小學(xué)STEM跨學(xué)科課程教學(xué)實踐

佘友軍

【摘要】跨學(xué)科課程設(shè)計、面向未來的綜合能力培養(yǎng)是當今課改的熱點之一。針對數(shù)學(xué)知識遠離生活、越來越純粹化的問題，海安市實驗小學(xué)開展基于STEM理念的跨學(xué)科課程教學(xué)實踐。該研究以數(shù)學(xué)學(xué)科為主導(dǎo)，融合編程、藝術(shù)、工程等多學(xué)科領(lǐng)域，幫助學(xué)生將知識變成解決問題的工具，將知識與生活聯(lián)系起來，實現(xiàn)知識的主動性建構(gòu)，初步形成跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方式和思維方式。為小學(xué)數(shù)學(xué)教師開展以學(xué)科為主導(dǎo)的跨學(xué)科教學(xué)實踐提供現(xiàn)實參考。

【關(guān)鍵詞】STEM;編程;跨學(xué)科學(xué)習(xí)

一、引言

分科教學(xué)是目前廣泛采用的一種教學(xué)形式，它以某一領(lǐng)域知識的邏輯體系進行組織，確保知識技能的完整性、連續(xù)性，將知識按照難度進行螺旋上升編排，符合學(xué)生的認知特點。但分科教學(xué)也存在缺點，分科教學(xué)割斷了學(xué)科知識間的聯(lián)系，不利于從部分到整體的理解和把握知識體系。學(xué)生在面臨問題情境時，不能從整體的角度識別問題和解決問題，統(tǒng)整應(yīng)用知識的能力得不到提升。

以數(shù)學(xué)學(xué)科為例，早期的數(shù)學(xué)是為了解決實際問題而存在的，往往融合了哲學(xué)等不同領(lǐng)域的內(nèi)容。中國古代數(shù)學(xué)名作《九章算術(shù)》包含丈量土地等各種應(yīng)用場景。這種活動融合了多學(xué)科多領(lǐng)域的知識，與生活應(yīng)用非常密切。進入近代，隨著自然科學(xué)飛速發(fā)展，數(shù)學(xué)逐步剝離了其他學(xué)科，成為“純粹數(shù)學(xué)”?！凹兇鈹?shù)學(xué)”的教學(xué)模式提高了數(shù)學(xué)知識教學(xué)的效率，但混合狀態(tài)的數(shù)學(xué)更符合學(xué)生的思維水平。“純粹數(shù)學(xué)”遠離生活應(yīng)用，失去了鮮活的成分，趣味性和應(yīng)用性相對較弱。

二、為什么實施STEM跨學(xué)科學(xué)習(xí)

STEM教育是一種跨學(xué)科的融合教育方式。它將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科甚至更多學(xué)科的內(nèi)容自然整合成一個整體，融會貫通。這種融合不是四門學(xué)科簡單拼接，更不意味著同一節(jié)課的課堂教學(xué)需要融合全部的四門學(xué)科，而是根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容進行學(xué)科知識之間的縱向關(guān)聯(lián)以及跨學(xué)科知識之間的有機聯(lián)系。

基于項目的STEM教育是一種知識的再生產(chǎn)，讓學(xué)生從消費者成為生產(chǎn)者。STEM教學(xué)提倡的小組合作的學(xué)習(xí)方式，能提高學(xué)生的溝通交流的能力;工程設(shè)計元素的引入，能提高學(xué)生解決未知問題的能力。對學(xué)生而言，STEM教育將學(xué)生從“做題目”中解放出來，而以“做項目”取而代之，通過“做項目”達到并超越“做題目”的目的。

1.STEM教育適應(yīng)了人才發(fā)展的需求

STEM教育在夯實科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)和工程等多學(xué)科知識基礎(chǔ)上，提高學(xué)生以跨學(xué)科的思維方式解決綜合性問題的能力。使學(xué)生具備未來社會所需要的關(guān)鍵能力，能解決真實世界中的問題，改變學(xué)習(xí)的方式，推動學(xué)生投身STEM相關(guān)領(lǐng)域的職業(yè)。這種模式培養(yǎng)的人才，能滿足未來國家、社會的需求。2016年教育部在《教育信息化“十三五”規(guī)劃》進一步要求，要積極探索信息技術(shù)在跨學(xué)科學(xué)習(xí)、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用。對我國中長期教育改革具有指導(dǎo)價值，文件強調(diào)了信息技術(shù)在STEM教育中的作用，關(guān)注學(xué)生信息素養(yǎng)的提升，著力提升學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。2017年教育部在《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標準》中指出，要倡導(dǎo)跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式，實施以項目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，肯定了STEM教育對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的作用。

2018年4月，教育部在《教育信息化2.0行動計劃》中指出，要加強對學(xué)生信息素養(yǎng)的培養(yǎng)，要完善課程方案，充實編程課程內(nèi)容。2019年2月，中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《中國教育信息化2035》中指出，要強化學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，采用啟發(fā)式、探究式、合作式等教學(xué)方式，創(chuàng)造性地培養(yǎng)人才，發(fā)展世界先進水平的優(yōu)質(zhì)教育。

2.STEM教育適應(yīng)了知識發(fā)展方向的需求

當今社會，知識的學(xué)習(xí)不僅僅局限于單一學(xué)科領(lǐng)域，而是發(fā)生在“跨學(xué)科的社會情境和經(jīng)濟情境中”。近幾年很多科學(xué)方面的研究成果，都出現(xiàn)在交叉學(xué)科領(lǐng)域，這也體現(xiàn)了跨學(xué)科整合的趨勢。

另外，從微觀角度來看，STEM教育對教師個人發(fā)展和學(xué)校的發(fā)展有很好的促進作用。對教師而言，通過對優(yōu)秀STEM課程的研究、親自參與STEM課程教學(xué)實踐，可以提升教師本人跨學(xué)科的視野，進而將STEM教學(xué)理念滲透到原來學(xué)科的教學(xué)，站在全新的角度理解學(xué)科的教與學(xué)。對學(xué)校而言，通過建設(shè)STEM課程，培養(yǎng)一批高素質(zhì)的創(chuàng)新型教師隊伍，能夠促進學(xué)校辦學(xué)品質(zhì)的提升。

三、跨學(xué)科課程內(nèi)容

小學(xué)數(shù)學(xué)課程標準中提出，要讓學(xué)生在生動的環(huán)境中學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，要通過自主探索培養(yǎng)學(xué)生的研究能力，通過合作交流培養(yǎng)孩子交流的能力。當前的教學(xué)實踐中，數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)停留在抽象層面，學(xué)生缺少應(yīng)用知識解決實際問題的機會，學(xué)習(xí)缺乏熱情。合作交流流于形式。教學(xué)缺少需要進行合作的學(xué)習(xí)任務(wù)，缺少對合作的過程性指導(dǎo)，小組成員缺少分工。另一方面，計算機學(xué)科教學(xué)過多關(guān)注技術(shù)的掌握，學(xué)習(xí)任務(wù)遠離學(xué)生生活，任務(wù)情境缺乏吸引力。針對這種情況，海安市實驗小學(xué)組建STEM跨學(xué)科課程開發(fā)課題組，組織實施了跨學(xué)科STEM課程，以數(shù)學(xué)為主導(dǎo)學(xué)科，選擇適合開展融合教學(xué)的知識點，以此為紐帶，融合計算機學(xué)科領(lǐng)域的相關(guān)知識（函數(shù)、變量、列表、循環(huán)、分支、模塊等），在數(shù)學(xué)、計算機、科學(xué)、人文藝術(shù)多個學(xué)科之間建立有意義的聯(lián)系。

課程用到了Scratch軟件和Python語言，Sc-ratch提供了圖形化的編程環(huán)境，學(xué)生通過拖動操作就能進行程序的編寫，大大降低了程序設(shè)計的成本，使得學(xué)生將精力放在算法設(shè)計上。Python語言類似于自然語言，簡單易用，有了Scratch語言的基礎(chǔ)，學(xué)生能很快的過渡到代碼編程。以圖形設(shè)計為載體，讓枯燥的代碼變成直觀形象的美麗圖案，在圖形設(shè)計的過程中學(xué)習(xí)程序設(shè)計。

課程包涵了四個主題，分別是“圓知識的應(yīng)用”“負數(shù)與確定位置”“時間與角度的知識”“平移和旋轉(zhuǎn)”。每個專題又由3-4個子活動組成。作為主線的數(shù)學(xué)內(nèi)容涉及圓知識的應(yīng)用、坐標、比例尺、平移旋轉(zhuǎn)等領(lǐng)域。

在“圓知識的應(yīng)用”主題中，一共包含了四個探究活動：一是使用circle函數(shù)，繪制圓形組合圖案;二是使用dot函數(shù)，繪制圓點鑲嵌和隨機排列圖案;三是根據(jù)三個地震監(jiān)測臺提供的震中距離，確定震中所在的位置。學(xué)生需要掌握圓規(guī)的使用方法，并運用畫圓的方法確定震中的位置;四是根據(jù)航空母艦的作戰(zhàn)半徑，繪制航母的打擊范圍。利用畫圓的知識和比例的知識，繪制航空母艦的作戰(zhàn)范圍。該主題涉及到計算機科學(xué)、人文藝術(shù)、科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域。

“負數(shù)與確定位置”包括的四個探究活動：一是負數(shù)的認識，創(chuàng)作學(xué)習(xí)負數(shù)知識練習(xí)游戲;二是利用坐標繪制圖形;三是制作輔助學(xué)習(xí)游戲，輸入敵機的坐標，利用導(dǎo)彈進行打擊。通過編寫確定坐標的游戲，從更高層次上掌握坐標的知識;四是通過連線繪制出曲線效果。該主題涉及到數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)、人文藝術(shù)等領(lǐng)域。

主題“時間與角度的知識”包括的三個活動為：一是認讀鐘面時間程序—整點，編寫程序出現(xiàn)隨機的整點鐘面，詢問用戶此時是幾點，并對輸入的結(jié)果進行判斷，如果回答正確給予鼓勵;二是認讀鐘面時間程序—任意時間;三是編寫模擬時鐘程序，能實時顯示當前的時間。

“平移和旋轉(zhuǎn)”主題包括：一是利用平移和旋轉(zhuǎn)制作動畫;二是圖案設(shè)計、視覺錯覺圖設(shè)計;三是制作牛頓盤。

以《利用坐標繪制圖形》為例，該活動融合數(shù)學(xué)、信息技術(shù)、藝術(shù)三門學(xué)科知識。以坐標的知識作為融合點，首先呈現(xiàn)利用坐標設(shè)計的火箭圖案，通過優(yōu)美的圖形吸引學(xué)生投入到數(shù)學(xué)知識（坐標）和編程知識（goto函數(shù)的用法）的研究中，內(nèi)在的需要使學(xué)習(xí)活動由被動變?yōu)橹鲃印Ｔ谡莆樟讼嚓P(guān)知識后，學(xué)習(xí)小組在坐標圖紙上進行圖案的設(shè)計與規(guī)劃，最后再利用程序繪制出圖形。整個活動以圖形設(shè)計為載體，以掌握坐標知識和計算機繪圖函數(shù)為教學(xué)出發(fā)點和最后的歸宿，并在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的藝術(shù)素養(yǎng)、設(shè)計規(guī)劃能力、合作能力、交流表達的能力，其帶來的積極情感體驗是純粹的數(shù)學(xué)知識教學(xué)所無法比擬的。

為了讓教師熟悉教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容，掌握教學(xué)方法，更好推進教學(xué)，課題組為執(zhí)教老師提供了教學(xué)設(shè)計和課件，便于開展課堂教學(xué)。課題組組織了授課教師的跨學(xué)科培訓(xùn)。讓教師將STEM教育理念融入到自己所教的學(xué)科中。同時，為了學(xué)生更好掌握相關(guān)的內(nèi)容，課題組還專門準備了知識海報，將近期學(xué)習(xí)知識點、函數(shù)用法、解決問題的步驟圖等貼到教室，便于學(xué)生進一步開展研討活動。

四、教學(xué)方法設(shè)計

教學(xué)方法是影響教學(xué)效果的關(guān)鍵因素。課題組教學(xué)方法設(shè)計的理論基礎(chǔ)是建構(gòu)主義和工程設(shè)計過程的相關(guān)理論。建構(gòu)主義強調(diào)，將問題融合與真實、復(fù)雜的問題中，幫助學(xué)生將知識與生活建立聯(lián)系，將書本知識變成解決問題的方法。學(xué)生的角色不再是知識的被動接受者，而是學(xué)習(xí)的中心。學(xué)生主動參與知識的建構(gòu)，是信息加工的主體，教師則給學(xué)生的主動建構(gòu)提供幫助和引導(dǎo)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，工程一直沒有得到重視，在課程體系中比重很低。工程能為數(shù)學(xué)、科學(xué)學(xué)習(xí)提供真實的問題情境。工程設(shè)計過程是一套完整的解決問題的方法，學(xué)生在這個過程中掌握解決問題的一般方法，獲得解決問題的自信，培養(yǎng)合作交流等必備的思維方式。工程設(shè)計過程包括了明確問題、研究問題、列出可能的解決方案、找到最佳的解決方案、創(chuàng)建原型、測試原型、測試評估原型、討論交流方案、重新設(shè)計或者優(yōu)化方案等基本過程。當然，工程設(shè)計的過程并非嚴格遵循上面的過程，它們可以反復(fù)重復(fù)多次、也可以改變順序。最終讓學(xué)生通過情境獲得對知識和方法的掌握。工程設(shè)計過程強調(diào)解決問題方案的開放性，鼓勵學(xué)生不斷嘗試錯誤，從錯誤中學(xué)習(xí)，這個過程將培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性解決問題的能力，以應(yīng)對學(xué)習(xí)和生活中的挑戰(zhàn)。課題組確定的教學(xué)方法包含六個環(huán)節(jié)：確定需求、儲備知識、設(shè)計方案、建立原型、測試改進、交流展示。這六個環(huán)節(jié)，是教師設(shè)計教學(xué)活動的指導(dǎo)綱要，同時也有利于學(xué)生掌握產(chǎn)品設(shè)計的方法，提升學(xué)生的工程思維。

1.確定需求

確定需求是教學(xué)活動的起點，帶著學(xué)習(xí)需要和問題的學(xué)習(xí)，才是高效的學(xué)習(xí)。研究的問題要能調(diào)動學(xué)生的興趣，才能保證學(xué)生積極投身下一階段的研究性學(xué)習(xí)。教育者要設(shè)計并創(chuàng)建有利于學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容意義建構(gòu)的情境，通過設(shè)計任務(wù)或者問題來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，調(diào)動學(xué)生的積極性，使得學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體。教學(xué)者要將課本中的知識和技能轉(zhuǎn)化為學(xué)生感興趣的真實項目，給學(xué)生創(chuàng)造跨學(xué)科學(xué)習(xí)的環(huán)境。從實際生活和各種職業(yè)應(yīng)用中尋找跨學(xué)科知識融合的項目內(nèi)容。

2.儲備知識

這個環(huán)節(jié)將單學(xué)科思考、單學(xué)科學(xué)習(xí)的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬W(xué)科思考、多學(xué)科學(xué)習(xí)的方式，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。在《利用坐標繪制圖形》活動中，學(xué)生觀看了利用計算機編程繪制的圖案后，產(chǎn)生了解決問題的需要，這種需要促使學(xué)生主動投入到數(shù)學(xué)和編程等多學(xué)科知識的學(xué)習(xí)中，通過提供的支持學(xué)習(xí)和思考的學(xué)習(xí)支架，學(xué)生積極鉆研基礎(chǔ)知識和基本技能。這種教學(xué)方式有利于學(xué)生形成與跨學(xué)科學(xué)習(xí)相適應(yīng)的認知結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對多個學(xué)科知識技能的深度學(xué)習(xí)。逐步形成跨學(xué)科思考、跨學(xué)科學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)方式。

3.設(shè)計方案

這個環(huán)節(jié)主要進行設(shè)計方案的規(guī)劃，規(guī)劃作品的內(nèi)容、呈現(xiàn)形式等。這個過程要發(fā)揮學(xué)習(xí)共同體的作用。每個同學(xué)都能從別人的分享中獲得啟發(fā)，有效的交流推動了每個學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進程。

4.建立原型

建立原型階段將小組規(guī)劃付諸實施，在圖紙上設(shè)計的方案通過計算機程序繪制出來，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。學(xué)習(xí)共同體的每位成員需要有明確的分工，分別擔(dān)任項目負責(zé)人、發(fā)言人、程序設(shè)計者、記錄者等角色。明確的分工有利于有序開展跨學(xué)科學(xué)習(xí)，提升成員的參與感。通過設(shè)計共同體間成員互評表，為成員開展合作學(xué)習(xí)提供指導(dǎo)和規(guī)范，提高成員的參與度。

5.測試改進

工程設(shè)計過程鼓勵學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)和科學(xué)概念，測試原型并分析數(shù)據(jù)，鼓勵方案中體現(xiàn)創(chuàng)造力和實用性，加深對開放性設(shè)計的理解。對遇到的問題不斷進行改進優(yōu)化，找到解決問題的方案。上述的步驟3-5可以根據(jù)需要多次重復(fù)這個過程，不斷迭代改進，尋找新的設(shè)計可能性，直到找到最優(yōu)的解決方案。

6.交流展示

交流結(jié)果是將小組的作品或者解決方案呈現(xiàn)給其他學(xué)習(xí)者，展示的目的是為了獲得同學(xué)或老師的建議，贏得老師和同學(xué)的認可。展示是一個很好的鍛煉公開表達能力的機會，也是一個互相學(xué)習(xí)的過程。在跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動中，分享自己的學(xué)科知識和思考成果，對同伴的想法進行反饋，與同伴之間進行觀點的碰撞，以此培養(yǎng)團隊意識和合作能力。

【參考文獻】

[1]秦瑾若，傅鋼善.STEM教育：基于真實問題情景的跨學(xué)科式教育[J].中國電化教育，2017（4）.

[2]董艷，孫巍，徐唱.信息技術(shù)融合下的跨學(xué)科學(xué)習(xí)研究[J].電化教育研究，2019（11）.

[3]許秋璇，楊文正，盧雅，周琴英.融入“大概念”的STEM整合課程設(shè)計模型構(gòu)建與應(yīng)用研究[J].電化教育研究，2020（7）.

[4]趙呈領(lǐng)，申靜潔，蔣志輝.一種整合創(chuàng)客和STEM的教學(xué)模型建構(gòu)研究[J].電化教育研究，2018（9）.