基于STEM理念的“技術(shù)與工程”教學實踐與探索

◇劉遠謹（浙江：溫州外國語小學）

《義務(wù)教育小學科學課程標準（2017 版）》將“技術(shù)與工程”列為與“物質(zhì)科學”“生命科學”和“地球與宇宙科學”并列的一個領(lǐng)域?！凹夹g(shù)與工程”課程內(nèi)容明確指出：“倡導跨學科學習方式?？茖W（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）、數(shù)學（mathematics），即STEM 教育，是一種以項目學習、問題解決為導向的課堂組織方式，有利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?！惫P者認為，基于STEM 理念的小學科學“技術(shù)與工程”的教學研究，是實施STEM 教育的有效路徑之一。

一、審視：基于STEM理念的小學科學教育導向

（一）學習需求：建構(gòu)項目式學習的一種途徑

學生是課堂的中心，課堂是能夠滿足學生各種需求的重要學習場所。首先，學生的認知特點是多樣的、復雜的和層次不一的，應(yīng)該得到滿足；其次，學生展示或暴露自己的想法的方式是多樣的，同樣應(yīng)該得到滿足。因此，STEM 教育理念下的項目式學習可以多方面滿足或順應(yīng)基于學生認知特點的需求。

（二）方法認可：實現(xiàn)有效教學的一種嘗試

小學科學課堂倡導探究式學習。首先，探究能夠?qū)崿F(xiàn)多維聚焦，包括實驗前的方案設(shè)計、過程中的實驗信息、實驗后的研討交流。其次，學生在這個大空間里形成想象、矛盾和思考。因此，STEM 教育理念下的“技術(shù)與工程”提倡以項目式教學方式將學生零散碎片的知識概念與機械過程轉(zhuǎn)變成一個探究世界相互聯(lián)系的學習動態(tài)過程。

（三）素養(yǎng)追求：對接核心素養(yǎng)的一種視野

在21 世紀，合作學習、批判性思維、創(chuàng)新創(chuàng)造和溝通交流等4C（collabortion, critical,creativity, communication）能力是大部分國際組織和國家關(guān)注的核心素養(yǎng)。STEM 教育理念強調(diào)工程設(shè)計思維，鼓勵學生像工程師一樣去設(shè)計，解決生活生產(chǎn)中的實際問題。

二、架構(gòu)：基于STEM 理念的小學科學“技術(shù)與工程”學習內(nèi)容

筆者基于科學概念、教學目標、學生學情等視角，挖掘小學科學“技術(shù)與工程”領(lǐng)域中的學習主題。以工程設(shè)計為核心的STEM 教育和探究為核心的科學學習都是基于前認知進行內(nèi)容架構(gòu)，但兩者之間也存在差異（見表1）。STEM 教育更凸顯學科融合思維，關(guān)注真實問題情境的學習過程、真實問題解決以及項目物化成果呈現(xiàn)。

表1 分析STEM教育與科學探究的差異性

基于STEM 教育理念與學習進階理論，筆者將“技術(shù)與工程”領(lǐng)域的學習內(nèi)容進行分類，梳理架構(gòu)低階（滲透—體驗型）、進階（嵌入—應(yīng)用型）和高階（專題—實踐型）三大實施類型（見表2與表3）。

表2 “技術(shù)與工程”領(lǐng)域的科學知識學段目標

表3 “技術(shù)與工程”領(lǐng)域的學習內(nèi)容

三、踐行：基于STEM 理念的“發(fā)現(xiàn)—探究—設(shè)計—實踐”教學模式

《義務(wù)教育小學科學課程標準（2017 版）》指出，通過“技術(shù)與工程”領(lǐng)域的學習，養(yǎng)成以最優(yōu)策略來解決實際問題。為融合STEM 教育和小學科學教學，筆者嘗試提出“發(fā)現(xiàn)—探究—設(shè)計—實踐”的課堂教學模式（見圖1）

圖1 “發(fā)現(xiàn)—探究—設(shè)計—實踐”課堂教學模式

整個教學設(shè)計模型的建構(gòu)與細化以活動為出發(fā)點，活動要素分別有發(fā)現(xiàn)問題、科學探究、工程設(shè)計和實踐反思四個步驟，它們構(gòu)成了課堂教學模式。每個環(huán)節(jié)中兼具教師活動和學生活動。

（一）發(fā)現(xiàn)問題

教師引導學生在真實情境中發(fā)現(xiàn)問題并提出問題?；赟TEM 教育具有情境性的特點，STEM 教育理念下的教學設(shè)計應(yīng)該將結(jié)構(gòu)化的知識融入真實的情境，讓學生能在情境中發(fā)現(xiàn)問題并對問題產(chǎn)生好奇和想要探究的欲望。

（二）科學探究

教師指導學生開展知識建構(gòu)?；赟TEM教育具有實踐性的特點，STEM 教育理念下的科學探究應(yīng)該鼓勵學生主動參與實踐活動，在實踐過程中加深對科學知識的理解，提升學生的科學素養(yǎng)和解決實際問題的能力。

（三）工程設(shè)計

學生基于科學探究的結(jié)果開展工程設(shè)計?；赟TEM 教育具有設(shè)計性的特點，STEM 教育理念下的活動設(shè)計應(yīng)該突出工程設(shè)計，教師應(yīng)指導學生了解工程設(shè)計的流程，組織學生對研究的問題進行分析，提出設(shè)計方案，個人或集體進行方案論證，再選擇合適的材料進行制作與測試。

（四）實踐反思

教師和學生在評價后進行反思與改進的活動?；赟TEM 教育具有實踐性的特點，STEM教育理念下的教學設(shè)計應(yīng)該鼓勵學生解決生活中的實際問題，在多次測試過程中不斷改進、完善作品，從而幫助學生進行更高階的項目研究。

基于科學概念、STEM 教育與學情等視角，筆者選擇二年級下冊《做一個指南針》作為教學案例，以此為內(nèi)容進行STEM 教育理念下的教學設(shè)計與實踐教學。并依據(jù)小學科學素養(yǎng)評分標準對學生的學習過程和學習成果進行評價，驗證STEM 理念下小學科學“技術(shù)與工程”的教學設(shè)計的操作性和有效性（見表4）。

表4 《做一個指南針》教學設(shè)計

為了得出研究結(jié)論，本文需要設(shè)計測評工具對常規(guī)教學的學生和參加研究教學的學生在學習興趣、問題解決能力和科學素養(yǎng)方面做出比較分析。通過測評結(jié)果來判斷STEM 教育理念下小學科學“技術(shù)與工程”的教學設(shè)計是否有效激發(fā)學生的學習興趣和提高學生的問題解決能力。本文確定了兩個研究工具是學生學習興趣問卷調(diào)查和小學科學素養(yǎng)評分標準（見附件1、2）。

1.學生學習興趣問卷調(diào)查結(jié)果分析（附件1）

針對學生學習感受和學習情感給出了3 個不同程度的評價選擇，分別是完全符合3 分、比較符合2分和完全不符合1分。筆者對學生學習興趣問卷調(diào)查的結(jié)果進行統(tǒng)計與分析，分別計算實驗組和對照組每個學生的得分，并計算出平均分。結(jié)果表明，實驗組學生問卷調(diào)查的平均分為28.2 分，對照組學生問卷調(diào)查的平均分為22.6分，實驗組學生的平均分高于對照組學生的平均分5.6 分。由此可見，STEM 教育理念下小學科學“技術(shù)與工程”是能激發(fā)學生的學習興趣的（見表5）。

表5 比較分析兩組學生學習興趣得分情況

2.小學科學素養(yǎng)評價標準結(jié)果分析（附件2）

評價標準分為科學概念和科學探究兩個維度，針對學生學習的不同表現(xiàn)和學習成果做出評價，分別是1 分、2 分和3 分。筆者對小學科學素養(yǎng)標準的結(jié)果進行統(tǒng)計與分析，分別計算實驗組和對照組每個學生的得分，并計算出平均分。結(jié)果表明，實驗組學生的平均分為20.1 分，對照組學生的平均分為17.3分，實驗組學生的平均分高于對照組學生的平均分2.8 分。由此可見，STEM 教育理念下小學科學“技術(shù)與工程”是能提高學生的科學素養(yǎng)的（具體見表6）。

表6 比較兩組學生小學科學素養(yǎng)得分情況

綜上所述，運用該教學模式開展教學，不僅能激發(fā)學生的學習興趣，還能提高學生的科學素養(yǎng)和問題解決能力。