STEM視野下的科學(xué)教學(xué)再設(shè)計(jì)及其思考

劉仕勃

摘要：作為當(dāng)前教育熱點(diǎn)的STEM教育，強(qiáng)調(diào)綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域知識解決生活中的實(shí)際問題。本文結(jié)合小學(xué)科學(xué)教學(xué)活動案例，思考如何在STEM理念的指引下創(chuàng)新學(xué)習(xí)形式，通過創(chuàng)設(shè)情境、驅(qū)動思維、創(chuàng)新材料等途徑，讓學(xué)生體驗(yàn)“工程”、“設(shè)計(jì)”、“技術(shù)”給科學(xué)學(xué)習(xí)活動帶來的幫助，重構(gòu)科學(xué)教學(xué)的過程，落實(shí)科學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEM;跨學(xué)科教學(xué);工程;設(shè)計(jì);技術(shù)

近些年，STEM始終是科學(xué)教育界非常關(guān)注的一個熱點(diǎn)。美國學(xué)者艾布特斯（Abts）使用“元科學(xué)”（Meta-Duscipline）一詞來描述STEM，即表示它是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識的整合（Morrison，2006）。因其跨學(xué)科教育方式及在真實(shí)場景中解決復(fù)雜問題的屬性，STEM成為很多學(xué)校和教師落實(shí)學(xué)生綜合能力和素養(yǎng)提升的載體。

科學(xué)課程的核心目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，既有科學(xué)知識層面的，更有科學(xué)方法、科學(xué)精神、科學(xué)能力等方面的綜合素質(zhì)。而STEM的優(yōu)勢正是融合各學(xué)科的共性特征，同時發(fā)揮各學(xué)科的自身優(yōu)勢，引領(lǐng)學(xué)生積極主動地參與到學(xué)習(xí)中去，培養(yǎng)主觀能動性和動手實(shí)踐能力，并運(yùn)用科學(xué)思維去分析、處理實(shí)際問題的能力，訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和質(zhì)疑精神。

STEM為我們的科學(xué)教學(xué)開辟了新的思路，是對探究式學(xué)習(xí)的完善和補(bǔ)充。通過運(yùn)用STEM理念對科學(xué)教學(xué)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，也讓我對STEM有了更深入的認(rèn)識。

[緣起]

在某次區(qū)小學(xué)科學(xué)教師培訓(xùn)中，我嘗試著執(zhí)教了五年級科學(xué)下冊“時間的測量”單元的《用水測量時間》一課，并且在導(dǎo)師和學(xué)員的幫助引領(lǐng)下，對教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷的改進(jìn)，進(jìn)行了二輪、三輪的課堂教學(xué)與研討。

《用水測量時間》一課的目標(biāo)定位，就是通過教師提供的簡易裝置，經(jīng)過多次測量，理解流水（滴漏）的流速特征，從而理解水鐘計(jì)時的原理。我最初的教學(xué)設(shè)計(jì)流程是：

這樣的教學(xué)過程基于教材的設(shè)計(jì)，通過兩次測量100毫升水需要的時間，學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩百毫升的水流出來同樣量的水所需時間是差不多的，但是通過后續(xù)的三次測量活動，又發(fā)現(xiàn)其實(shí)水流的速度是越流越慢的。在這個基礎(chǔ)上，老師去指導(dǎo)學(xué)生控制水流的速度，想辦法讓學(xué)生保持水流的速度保持不變，同時去感受、解釋古代水鐘計(jì)時的奧秘。

初次教學(xué)，課堂上學(xué)生的探究性很強(qiáng)，整堂課都在不斷地進(jìn)行思考、討論、實(shí)驗(yàn)、測量，思維的層次性也在逐步地深入。但是整節(jié)課足足上了50多分鐘，課堂的效率得不到保障。分析原因，我們覺得教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)操作的難度大，測量的數(shù)據(jù)多，控制水流的速度不變的環(huán)節(jié)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求也很高，老師往往需要提醒學(xué)生注意很多細(xì)節(jié)，這方方面面都需要時間上的保障。

針對對上問題，我又進(jìn)行了教學(xué)改進(jìn)，在整體思路不變的情況下，根據(jù)學(xué)生的思維層次，刪減和改變了測量的次數(shù)與順序，進(jìn)一步優(yōu)化課堂效率。

改進(jìn)后的教學(xué)，課堂效率得到很大的提升，但是這堂課我還是上得特別累。為了培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識，我們在盡力地追求實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)特別是數(shù)據(jù)的采集過程中花費(fèi)了大量的精力，一個不留神，學(xué)生就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)上的問題，于是乎數(shù)據(jù)成為決定課堂效率的關(guān)鍵。為了追求數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還要考慮實(shí)驗(yàn)材料的選擇、處理、改進(jìn)，還要考慮計(jì)時工具的選擇、訓(xùn)練，還有指導(dǎo)小組合作的規(guī)范性、數(shù)據(jù)分析的科學(xué)性……，但即使我們這些做得再規(guī)范，數(shù)據(jù)的誤差還是不可避免的，從這個角度去考慮，數(shù)據(jù)成為證據(jù)又變得很矛盾！

特級教師曾寶俊老師的一番話更是讓我對這堂課有了新的思考，他說這樣的教學(xué)最大的問題是忽視了時間測量的本質(zhì)其實(shí)是時間的恒定性。我們讓學(xué)生測量用水來計(jì)時間的目的，是為了讓學(xué)生理解時間的本質(zhì)，這才是本節(jié)課的核心。如果連本質(zhì)的東西都去除掉了，那么我們怎么可能去理解真正意義上面的時間呢？

[改變]

科學(xué)關(guān)注的是研究科學(xué)規(guī)律來發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律，而我們的教學(xué)如果始終圍繞“規(guī)律”來展開，那還不是停留在科學(xué)知識的教學(xué)層面嗎？運(yùn)用STEM教學(xué)理念，在更真實(shí)的情境中強(qiáng)調(diào)“發(fā)現(xiàn)規(guī)律”的過程，強(qiáng)化經(jīng)歷和體驗(yàn)的過程，注重高層次思維習(xí)慣的發(fā)展，會不會讓學(xué)生覺得更有趣，教師教得更輕松呢？我進(jìn)行了新的嘗試。

●STEM教學(xué)目標(biāo)定位：

目標(biāo) 知識與技能 過程與方法 情感態(tài)度與價值觀

S（科學(xué)） 在一定的裝置里，水能保持以穩(wěn)定的速度往下流; 通過人類根據(jù)這一特點(diǎn)制作水鐘用來計(jì)時; 培養(yǎng)細(xì)心觀察的習(xí)慣

T（技術(shù)） 水的滴漏速度和水位有關(guān); 分析水鐘的計(jì)時原理，并嘗試運(yùn)用相關(guān)的方法加以改進(jìn); 勤于分析推理的態(tài)度

E（工程） 運(yùn)用模型思維設(shè)計(jì)和制作水鐘裝置; 能夠制作一個相對“精確計(jì)時”的水鐘; 用心解決問題的精神

M（數(shù)學(xué)） 通過數(shù)學(xué)的測繪，理解流水為什么能夠用來計(jì)時。 多次測繪為“證據(jù)”提供更科學(xué)的保障。 明確“標(biāo)準(zhǔn)”的重要性。

●教學(xué)設(shè)計(jì)一般流程：

●具體教學(xué)設(shè)計(jì)：

《用水測量時間》教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)過程 教師引導(dǎo) 學(xué)生活動

主題和任務(wù) 1.你知道古人有哪些計(jì)時的方法？

2.水可以用來計(jì)時嗎？

3.今天我們就一起來制作一個用水測量時間的“水鐘”。 1.體會古人計(jì)時的局限性;

2.明確任務(wù)。

設(shè)計(jì)與交流 1.如果老師給你提供常見的可樂瓶，根據(jù)你的理解，我們可以設(shè)計(jì)制作一個怎樣的計(jì)時裝置，畫一畫“設(shè)計(jì)圖”。

2.你們的設(shè)計(jì)圖有什么相同和不同的地方？ 1.設(shè)計(jì)“水鐘”裝置圖，展示;

2.指導(dǎo)理解“泄水型”和“受水型”兩種類型水鐘的共同點(diǎn)和區(qū)別——刻度。

制作與改進(jìn) 1.首先讓我們一起來組裝一個“受水型”水鐘。

2.如何給這個滴漏器標(biāo)注刻度，使它成為一個真正的“水鐘”？

3.小組分工合作，一起給“水鐘”標(biāo)上刻度。

4.讓我們一起來比較一下，每個小組的“水鐘”刻度有什么相同和不同的地方？

5.分析原因，是什么造成的？

6.觀察日晷和時鐘的“鐘面”刻度，發(fā)現(xiàn)什么？

7.有什么辦法讓刻度變均勻呢？

8.怎樣用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證我們的猜想？ 1.利用現(xiàn)有材料小組合作制作一個滴漏器;

2.觀看微視頻，了解給滴漏器標(biāo)注刻度的過程和方法;

3.分組活動，10分鐘內(nèi)完成，展示;

4.比較刻度的相同之處（都是上寬下窄）和不同之處（間距不同等）？

5.引導(dǎo)學(xué)生理解“水位”和“水量”。

6.明確刻度與“等時性”的關(guān)系。

7.大膽思考，提出意見;

8.分組10分鐘完成驗(yàn)證活動，實(shí)驗(yàn)后交流各自的發(fā)現(xiàn)：控制“水位”和“水量”就可以控制水鐘的流速。

產(chǎn)品更新 1.用改進(jìn)后的水鐘進(jìn)行計(jì)時比賽;

2.有什么辦法進(jìn)一步的改進(jìn)，讓水鐘更方便和更精確？提出你們的設(shè)想。 1.進(jìn)行計(jì)時比賽，比一比哪一組的水鐘計(jì)時更準(zhǔn)確;

2.在設(shè)計(jì)圖上進(jìn)行設(shè)計(jì)，并展示和交流。

●教學(xué)改進(jìn)后的思考：

以前在上完這一課，也有的老師質(zhì)疑，這一課究竟是“用水測量時間”還是“用時間測量水”，說明我們針對事物的潛在規(guī)律展開的探究活動，思維的局限性太大，太追求規(guī)律的量化特征而把問題復(fù)雜化了?；谕暾榫车囊阅Ｐ退季S方式解決“計(jì)時”問題的學(xué)習(xí)方法，較之前的以“測量”為主導(dǎo)的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生的活動更有目的性，活動過程中的實(shí)踐性更強(qiáng)、思維主線更清晰。最重要的是，淡化大量的測量過程，讓本課的探究活動不再受限于數(shù)據(jù)的束縛，而同樣能得到證據(jù)的支撐，在學(xué)生“發(fā)現(xiàn)規(guī)律”的過程中，得到體驗(yàn)的快樂、思維的提升，同時加深了對時間本質(zhì)的認(rèn)識，明確“標(biāo)準(zhǔn)”的重要性。

[思考]

STEM以實(shí)現(xiàn)跨越學(xué)科界限提高學(xué)生解決實(shí)際問題能力的教育方式正在悄悄改變我們的教學(xué)課堂。但是STEM不是教學(xué)最終目的，不能為了整合而整合，而是為了讓學(xué)生有更多、更全面的學(xué)習(xí)方式;不是根據(jù)STEM來選擇或設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，而是選擇不同課程的內(nèi)容，對科學(xué)基礎(chǔ)課程進(jìn)行有效補(bǔ)充和拓展;不是以制作產(chǎn)品為導(dǎo)向，而是從發(fā)展學(xué)生的綜合素養(yǎng)出發(fā)，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)需求……所以，清楚STEM的定位，才能把握STEM的方向。

基于學(xué)科屬性的STEM教學(xué)，其核心在于營造更接近真實(shí)的情境，綜合運(yùn)用各領(lǐng)域內(nèi)學(xué)科知識和技能，解決生活實(shí)際問題的嘗試。結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)踐，我覺得運(yùn)用STEM理念去改造教學(xué)、提升教學(xué)，應(yīng)根據(jù)教學(xué)的實(shí)際情況，從教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生學(xué)情、結(jié)構(gòu)化材料等方面去思考，推陳出新，并可以從以下方面去大膽嘗試。

一、情境驅(qū)動，體驗(yàn)“工程”的樂趣

在更接近真實(shí)的情境中體驗(yàn)生活是STEM重要而有意義的組成部分。在STEM中，我們所說的“工程”其實(shí)本身就是一種情境化學(xué)習(xí)方式。通過情境產(chǎn)生問題，驅(qū)動興趣，讓科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識通過相關(guān)學(xué)習(xí)活動形成連貫的、有組織的課程結(jié)構(gòu)，學(xué)生的認(rèn)知與學(xué)習(xí)發(fā)生在完成任務(wù)和解決問題的過程中?？茖W(xué)課的特點(diǎn)決定了這種情境更具有實(shí)踐性，學(xué)生可以通過“做中學(xué)”來培養(yǎng)相關(guān)學(xué)科技能，以實(shí)踐為依托將知識技能內(nèi)化和外化。

在科學(xué)課的教學(xué)中，我們要結(jié)合教材內(nèi)容，整合加工，延伸貫通，拓寬內(nèi)涵，并利用材料的屬性和特征，創(chuàng)設(shè)一種類似“工程”的虛擬情境，讓學(xué)生體驗(yàn)“設(shè)計(jì)”、“制造”、“改進(jìn)”、“發(fā)明”等一系列過程，在產(chǎn)生問題、思考問題和解決問題的過程中感受“工程”的樂趣。

在《用水測量時間》一課的教學(xué)中，從研究簡易水鐘到制作簡易水鐘本身就是一種突破。在這種體驗(yàn)古人偉大發(fā)明的活動中，讓學(xué)生經(jīng)歷一個看似簡單，實(shí)則不易的認(rèn)知過程，經(jīng)歷一個先想后做、再想再做的活動過程，經(jīng)歷一個現(xiàn)象-問題-假設(shè)-證據(jù)的思維過程，他們的收獲肯定是非常全面的。

類似的課再比如六年級上冊《建高塔》一課，聯(lián)系生活構(gòu)筑虛擬的“工程”情境（建高塔），讓學(xué)生有更明確的學(xué)習(xí)主題和任務(wù)（經(jīng)受住自然考驗(yàn)，更具穩(wěn)固性），學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的關(guān)注度更高，更有興趣投入到學(xué)習(xí)活動中來。當(dāng)然，虛擬的工程情境畢竟有其局限性，無論是材料（塔）、還是模擬的自然環(huán)境（風(fēng)、地震），都可能和真實(shí)的環(huán)境區(qū)別較大，但是我們可以盡可能地貼近生活，創(chuàng)造條件（用電扇、地震模擬器等）使其更具有挑戰(zhàn)性，更具有操作性，更具有內(nèi)涵性，讓科學(xué)教學(xué)走出教材的限制。

二、思維引領(lǐng)，體驗(yàn)“設(shè)計(jì)”的樂趣

工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)。我們絕不能把STEM單純地看作是以產(chǎn)品制作為主導(dǎo)的學(xué)習(xí)過程，把制作過程教給學(xué)生，讓他們?nèi)ブ谱饕患止ぷ髌返幕顒硬皇强茖W(xué)探究，更不是STEM所追求的工程和技術(shù)內(nèi)涵。華南師范大學(xué)胡衛(wèi)平教授說過，STEM最核心的過程不是操作，而是設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是思維。教師要善于指導(dǎo)學(xué)生針對“工程”內(nèi)容進(jìn)行整體構(gòu)思，從制作方法、制作順序、材料選擇、工具使用以及可能出現(xiàn)的問題等方面進(jìn)行綜合考慮和謀劃，充分調(diào)動學(xué)生的已有知識和經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展學(xué)生的溝通、協(xié)作、交流的能力，培養(yǎng)學(xué)生的耐心、細(xì)心的態(tài)度，這些遠(yuǎn)比完成作品更重要。設(shè)計(jì)的過程可以促進(jìn)知識的融合與遷移運(yùn)用，通過作品外化學(xué)習(xí)的結(jié)果、外顯習(xí)得的知識和能力，是STEM的核心內(nèi)涵。

《用水測量時間》一課，設(shè)計(jì)一個“水鐘”，學(xué)生看似簡單的做一個滴漏計(jì)時器，實(shí)則在設(shè)計(jì)的過程中會遇到各種問題，例如材料方面，選擇規(guī)則形狀還是不規(guī)則形狀的瓶子;制作方面，怎樣連接滴漏部分和接水部分是最好的;計(jì)時方面，怎樣設(shè)置起始時間，怎樣來表示時間等等，這些問題需要教師適時的引導(dǎo)。

當(dāng)然，讓學(xué)生設(shè)計(jì)，也不是天花亂墜地胡亂構(gòu)思，也要遵循一定的方法和原理，最好在限定的框架內(nèi)發(fā)揮學(xué)生的發(fā)散性思維能力。

例如《做個太陽能熱水器》一課，平常的教學(xué)教師會先讓學(xué)生直接來設(shè)計(jì)一個簡易的太陽能裝置，但是學(xué)生往往會受限于生活經(jīng)驗(yàn)和能力，而不知道如何下手，設(shè)計(jì)的圖紙當(dāng)然不切實(shí)際。一位老師在上這一課的時候，給學(xué)生準(zhǔn)備了統(tǒng)一的瓶子，瓶子里裝上了溫度計(jì)，并且告訴學(xué)生可以在瓶子上插上如下圖一這樣的管子。而同學(xué)們要做的就是考慮管子的布置方法，怎樣讓管子里的水盡快地升溫。由于切口較小，學(xué)生可以利用所學(xué)知識和自身經(jīng)驗(yàn)思考方案，并利用身邊的材料進(jìn)行制作改進(jìn)。于是就會有如下圖二、圖三這樣的“產(chǎn)品”。

三、材料輔助，體驗(yàn)“技術(shù)”的樂趣

只有“設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)的教學(xué)過程不是真正意義上的科學(xué)探究活動，科學(xué)教學(xué)的過程本身要體現(xiàn)的就是“做中學(xué)”的理念。因此，教學(xué)過程要創(chuàng)造條件，給學(xué)生動手實(shí)踐的機(jī)會，在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為學(xué)生準(zhǔn)備必要的材料，并且重視材料的結(jié)構(gòu)性，發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，為學(xué)生的制作活動提供幫助，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。

材料是技術(shù)的載體，教師給學(xué)生準(zhǔn)備的一些“特殊”材料本身就蘊(yùn)含著科學(xué)技術(shù)的原理，學(xué)生使用和操作材料的過程，就是使用技術(shù)搜集、分析數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)、測試和改進(jìn)一個解決方案的過程，所以切合學(xué)生的實(shí)際的、富有技術(shù)層面思維含量的材料往往能給教學(xué)帶來意想不到的效果。當(dāng)然，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力決定了他們理解材料的片面性，所以也需要教師必要的、適時地引導(dǎo)，以及學(xué)生的相互交流溝通，從材料上去體會“技術(shù)”對“工程”的重要性。

《用水測量時間》教學(xué)中，教師讓學(xué)生設(shè)計(jì)的是“泄水型水鐘”的整體框架，而一些細(xì)節(jié)上的處理而以材料呈現(xiàn)的方式讓學(xué)生去自我消化。比如滴漏器中間的連接裝置，我采用的是雙管通道（如圖），通過和學(xué)生的交流讓他們明白這樣做的原理是因?yàn)榭諝庹紦?jù)空間，下面接水容器中的氣體出不來，水是進(jìn)不去的。同時在這個基礎(chǔ)上，讓學(xué)生考慮如果給一個通道裝上一根軟管，不讓氣體出來水進(jìn)不去，讓氣體出來水就進(jìn)去，不就做成了一個水鐘的“開關(guān)”嗎？學(xué)生通過嘗試，體驗(yàn)到了“技術(shù)”給制作帶來的樂趣。又如五年級上冊《怎樣得到更多的光和熱》一課，教師設(shè)計(jì)一個拓展性活動-顏色與吸熱性能的比較。老師設(shè)定的框架就是以材料為基礎(chǔ)，給如下圖一的兩個大小相同的瓶子設(shè)計(jì)一個裝置，想辦法比較等量的水在相同時間誰吸熱快。老師給學(xué)生預(yù)先準(zhǔn)備的材料有很多，如溫度計(jì)、玻璃管，塑料管等等。給學(xué)生充分的設(shè)計(jì)、制作和交流時間，學(xué)生設(shè)計(jì)出了很多這樣優(yōu)秀的“產(chǎn)品”（如圖二）。

結(jié)語

STEM是一種理念，是對“做中學(xué)”教育思想的升華，是對探究式學(xué)習(xí)的完善和拓展。在STEM理念的指引下，創(chuàng)新科學(xué)學(xué)習(xí)方式，充分發(fā)揮科學(xué)的探究性、工程設(shè)計(jì)的整合性、數(shù)學(xué)的工具性以及技術(shù)的驅(qū)動性，重構(gòu)科學(xué)教學(xué)的過程，讓學(xué)生積極主動地參與到學(xué)習(xí)中來，培養(yǎng)學(xué)生分析、處理實(shí)際問題的能力，才能真正培養(yǎng)科學(xué)核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京師范大學(xué)出版集團(tuán).2017版

[2]李元通.STEM 教學(xué)引入小學(xué)課堂的策略[J].科學(xué)教學(xué)，2017.

[3]王玲玲.基于STEM的小學(xué)科學(xué)課程設(shè)計(jì)研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2015.

[4]蔣志輝等.STEM教育背景下中小學(xué)生學(xué)習(xí)力培養(yǎng)策略研究[J].中國電化教育，2017.

[5]薛仕靜.“STEM教育+”：基于科學(xué)的學(xué)科融合教學(xué)的策略[J].教學(xué)月刊，2019.

[6]樓曙光.基于STEM教育理念的小學(xué)科學(xué)教學(xué)策略[J]. 中國校外教育，2017.