念的建立是自然而然的過程

如果沿用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，老師講，學(xué)生聽，涉及科學(xué)實(shí)驗(yàn)，也就是老師在課堂中講解、演示，讓學(xué)生完成。這樣的教學(xué)方式，科學(xué)知識(shí)和概念是老師教授給學(xué)生的，而不是學(xué)生自己建立的。而STEM課堂，從解決實(shí)際問題出發(fā)，充分給予學(xué)生思考創(chuàng)造的空間，在引導(dǎo)的基礎(chǔ)上，在活動(dòng)過程中，學(xué)生自然而然地掌握了科學(xué)知識(shí)，建立了科學(xué)概念，提高了自身科學(xué)素養(yǎng)。

（三）STEM課程設(shè)計(jì)要給學(xué)生創(chuàng)新留有足夠空間和時(shí)間

在STEM課程設(shè)計(jì)中，要留有足夠的時(shí)間、空間讓學(xué)生自己觀察、思考、探索、發(fā)現(xiàn)。課堂節(jié)奏要慢下來，不能一味地去趕環(huán)節(jié)。STEM課程注重的不是學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果，而是在活動(dòng)過程中學(xué)生思維的發(fā)展、能力的提高。學(xué)生的思維不能僅僅停留在作品上，而是要發(fā)現(xiàn)、要思考、要?jiǎng)?chuàng)新。

（四）STEM課程要培養(yǎng)學(xué)生小組交流合作的能力

科學(xué)課堂上分小組活動(dòng)是常見的教學(xué)方法，目的是發(fā)揮每個(gè)學(xué)生的長處，與同伴共同協(xié)作完成任務(wù)，但是在實(shí)際操作過程中，容易出現(xiàn)只有一人參與活動(dòng)的現(xiàn)象。老師需要明確安排細(xì)致的任務(wù)，加強(qiáng)指導(dǎo)，才能讓小組活動(dòng)參與率提高。但是，這樣一來，學(xué)生選擇的自由又受到了限制，學(xué)生探究空間就少了。老師在教學(xué)過程中，布置任務(wù)后，可以慢慢減少指導(dǎo)，有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生小組合作交流的能力。同時(shí)，增加課堂趣味性，讓每個(gè)學(xué)生都有興趣參與，也可以增加一些鼓勵(lì)性的語言，提高學(xué)生參加小組活動(dòng)的積極性。

三、結(jié)語

小學(xué)科學(xué)教育中STEM課程的開展離不開課程資源的支持，可以從科學(xué)教材中工程實(shí)踐問題出發(fā)，設(shè)計(jì)STEM課程。老師要學(xué)習(xí)STEM教學(xué)理念、STEM課程理念，在了解學(xué)生已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)生需要掌握的核心概念、能力，開發(fā)既有探究價(jià)值又可以操作的課程資源。這對于新時(shí)代科學(xué)課的建設(shè)、教師教學(xué)水平和科研能力的提高、學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高都有重要作用。