STEM教學案例探析
——以《設(shè)計喂鳥器》為例

李倩 李紅艷

（淄博高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)華僑城小學，山東 淄博 255086）

隨著教育模式的革新，教育正在全球范圍內(nèi)被重新定義。近幾年，STEM 教育理念被越來越多的人所認可，培養(yǎng)具備綜合素養(yǎng)的下一代是教育者的終生奮斗目標。在美國，培養(yǎng)具有STEM 素養(yǎng)的人才，成為全球競爭力的關(guān)鍵。美國政府也在不斷加大對從小學到大學各個層次的STEM 教育的支持力度，鼓勵改善STEM 教育，以激發(fā)年輕人對科學知識的興趣。在我國，這幾年也在嘗試推廣STEM，《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確指出有效利用信息技術(shù)推進“眾創(chuàng)空間”建設(shè)、探索STEM 教育、創(chuàng)客教育等教育模式，使學生具有較強的信息意識與創(chuàng)新意識。2018 年伊始，學校引入項目式學習，開始進行跨學科融合教學研究，以新型的教學方式探尋學生發(fā)展核心素養(yǎng)的新途徑。全新的學習方式，帶動了教學的多方位聯(lián)動，自上而下地改變著學校教育的生態(tài)。如何將STEM 與學科教學進行融合，我們不斷進行嘗試，在四年級開展《設(shè)計喂鳥器》的項目活動。

一、《設(shè)計喂鳥器》引入背景及意義

確定問題之前，先了解“什么是STEM？”STEM 教育融合科學、工程、技術(shù)和數(shù)學四大領(lǐng)域。這四個領(lǐng)域之間存在著一種相互支撐、相互補充、共同發(fā)展的關(guān)系。任何一個部分都不能獨立，只有在交互和碰撞中，才能實現(xiàn)深層次的學習。

人與動物和諧相處，可以促進社會內(nèi)部和諧，加快社會主義精神文明建設(shè)，提高國民綜合素質(zhì)和社會整體道德水平。小學生喜愛自然，對很多動物有天然的親近感，引導學生正確認識人與動物的關(guān)系，可以培養(yǎng)學生愛護動物的意識與行為。以此為背景確定了本項目。通過這樣的情境導入，讓學生初步感知：入冬后天氣寒冷，鳥兒覓食將存在很大的困難。那么，作為小學生的我們，可以為鳥兒做些什么呢？我們是不是可以做一些喂鳥器來幫助鳥兒覓食？讓鳥兒在寒冷的冬季有個溫暖的休息站？這些都在一定程度上激發(fā)了學生愛護幫助鳥類和設(shè)計、制作“喂鳥器”的欲望。

在研究之前，要先得知學生的興趣點及知識面，以此展開研究。討論通過什么方法保護冬天的鳥兒，制作喂鳥器成為首選，于是確定研究主題。由于學生在生活中了解到的關(guān)于“鳥”“喂鳥器”的知識都是零散的，首先要進行的是前概念補充。于是對四年級學生對鳥類的認知情況進行了調(diào)查：一是研究鳥類的身體構(gòu)造、不同類型的鳥嘴、鳥類生存環(huán)境與身體構(gòu)造的關(guān)系、周邊常見鳥類；二是在校園內(nèi)或周邊借助望遠鏡或其他設(shè)備觀察鳥類，再借助網(wǎng)絡(luò)詳細了解，完成活動記錄表。

在STEM 活動中一個富有挑戰(zhàn)性的問題可以激發(fā)學生的興趣。在“設(shè)計喂鳥器”項目中，根據(jù)學生的調(diào)查研究，提出許多問題。這個喂鳥器有什么好處？設(shè)計喂鳥器要考慮哪些因素？選擇什么樣的材料制作喂鳥器？要給鳥兒喂哪些食物？食物和鳥喙又有怎樣的聯(lián)系？等等。

學生經(jīng)過查閱資料了解到，鳥類的喙主要用來獲取食物、捕捉、叼住、撕咬以及水中過濾食物，有時也用于攀登、修飾、爭斗和筑巢。每種鳥的捕食習慣都與它們喙的形狀和大小有直接關(guān)系。喙的多樣化使得它們適合吃不同的食物，這樣多種不同的鳥類就可以在同一個地域中生活。

學生經(jīng)過小組討論表示，喂鳥器要有喂食區(qū)、飲水區(qū)、休息區(qū)，設(shè)計喂鳥器既要考慮喂鳥器的牢固性、防水性，還要考慮環(huán)保等因素。喂食口的高度要考慮鳥的身高，站臺要能承重。在選擇材料時都表示選擇環(huán)保材料，比如塑料瓶、易拉罐、罐頭盒等，這些材料具有良好的防水效果，鳥兒可以在盒底落腳，盒身又能像傘一樣為鳥兒遮風防雨。

通過一系列的搜集和探究活動，借助學生的討論和交流，教師引導和啟發(fā)學生的思維，將書本知識和現(xiàn)實生活中的問題進行鏈接，將主動權(quán)還給學生，讓學生成為探究的主體。這樣既提高了學生的探究興趣，又培養(yǎng)了解決問題的能力。同時向?qū)W生滲透環(huán)保教育和愛護鳥類等動物的理念，進行德育教育。

二、《設(shè)計喂鳥器》教學實踐過程

（一）《設(shè)計喂鳥器》教學基本信息

（二）《設(shè)計喂鳥器》的教學目標

通過讓四年級學生調(diào)查研究、運用多種方法去研究認識鳥類、進行工程設(shè)計、制造完成喂鳥器產(chǎn)品、測試產(chǎn)品、進行產(chǎn)品發(fā)布這樣一個過程，使學生在逐層分析和逐步解決問題的過程中獲得知識，了解喂鳥器的工程原理。在面對新問題尋找切入點的過程中，培養(yǎng)創(chuàng)新、創(chuàng)造能力。同時，通過讓學生動手制作，體會科學和工程在實際生活中的融合方法，培養(yǎng)學生對工程設(shè)計的認識，體會探究的快樂。

（三）《設(shè)計喂鳥器》預設(shè)問題

1.實用性設(shè)計。要制作一個喂鳥器，首先要考慮其實用性，那么就要考慮選擇一樣容器來盛放食物，這個容器可以是瓶子、罐子等能盛放食物的，但還要考慮到食物顆粒的大小問題，一般情況下，我們喂食的食物主要以小米等為主。所以盛放食物的容器可以選擇有鏤空的，但不能鏤空太多，至少要保證食物不漏出來。

2.材料選擇。喂鳥器很多是放于室外的，這就需要考慮擋風遮雨的問題。因此，材料需要是能防水的。進一步思考：為什么要選用這種材料呢？所選材料要盡可能地為鳥兒進行遮擋，也要保證食物不被雨打濕。還要考慮所需要使用的其他材料及工具，如膠槍和膠棒主要用來粘接，剪刀主要進行裁剪，等等。

3.考慮安全因素。小組合作時相互提醒與關(guān)注，尤其注意尖銳物品，如剪刀頭、塑料瓶剪開的口、牙簽頭等，還要注意不把尖銳的一面對著人，以免出現(xiàn)安全事故。如確實有困難，及時向教師尋求幫助。

（四）《設(shè)計喂鳥器》教學策略

1.搭腳手架。圍繞《設(shè)計喂鳥器》項目，通過啟發(fā)學生觀察和研究身邊的鳥類出發(fā)，讓學生按“最近發(fā)展區(qū)”建立概念框架。

2.獨立探索。根據(jù)學生自身的研究，教師引導學生思考“為什么要設(shè)計喂鳥器”“設(shè)計喂鳥器需要考慮哪些因素”“選用什么材料做喂鳥器最合適”。通過思考，讓學生自己分析，沿著概念框架繼續(xù)攀升。

2.2.1 女生體質(zhì)健康標準測試各指標間相關(guān)分析 從表4（見下頁）中可以看出，體重與50m跑、立定跳遠、一分鐘仰臥起坐，BMI與一分鐘仰臥起坐共4組變量間相關(guān)無顯著性外，其余變量間相關(guān)都具有顯著性。

3.合作學習。面對每個人的思考，綜合考量最合適的方案。經(jīng)過小組協(xié)商，可以使原來多種意見矛盾的復雜局面逐漸變得明朗、清晰。在共享思維的基礎(chǔ)上，達到對概念全面、正確地理解，最終完成意義建構(gòu)。

4.效果評價。通過組內(nèi)互評、組間互評，完成對自主學習能力、對小組貢獻、改進完善作品的評價。促進學生對STEM 意義的理解，提升自身的信息素養(yǎng)。

（五）《設(shè)計喂鳥器》教學過程

1.繪制設(shè)計圖?；谝陨系难芯?，學生首先繪制自己心目中的喂鳥器，大部分同學在設(shè)計過程中，富有創(chuàng)造力，甚至加入了很多科技色彩。但忽略了其他問題，比如成本是否增加、是否具備可操作性等。繪制完成設(shè)計圖后，學生在小組內(nèi)進行自評和互評，互相指出優(yōu)點及需要改進的地方，明確評判和制作標準：一是能給鳥兒喂食，二是可以遮風擋雨，三是適當考慮外形美觀。這樣以任務(wù)驅(qū)動引發(fā)學生制作喂鳥器的興趣，讓學生有了一定的想象與選擇的空間。最后選擇相對最優(yōu)設(shè)計圖作為最終設(shè)計圖，進行討論、修正、完善，形成定稿。接下來，組間展示小組設(shè)計圖，并對作品進行投票，選擇最實用的、最牢固的、最符合工程原理、最美設(shè)計……各小組闡述投票理由，學生各抒己見，暢所欲言。根據(jù)組間建議，各小組再次對設(shè)計圖進行完善，像真正的工程圖紙一樣，用圖片和文字明確自己想要制作的喂鳥器是什么樣的。比如，每一部分用什么材料？尺寸和比例是怎樣的？怎么對各部分進行粘接？包含了什么樣的科學原理？通過工程圖，讓學生對完成整件作品有一個清晰的認知，明確每一個步驟。

在這個環(huán)節(jié)中，教師會擔心學生是否具備完成設(shè)計圖的能力，事實證明，學生具有驚人的創(chuàng)造力和設(shè)計力。在STEM 課程中，教師引導小組學生共同完成，學生之間互相提醒、互相補充、互相修正，逐步搭建支架，不僅培養(yǎng)了交流合作的能力，而且體會了工程制作的原理。

在STEM 教學中，學生經(jīng)歷設(shè)計活動后要充分展示和交流，在質(zhì)疑中完善。交流的過程，既是思維顯性化的過程，又是思維精細化的過程。我們要求學生將自己的作品張貼到黑板上，讓每一個學生充分了解每一件作品，交流時能夠有理有據(jù)。最終評選出最具創(chuàng)意設(shè)計、最合理設(shè)計、造型最美觀設(shè)計。

設(shè)計是制作的前提，也是工程技術(shù)的核心問題。讓學生通過探究過程中獲得的知識，解決現(xiàn)實問題，將想法呈現(xiàn)在紙上，促進思維的發(fā)展。

2.設(shè)計制作喂鳥器。準備好材料后，給學生兩小時的時間進行制作。制作前各小組明確分工，由組長做總指揮，組員按組長的要求完成相應(yīng)任務(wù)。小組成員熱情高漲，積極參與。但每組動態(tài)又各不相同。多數(shù)小組能夠達成共識，進展順利。有一個小組因成員意見不一致，遲遲未動。有一個小組的罐頭罐太過堅硬，制作過程中頗費了一番力氣。各小組在制作的過程中不斷發(fā)現(xiàn)新問題，不斷修正。完成制作后，對喂鳥器進行測試。各小組在老師的帶領(lǐng)下，將喂鳥器放到鳥兒常出沒的地方。測試時間為三天。學生每天自行觀察、記錄。三天后，發(fā)現(xiàn)有的喂鳥器已經(jīng)散架、有的掉落、有的喂鳥器食物沒有減少。各小組根據(jù)出現(xiàn)的問題進行二次設(shè)計。小組成員聚在一起討論優(yōu)點和不足，反思整個設(shè)計，提出改進方案再設(shè)計。二次設(shè)計時拋棄了原來的理想主義，在牢固性、輕便性、防水性上再下功夫。

通過制作喂鳥器，學生在實踐中深刻理解了STEM對科學、工程、技術(shù)和數(shù)學四大領(lǐng)域的融合。學生在制作過程中，運用測量、建模、論證等方法，體會到做中學的樂趣，培養(yǎng)了將科學運用到工程的實踐能力。

3.項目發(fā)布。作品發(fā)布會是最精彩的部分，各小組分享成果并聽取他人意見，展現(xiàn)溝通、質(zhì)疑、協(xié)作能力。在展示過程中，所有學生聚精會神，認真傾聽。八組的“愛心喂鳥器”展示結(jié)束后，有的同學提出：“沒有站臺，鳥兒如何吃到食物？”“遮陽傘太小了，如果下雨或者下雪，喂鳥器不就被淋壞了嗎？”這樣的問題。九組的“環(huán)保喂鳥器”展示結(jié)束后，有的同學提出“你們的喂鳥器喂食口太小太長，鳥兒吃食很不方便。能不能再拓寬喂食口？”……學生幾乎都能根據(jù)每組的展示，提出質(zhì)疑，給出合理的建議。通過評價，大大提升了學生的工程思維，確保教學目標的完成。

（六）《設(shè)計喂鳥器》教學評價

繪制完成設(shè)計圖后，學生在小組內(nèi)進行自評和互評，互相指出優(yōu)點及需要改進的地方，并選擇相對最優(yōu)設(shè)計圖作為最終設(shè)計圖，進行討論、修正、完善，形成定稿。接下來，組間展示小組設(shè)計圖，并對作品進行投票，選擇最實用的、最牢固的、最符合工程原理、最美設(shè)計……各小組闡述投票理由，學生各抒己見，暢所欲言。

作品發(fā)布會，臺下學生紛紛提出肯定的和有建設(shè)性的意見，評價喂鳥器功能是否完善、是否滿足要求。重點是喂食口大小和高度，是否方便鳥進食；防水能力是否夠強，不要出現(xiàn)滲水、開膠的情況。

通過評價，大大提升了學生的工程思維，確保教學目標的完成。

借助《設(shè)計喂鳥器》這一項目，希望每個學生能夠通過設(shè)計、制作、改進、實踐等過程的體驗，進一步了解鳥兒的生活狀況，切實體會到保護鳥兒、保護環(huán)境的重要性，從而在孩子們心中種下發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的種子。

三、實施《設(shè)計喂鳥器》案例后的反思

（一）STEM教學要求

教師掌握系統(tǒng)的專業(yè)知識和專業(yè)技能，這是開展STEM 教學的基礎(chǔ)和前提?；诮逃齼r值方面的考慮，教師要理解STEM 教育、理解學生、理解科學教學；基于學科整合方面的考慮，教師要具備相關(guān)學科基礎(chǔ)，并具備探究和指導的能力；基于教學能力方面的考慮，通過教學，要幫助學生建立工程思維和素養(yǎng)；基于專業(yè)發(fā)展方面的考慮，要不斷自我反思、自我評價、自我發(fā)展，提升自身的專業(yè)化水平。

（二）STEM要解決真實的問題

以實際生活中的問題為出發(fā)點解決問題。比如“設(shè)計喂鳥器”項目，“冬天到了，天氣變冷，食物減少，鳥兒們怎樣解決吃住的問題？”從身邊的問題出發(fā)，切實尋找解決問題的辦法。如果只是根據(jù)常識就急于展開制作，設(shè)計過程有了，但缺乏前期調(diào)查和思考，活動的價值會打折，評價也會沒有著力點，最終學生也不會習得多少STEM 素養(yǎng)。

（三）STEM教學要以學生為中心

STEM 的起點并不完全是學科知識，只要有興趣，具備探究精神就可以開展。在整個設(shè)計“制作喂鳥器”項目中，我們完全信任學生，為學生提供充足的探究時間，包括制作環(huán)節(jié)，教師沒有過多干預，讓學生在動手過程中自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、修正問題。只有這樣，學生工程意識和科學素養(yǎng)的種子才能萌發(fā)，直至長成參天大樹。

先進教育理念的引進，要與學生的發(fā)展核心素養(yǎng)匹配，讓STEM 教育落地生根，是我們努力追求的目標。