STEM視野下小學(xué)科學(xué)課堂的跨學(xué)科教學(xué)探究

羅 萍

（四川省德陽市華山路學(xué)校 四川·德陽 618000）

1 STEM是什么

“STEM教育”源自美國，美國在1986年國家科學(xué)委員會就發(fā)表的《本科的科學(xué)，數(shù)學(xué)和工程教育》報告明確提出“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)”教育的綱領(lǐng)性建議，從而作為STEM教育的開端。在1996年發(fā)表的《塑造未來：透視科學(xué)數(shù)學(xué)工程和技術(shù)的本科教育》、2006年發(fā)表的《美國競爭力計劃》、2007年的《國家行動計劃》和2011年的《美國創(chuàng)興戰(zhàn)略》等報告、文件中指出“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)”方面人才培養(yǎng)是全球競爭力的關(guān)鍵，并鼓勵學(xué)生主修科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)，提高科技理工素養(yǎng)。STEM是什么？是以科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)為主要課程的教育。 其中S指科學(xué)（Science）、T指技術(shù)（Technology）、E指工程（Engineering） 、M指數(shù)學(xué)（Mathematics0它強(qiáng)調(diào)多門學(xué)科之間的相互聯(lián)結(jié)和整合，以設(shè)計思維（Design Thinking），項目式學(xué)習(xí)PBL（Project Based Learning）為基礎(chǔ)建構(gòu)STEAM的頂層框架和思維邏輯創(chuàng)新，支持學(xué)生以多學(xué)科整合或融合、多種思維方式的學(xué)習(xí)，以一種批判性的方式來理解和探索世界，從小培養(yǎng)孩子解決問題的能力，才能在未來參與到世界的建設(shè)中來，讓科技教育改變未來。

2 科學(xué)課程與STEM的關(guān)系

2017年教育部頒布《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確提出科學(xué)課程總目標(biāo)是以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為宗旨，為學(xué)生后繼學(xué)習(xí)和終身發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。課程包括科學(xué)知識，科學(xué)探究，科學(xué)態(tài)度，科學(xué)、技術(shù)、社會與環(huán)境4個方面的具體目標(biāo)。在《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》第4部分實施建議中的教學(xué)建議中指出：注重科學(xué)探究的教學(xué)，注重多種形式教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，注重學(xué)生的積極參與和相互間的交流合作。認(rèn)真解析課程標(biāo)準(zhǔn)，從課程總目標(biāo)到具體目標(biāo)都與STEM教育中以科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)四門學(xué)科的有機(jī)融合來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力相吻合。課標(biāo)提出科學(xué)課程以探究式學(xué)習(xí)為主，但不是唯一方式；而STEM是一種以項目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，這些都非常適用于科學(xué)課程的探究活動中。

想要實現(xiàn)小學(xué)科學(xué)課程深層次改革，實現(xiàn)跨學(xué)科教學(xué)就應(yīng)著眼于STEM理念下整合多學(xué)科教學(xué)，不斷嘗試完善科學(xué)課課堂教學(xué)與課程體系建設(shè)。

3 整合教材上的教學(xué)內(nèi)容，實施跨學(xué)科教學(xué)的思考與途徑

3.1 數(shù)學(xué)與科學(xué)融合，實現(xiàn)跨學(xué)科教學(xué)，培養(yǎng)理性思考意識

科學(xué)課程體現(xiàn)了自然的奧秘，是一門非常吸引小學(xué)生興趣的課程。新課標(biāo)中指出：小學(xué)科學(xué)課程實施的主要形式是探究活動?？茖W(xué)探究要經(jīng)歷“提問題，作假設(shè)，訂計劃，收集證據(jù)，處理信息，得出結(jié)論，驗證結(jié)論并表達(dá)，交流，反思評價”等過程 ；數(shù)學(xué)是學(xué)習(xí)探究科學(xué)知識的工具，數(shù)學(xué)方法在統(tǒng)計整理數(shù)據(jù)，建立模型，建構(gòu)知識等非數(shù)學(xué)方面也與生活聯(lián)系緊密，非常實用，將這樣兩門關(guān)注自然與生活的課程進(jìn)行融合，在課堂整合中引入STEM課程項目式學(xué)習(xí)（PBL）通過課堂教學(xué)讓學(xué)生體驗并感知基本的科學(xué)方法，認(rèn)識事物的本質(zhì)，掌握思維方法，養(yǎng)成理性思維，崇尚科學(xué)精神，發(fā)揮互補(bǔ)作用。

思考與途徑：在深入解析科學(xué)課程教材之后，分離出與數(shù)學(xué)相關(guān)知識有密切聯(lián)系或是需要應(yīng)用數(shù)學(xué)作為工具的課例后，將數(shù)學(xué)與科學(xué)課程整合思路滲透到課程教學(xué)設(shè)計中，完成整合，達(dá)到提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目標(biāo)。如四年級上《天氣》單元的教學(xué)中《云的觀測》這節(jié)課就涵蓋有關(guān)數(shù)學(xué)的“面積”知識點；《溫度與氣溫》《降水量的測量》《總結(jié)我們的天氣觀察》這幾節(jié)課里涵蓋數(shù)學(xué)的“條形統(tǒng)計圖”“折線統(tǒng)計圖”知識的應(yīng)用；六年級上《形狀與結(jié)構(gòu)》單元教學(xué)中《形狀與抗彎曲能力》《找拱形》《做框架》《建高塔》這些課涵蓋數(shù)學(xué)方面的“三角形”“四邊形”“周長”“面積”“體積”等知識，雖然教材本身就有相關(guān)內(nèi)容，此時站在課程整合的角度，在STEM的理念下，設(shè)計問題，利用數(shù)學(xué)、科學(xué)方面的相關(guān)資源，就會取得不一樣的效果。下面以六年級上冊《杠桿的科學(xué)》為課例，老師在確定這個教學(xué)目標(biāo)之后，在課程上教師以情景引入的方式，通過視頻、圖片、故事等方式，讓學(xué)生了解杠桿的外形、結(jié)構(gòu)和使用方法，學(xué)生在完成這個任務(wù)的過程中，會主動思考資料中的工具是不是杠桿及理由，積極了解杠桿的信息，根據(jù)老師的給定的實驗工具—杠桿尺，探究杠桿尺的結(jié)構(gòu)、使用方法及如何用它研究杠桿的秘密，在這過程中，可以與小伙伴合作，經(jīng)過不斷的嘗試和修改，最終完成整個實驗研究方案，方案要包括小組想探究的問題，然后老師引導(dǎo)學(xué)生對小組的方案進(jìn)行自評、互評和教師的評價。在明確“研究杠桿省力問題”作為項目式學(xué)習(xí)的任務(wù)后繼續(xù)小組探討出以下問題：

（1）準(zhǔn)備收集什么數(shù)據(jù)（應(yīng)用）；

（2）怎樣收集數(shù)據(jù)（數(shù)學(xué)應(yīng)用）；

（3）如何設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表（數(shù)學(xué)應(yīng)用）；

（4）如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理（數(shù)學(xué)應(yīng)用）；

（5）你們小組是怎么分工的，每個人的職責(zé)是什么？（合作能力應(yīng)用）；

（6）實驗研究中出現(xiàn)了哪些問題？怎么解決的？（分析、綜合與評價）；

（7）實驗方案在實施中的順利嗎？（分析與綜合）；

（8）記錄下實驗過程中遇到的問題；（記憶與理解）；

（9）通過對實驗數(shù)據(jù)分析你們發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？（分析建立模型）；

（10）你從別的小組的實驗研究中學(xué)到了什么？（評價）按怎樣的方法步驟收集數(shù)據(jù)更合理？（思辨）等。

在預(yù)設(shè)的問題時，教師要設(shè)計出鍛煉思維能力（分析、綜合、評價與創(chuàng)造）的問題，從而促進(jìn)學(xué)生主動思維，積極合作，不斷的探索、嘗試和自我反省，在實驗探究中學(xué)生個人能力得到不斷提升，這些能力靠傳統(tǒng)做題的方式、閱讀的方式難以獲得的。從STEM層面分析：

科學(xué)（S）：知道了支點、受力點、阻力點；了解了杠桿分類（省力的，費力的，既不省力也不費力的杠桿）。

數(shù)學(xué)（M）：學(xué)會設(shè)計數(shù)據(jù)統(tǒng)計表，收集實驗數(shù)據(jù)；學(xué)會整理數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)；學(xué)會建立模型（等量關(guān)系式）。

技術(shù)（T）工程（E）：應(yīng)用杠桿知識，設(shè)計制作小桿秤、投石機(jī)。

課程讓學(xué)生體驗到從收集數(shù)據(jù)、整理分析數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型的過程，體驗從感性認(rèn)識到理性思考的過程，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會理性思考問題，解決問題的意識和能力，充分展示STEAM教育的育人優(yōu)勢。

3.2 科學(xué)與技術(shù)工程融合，創(chuàng)設(shè)開放性實踐空間

課標(biāo)提出：科學(xué)課程以探究式學(xué)習(xí)為主，但不是唯一方式；而STEM是一種以項目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，這些都非常適用于科學(xué)課程的探究活動中。在實際課堂教學(xué)設(shè)計時就教師應(yīng)該常思考課程是否能引用STEM教育的學(xué)習(xí)方法，思考科學(xué)教材中是否涉及科學(xué)，技術(shù)，工程和數(shù)學(xué)的綜合性跨學(xué)科的內(nèi)容，是否有能讓學(xué)生探索并在真實環(huán)境中解決問題的內(nèi)容，是否是涵蓋思辨思維、創(chuàng)造力、合作能力和溝通能力的教學(xué)資源，從這些思考出發(fā)可以尋找到與STEM教育特質(zhì)相一致的內(nèi)容，如在科學(xué)課上講授《形狀與結(jié)構(gòu)》單元時應(yīng)用STEM教育理念可以更好的進(jìn)行課程整合，實施“科學(xué)與技術(shù)工程”跨學(xué)科教學(xué)。課例：《用紙造一座“橋”》，本課知識點涵蓋物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域中的力學(xué)知識和技術(shù)與工程領(lǐng)域的橋梁設(shè)計相關(guān)知識及剪刀、直尺等工具的使用。采用PBL教學(xué)法，讓學(xué)生分組討論，設(shè)計一座能承重紙橋的最佳方案并執(zhí)行，然后通過質(zhì)量檢測（檢測標(biāo)準(zhǔn):是否具有一定跨度；是否能承載一定的重物量來）判斷獲勝的小組。該課程內(nèi)容通過對各類橋梁設(shè)計的優(yōu)劣評價，讓學(xué)生們反思的設(shè)計方案并進(jìn)一步改進(jìn)方案。本課從STEM的層面分析：

科學(xué)（S）：知道線、面、體的關(guān)系；了解力的分解；了解形狀與抗彎曲能力的關(guān)系等。

技術(shù)（T）：會使用直尺、剪刀，會通過改變紙張的形狀提高抗彎曲能力等。

工程（E）：了解橋梁的分類及科學(xué)原理，了解整個工程從設(shè)計到建造流程。

數(shù)學(xué)（M）：學(xué)會度量，簡單除法計算，人員統(tǒng)籌到材料計劃統(tǒng)籌安排，砝碼疊加增加質(zhì)量等。

知識層面：知道線、面、體的關(guān)系；了解抗彎曲能力與形狀的關(guān)系;了解力的分解；了解拱形原理等；學(xué)會度量和簡單的計算;體驗工程設(shè)計過程。

能力層面：學(xué)會類比分析，統(tǒng)籌安排，創(chuàng)造性的思考、解決問題，培養(yǎng)小組協(xié)作意識等。

3.3 開發(fā)課本內(nèi)容，實現(xiàn)開放式跨學(xué)科學(xué)習(xí)

科學(xué)課程本身就具有開放性，這是課程的特性。這在教材中就有充分體現(xiàn)，分析教材就知道每一個單元的最后一課幾乎都是本單元知識的歸納總結(jié)和應(yīng)用，這就很好的給教師和學(xué)生留下了開放性的教與學(xué)空間，再加上教育部門要求對學(xué)生開放實驗室，開展課外科技活動。如何利用這些教學(xué)資源，注重課堂教學(xué)與課外活動緊密結(jié)合，注重科學(xué)探究的教學(xué)，注重多種形式教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，注重學(xué)生的積極參與和相互間的交流合作，滲透STEM理念，開展跨學(xué)科學(xué)習(xí)。

思考與途徑：在課程教學(xué)設(shè)計時思考本單元已有的科學(xué)知識特別是涉及到與技術(shù)、工程有關(guān)聯(lián)，同時又能很方便找尋到實踐制作材料的，可以開發(fā)成專題或項PBL學(xué)習(xí)內(nèi)容，作為課外活動的課程資源。

如五年級上冊第四單元《運(yùn)動和力》，就是很好的科學(xué)、工程與設(shè)計的學(xué)習(xí)資源，結(jié)利用《設(shè)計制作小賽車》這節(jié)課開展課外課堂的專項活動，通過本項目課程的學(xué)習(xí)和推進(jìn)，學(xué)生深入了解了科學(xué)知識（“力”“拉力”“重力”“反沖力”“摩擦力”“彈力”），工程知識（車輛的基本機(jī)構(gòu)，賽車設(shè)計時要考慮的因素，用反沖力作動力時所需摩擦力的大小，用彈力作動力時摩擦力的大小，如何把重力轉(zhuǎn)為小車的動力，設(shè)計的一般程序等），社會知識（如何解決問題又能減少成本，如何協(xié)調(diào)小組成員分工及合作中的互相評價等），制作材料選擇“樂高”，小車的驅(qū)動力不作限制，任務(wù)要求是使用材料的多少（造價盡量低）和小車行駛的路程（盡量長）。此專題還可以拓展到六年級《工具和機(jī)械》認(rèn)識了輪軸，齒輪傳動的知識之后，再次開展，只是這次任務(wù)要求是小車行駛的速度要盡量快。

該課程讓學(xué)生參與研究過程，使學(xué)生參與最大化，讓學(xué)生利用對照實驗和證據(jù)提高學(xué)生思維能力，為學(xué)生創(chuàng)造機(jī)會分享想法、使用各種方式和工具陳述數(shù)據(jù)、口頭介紹、并利用視頻進(jìn)行實時播發(fā)，將分析思維應(yīng)用于項目研究，將工程設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于完成項目任務(wù)中，讓學(xué)生從更多的角度去綜合信息，建立聯(lián)系，讓學(xué)生能真真切切體驗工程設(shè)計過程：確定問題和對象→界定目標(biāo)和限制條件→研究及收集信息→提出可能的解決方案→分析解決方案的可能性→選擇最合理的解決方案→實施或執(zhí)行設(shè)計→測試和評價設(shè)計→必要時重復(fù)各步驟→表達(dá)結(jié)果。體驗像工程師一樣考慮問題，解決問題，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)有成就感，獲得感。

注釋

①周玉芝.STEM教育視野下的課程開發(fā)與學(xué)科教學(xué)改進(jìn)[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2019.

②2017版《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》.