開發(fā)STEM教育課程學(xué)習(xí)資源

◇盧寶生（廣東：佛山市順德區(qū)樂從小學(xué)）

在STEM 教育過程中，將科學(xué)知識學(xué)習(xí)和考察探究、設(shè)計制作、創(chuàng)意創(chuàng)造等融合起來，運(yùn)用技術(shù)和工具的創(chuàng)新使用、數(shù)學(xué)的模型建構(gòu)和數(shù)據(jù)分析、成果的物化表達(dá)與交流評價來開展STEM 教育，是實現(xiàn)“教、學(xué)、評”一致性的有效途徑。

教師：制訂方案，研究課標(biāo)與解讀教材，整合技術(shù)搜集素材，開發(fā)資源，多元評價，改進(jìn)迭代。

學(xué)生：發(fā)現(xiàn)問題并提出問題，做出設(shè)想制訂方案，利用資源建立模型，項目呈現(xiàn)，分享交流。

通過上述模式，實現(xiàn)STEM 學(xué)習(xí)資源的構(gòu)建與實施，在課堂教學(xué)中提升學(xué)生在探究實踐方面的關(guān)鍵能力：科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實踐能力、自主學(xué)習(xí)能力。

一、數(shù)字技術(shù)引領(lǐng)下STEM 教材的教學(xué)資源開發(fā)

由廣東高等教育出版社出版的《科創(chuàng)和STEM教育實驗教材》中有一些探究活動，需要實際的模型幫助學(xué)生進(jìn)行探究。我們需要一些數(shù)字化的建模技術(shù)把設(shè)計實驗?zāi)Ｐ椭谱鞒鰜?，?yīng)用于課堂上，為STEM教育提供可操作的、可探究的學(xué)習(xí)資源。

（一）激光切割技術(shù)賦能的STEM 課程學(xué)習(xí)資源

STEM 課程中許多探究活動需要給學(xué)生提供實際的模型進(jìn)行探究。運(yùn)用激光切割技術(shù)，能充分體現(xiàn)工程與技術(shù)在STEM 教育中的應(yīng)用。在課題研究其間，課題組成員經(jīng)過長時間鉆研，開發(fā)了一系列STEM 教育資源，通過課堂的實踐與應(yīng)用，檢驗資源開發(fā)對課堂教學(xué)的效果。課前準(zhǔn)備，我們把設(shè)計的實驗?zāi)Ｐ椭谱鞒鰜?，在學(xué)生提出問題、制訂方案后，運(yùn)用這些創(chuàng)新資源進(jìn)行模型搭建，最終解決問題。如五年級下第二單元“船的研究”，探究活動是讓學(xué)生制作不同動力的小船，了解船的動力來源。我們通過創(chuàng)客空間用到的激光切割技術(shù)可以為學(xué)生設(shè)計幾種不同的小船，然后進(jìn)行實驗對比，在同等動力的情況下，對三角帆、梯形帆、圓形帆小船速度進(jìn)行比較。還可以進(jìn)一步研究橡皮筋動力小船的速度。在多年課程資源開發(fā)過程中，我們發(fā)現(xiàn)，把模型應(yīng)用于科學(xué)實驗探究，能更好地激發(fā)學(xué)生探究實驗的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（二）3D打印技術(shù)賦能的STEM課程學(xué)習(xí)資源

3D 打印技術(shù)能完成立體直觀的建構(gòu)模型，學(xué)生可以在小組形成研究方案之后，在電腦上進(jìn)行3D 建模，通過模型預(yù)測解決方法的可行性。如六年級下《轉(zhuǎn)動的風(fēng)車》一課，需要學(xué)生了解風(fēng)能的利用，并運(yùn)用工程技術(shù)設(shè)計一臺風(fēng)能起重機(jī)。風(fēng)車扇葉的數(shù)量（三葉風(fēng)車還是四葉風(fēng)車等）、風(fēng)扇扇葉的面積都是影響風(fēng)能起重機(jī)動力的因素。沒有配套的學(xué)習(xí)資源，只能紙上談兵，停留在設(shè)計上。在3D打印技術(shù)賦能下，學(xué)生可以在電腦上設(shè)計各種不同大小的風(fēng)車，打印出來，進(jìn)行測試，還能通過交流、評價，對自己的設(shè)計進(jìn)行完善。這是基于“教、學(xué)、評”一致性理念，過程性評價的體現(xiàn)。

（三）數(shù)字化傳感器技術(shù)賦能的STEM 課程學(xué)習(xí)資源

隨著教育信息化的高速發(fā)展，對人才培養(yǎng)的要求也不斷提高，從原來的眼睛觀察、紙筆記錄到現(xiàn)在的各種AI 技術(shù)、仿真實驗虛擬現(xiàn)實，科學(xué)探究已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代，我們需要運(yùn)用各種數(shù)字化傳感器開展更精確的實驗探究。如五年級上《植物需要陽光》一課，植物在進(jìn)行光合作用的時候吸收了哪些氣體？根據(jù)常識，我們當(dāng)然知道是二氧化碳。吸收了多少？有多快？我們可以借助數(shù)據(jù)采集器和二氧化碳傳感器進(jìn)行實驗測試。有了數(shù)字化教學(xué)資源的賦能，許多定性實驗可以變成定量實驗，學(xué)生能更準(zhǔn)確地表達(dá)觀點、反思探究過程與結(jié)果。

跨學(xué)科融合的STEM 教育，教學(xué)活動離不開各種學(xué)習(xí)資源的支持。這些學(xué)習(xí)資源往往需要在項目式學(xué)習(xí)或主題式學(xué)習(xí)時進(jìn)行逆向設(shè)計，先把學(xué)生的學(xué)習(xí)效果確定，只有這樣才能實現(xiàn)評價與教師的教、學(xué)生的學(xué)一致。

二、校園科技活動推動下的STEM 課程學(xué)習(xí)資源實踐探索

運(yùn)用激光切割技術(shù)開發(fā)的一系列教學(xué)資源，除了可以應(yīng)用在日常的STEM 課堂教學(xué)中，提高教學(xué)質(zhì)量，還可以助力校園科技活動，讓更多的學(xué)生參與到我們的STEM項目中來。

通過校園STEM 活動課程，如科技節(jié)、體藝節(jié)等大型活動，能讓更多的學(xué)生同時參與到STEM課程中來。為此，我們師生共同開發(fā)和設(shè)計了一系列STEM 校園活動課程的項目資源，讓更多的學(xué)生參與到我們的活動中來。近年來，通過運(yùn)用激光切割技術(shù)，我們已經(jīng)成功設(shè)計出一系列校園STEM活動項目，如智能遙控機(jī)械手臂、遙控足球小車、氣球?qū)?zhàn)小車、乒乓球連發(fā)弩、來去自如、液壓挖掘機(jī)等科普互動游戲項目。在科技節(jié)大型活動中，學(xué)生可以參與和體驗創(chuàng)客空間所設(shè)計的各種新作品，讓更多的學(xué)生投入和參與到我們的STEM 團(tuán)隊中來。

（一）工程與技術(shù)中展風(fēng)采——校園科技節(jié)中的STEM課程

作為校園特色的科技活動，開放的互動主題與充足的活動時間，更能讓學(xué)生發(fā)揮動手創(chuàng)作能力。課堂上，完成基本科學(xué)知識學(xué)習(xí)后，教師留下創(chuàng)作的項目，讓學(xué)生利用教師提供的學(xué)習(xí)資源，加上自己的創(chuàng)意想法進(jìn)行設(shè)計制作，充分體現(xiàn)工程與技術(shù)的培養(yǎng)。2021 學(xué)年第一學(xué)期，五年級舉辦了一場“我的航海夢”科技模型——船模制作活動。如果只把制作項目和要求交給學(xué)生，沒有其他學(xué)習(xí)制作輔助，他們的方案就極有可能因缺少一個核心零件而無法完成。結(jié)合學(xué)生的年齡特點，可以適當(dāng)把項目的難度降低，畢竟小學(xué)生不同于高中生和大學(xué)生，小學(xué)階段的STEM 教育更需要大量學(xué)習(xí)資源來支撐。我們運(yùn)用激光切割技術(shù)，提前讓參賽學(xué)生制作好船的桅桿、電池盒、電動機(jī)和開關(guān)等核心裝置。通過小組合作，設(shè)計、構(gòu)思、制作出能參賽的小船。

（二）參與和體驗中享樂趣——科普體驗活動中的STEM課程

每學(xué)年的科技游園是我校的特色活動。自課題組開發(fā)激光切割教學(xué)資源以來，我們現(xiàn)在全校每班都安排一個科技體驗項目，以游園活動的方式，全校參與。每位學(xué)生都可以參與所有的科技體驗活動項目，盡情地享受科技盛宴。我們把師生共同開發(fā)的學(xué)習(xí)資源分類別、按班級進(jìn)行管理，每人都能在活動時間內(nèi)去體驗所有的STEM項目。

科普體驗活動包含聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、力學(xué)、機(jī)器人五個領(lǐng)域的體驗項目。學(xué)生通過親自操作、親身體驗學(xué)習(xí)和感受科學(xué)原理。項目由佛山市禪城區(qū)開普樂創(chuàng)文化活動策劃中心設(shè)計。

開發(fā)STEM 教學(xué)資源的初衷是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，努力營造濃郁的科學(xué)氛圍，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生的潛能，讓學(xué)生在活動中充分體驗學(xué)習(xí)科學(xué)的樂趣，能力獲得進(jìn)一步發(fā)展，科學(xué)素養(yǎng)得到進(jìn)一步提升，推進(jìn)我校素質(zhì)教育的深入開展。

三、交流與推廣輻射下的STEM 課程學(xué)習(xí)資源分享

獨行快，眾行遠(yuǎn)。在前期的課題研究中，我們運(yùn)用激光切割技術(shù)、3D 打印建模技術(shù)以及數(shù)字傳感器應(yīng)用技術(shù)開發(fā)的課程學(xué)習(xí)資源，已經(jīng)在我們的STEM 教育中初見成效。如何讓研究更深入、研究成果更有價值，我們需要把它推廣出去。

（一）以名師工作室為平臺，推廣教學(xué)資源

在開發(fā)了一系列STEM 課程教學(xué)資源后，我們以名師工作室為平臺，把課程展示給區(qū)內(nèi)外的同行，既可以獲得更多的交流機(jī)會，也能提升資源開發(fā)的水平。2021年的一節(jié)STEM 研討課在區(qū)名師工作室展示后，受到聽課教師的一致肯定。通過這個平臺，讓更多的教師加入資源開發(fā)的隊伍。

（二）論壇+講座，分享資源應(yīng)用的心得

課堂教學(xué)能直觀地展示我們課題研究中教學(xué)資源的使用效果，但只能看到研究成果的一個側(cè)面，如果要系統(tǒng)全面地認(rèn)識課題背后的結(jié)構(gòu)和核心，專題講座是推廣課題成果的有效途徑。

本學(xué)年，由于在STEM 教學(xué)中取得了突出成效，我們還應(yīng)邀在區(qū)內(nèi)外的同行中分享課題研究的成果。其中，最有價值的就是應(yīng)邀到華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院為科學(xué)教育專業(yè)的本科學(xué)生舉辦專題講座。

四、資源開發(fā)形成的STEM校本課程

按照正常的教育路徑，STEM 校本課程是在現(xiàn)有課程基礎(chǔ)上形成配套的學(xué)習(xí)資源。但是在技術(shù)與材料日新月異的今天，我們可以創(chuàng)新資源推動創(chuàng)新課程的形成。

（一）學(xué)習(xí)資源的“變量遷移”

所謂“變量”類似于科學(xué)探究中的“控制變量法”，在多個影響實驗結(jié)果的因素中，以其中一個因素為變量，其他因素為定量作為研究。在學(xué)習(xí)《太陽能小汽車》一課過程中，我們開發(fā)了太陽能小汽車的實驗?zāi)Ｐ?，研究不同面積太陽能板對小車速度的影響。我們可以把研究的變量“太陽能板”遷移到光照強(qiáng)度進(jìn)行研究，即變成研究同樣大小的太陽能板，不同光照強(qiáng)度對小車的速度影響。還可以研究小車承重能力的影響。

因此，同一種學(xué)習(xí)資源通過“變量遷移”就可以形成新的研究項目，開發(fā)出內(nèi)容更豐富的校本課程。

（二）學(xué)習(xí)資源的“項目遷移”

在開發(fā)風(fēng)能起重機(jī)學(xué)習(xí)資源的基礎(chǔ)上，我們可以對風(fēng)能的利用進(jìn)行項目的“遷移”。風(fēng)能可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，也可以轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，所以在完成了教材中的學(xué)習(xí)任務(wù)后，我們把學(xué)習(xí)資源遷移到一個創(chuàng)新的項目中——風(fēng)力小船。在研究如何利用風(fēng)能驅(qū)動小船前進(jìn)的過程中產(chǎn)生新的學(xué)習(xí)任務(wù)。遷移的范圍還可以再擴(kuò)大一些，如風(fēng)能發(fā)電的研究、滑翔機(jī)的研究等。

學(xué)習(xí)資源的開發(fā)還可以通過“項目遷移”的方法形成創(chuàng)新的校本課程。

五、創(chuàng)新理念下的實踐探索

（一）技術(shù)手段創(chuàng)新——從基礎(chǔ)實驗到人工智能

課題小組利用創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)的STEM 工程技術(shù)學(xué)習(xí)資源，與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)資源項目，是1.0 與2.0 時代的本質(zhì)區(qū)別。在激光切割技術(shù)、3D 建模技術(shù)、數(shù)字傳感器技術(shù)支持下，所開發(fā)的教學(xué)資源從知識概念層面提升到工程技術(shù)層面。它不再是用一個燒杯、一個溫度計、一把尺子，做一個實驗探究，而是融合溫度傳感器、超聲波測距等技術(shù)于實踐探究中。

（二）學(xué)習(xí)模式創(chuàng)新——從常規(guī)學(xué)習(xí)到項目式學(xué)習(xí)

創(chuàng)新的學(xué)習(xí)資源把原來的課時學(xué)習(xí)重構(gòu)為項目式學(xué)習(xí)，從生活情境中發(fā)現(xiàn)問題并提出問題，以問題為導(dǎo)向，提出猜想并設(shè)計解決方法。利用教師提供的學(xué)習(xí)資源進(jìn)行建模，通過工程技術(shù)完成項目，實現(xiàn)問題解決，最后進(jìn)行交流與評價。

項目式學(xué)習(xí)指向科學(xué)觀念、科學(xué)思維、實踐探究與態(tài)度責(zé)任四個方面的核心素養(yǎng)，符合學(xué)生發(fā)展規(guī)律。在培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科能力的過程中，實現(xiàn)五育并舉，在形成態(tài)度責(zé)任與社會責(zé)任中，做到立德樹人。

（三）學(xué)習(xí)評價創(chuàng)新——從總結(jié)性評價到過程性評價

在創(chuàng)新學(xué)習(xí)資源的推動下，學(xué)生的評價除了傳統(tǒng)的紙筆考核，近兩年又引入了實驗操作考核、創(chuàng)新作業(yè)評價等評價方式。學(xué)生通過完成具體的項目制作，通過錄制視頻、寫美篇等方式呈現(xiàn)在我們開設(shè)的公眾號上，學(xué)生之間可以留言點贊。通過項目競賽（如空氣動力小船制作、航行比賽、車輛模型比賽）評價學(xué)生的工程制作。

通過對STEM 教育資源的開發(fā)，在課堂教學(xué)中提升學(xué)生在探究實踐方面的關(guān)鍵能力：科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實踐能力、自主學(xué)習(xí)能力。

學(xué)生將要面對的是一個人工智能的時代，無人駕駛、AI、人臉識別、語音識別等都是現(xiàn)在科技發(fā)展的前沿。課程的建設(shè)和資源的開發(fā)應(yīng)該緊跟時代發(fā)展的步伐，只有這樣，我們的學(xué)生、我們的國家才能在全球發(fā)展中提升自己的競爭力。