STEM項(xiàng)目課程的開發(fā)與實(shí)施

◇高先峰（江蘇：鎮(zhèn)江實(shí)驗(yàn)學(xué)校）

STEM 教育是當(dāng)下比較熱門的話題，其中“S”代表科學(xué)，“T”代表技術(shù)，“E”代表工程，“M”代表數(shù)學(xué)，其特征是通過知識(shí)的融合，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，將學(xué)生培養(yǎng)成面向未來科學(xué)技術(shù)競爭的創(chuàng)新型復(fù)合型人才。STEM 教育理念最早在美國推出,研究表明,STEM 教育有助于教師培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、創(chuàng)新能力、解決問題和溝通的能力。當(dāng)今時(shí)代，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)人才的需求迫切,我國教育領(lǐng)域也開展了一系列探索，開發(fā)小學(xué)科學(xué)STEM 項(xiàng)目課程，踐行STEM 教育理念。在實(shí)際教學(xué)中，以實(shí)踐化、情境化以及綜合性的形式，開展豐富多樣的小學(xué)科學(xué)教學(xué)活動(dòng)，小學(xué)生的知識(shí)視野得以拓寬，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的互動(dòng)交流能力，促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的全面提升。

一、小學(xué)STEM項(xiàng)目存在的問題

（一）教師對(duì)STEM教育的內(nèi)涵不了解

STEM 教育最初是美國提出的一種教育理念,之后變成科技教育中最重要的國際分支之一,以新興教育實(shí)踐和研究實(shí)驗(yàn)室為主要的教育環(huán)境，以科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)為承載。然而在我國,STEM 教育仍然是一項(xiàng)嘗試,多數(shù)教師知其然而不知其所以然,教師也容易將其與學(xué)生手工制作等項(xiàng)目產(chǎn)生混淆。然而,這些課程并不包含科學(xué)設(shè)計(jì)的元素,也不符合STEM 教育的本質(zhì),仍然屬于傳統(tǒng)科學(xué)課程的范疇。

（二）小學(xué)科學(xué)STEM教學(xué)的偏差

STEM 教育是一種以問題為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì),有效結(jié)合了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)要素,使學(xué)生能夠自主探索和解決問題,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新意識(shí)。然而,在實(shí)踐中,這種基于項(xiàng)目的調(diào)查總是從教師開始,以相同的結(jié)論結(jié)束。這不符合STEM教育的目的,即讓學(xué)生自主研究和解決問題。

二、小學(xué)STEM項(xiàng)目課程的開發(fā)

（一）驗(yàn)證型課程

2022 年，中華人民共和國教育部頒發(fā)新版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置了13 個(gè)學(xué)科核心概念，其中“技術(shù)、工程與社會(huì)”“工程設(shè)計(jì)與物化”兩個(gè)核心概念的學(xué)習(xí)內(nèi)容是科學(xué)、技術(shù)和工程。因此，教師可以基于上述標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出綜合和成熟的STEM 項(xiàng)目課程。首先,教師應(yīng)根據(jù)課程規(guī)定的學(xué)習(xí)目標(biāo),確定課堂上要處理的實(shí)驗(yàn)探究、制作、項(xiàng)目研究等學(xué)習(xí)活動(dòng)。其次,教師要認(rèn)真準(zhǔn)備課堂評(píng)估和具體行動(dòng)計(jì)劃以及審查教學(xué)重點(diǎn)。例如，依據(jù)STEM 教育理念制訂的“生物的啟示”驗(yàn)證方案應(yīng)包括以下步驟：其一，確定一個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù),教師向?qū)W生測(cè)試正六棱柱的抗壓能力。其二,制訂一個(gè)課程計(jì)劃,教師根據(jù)計(jì)劃內(nèi)容,并準(zhǔn)備好教具（如砝碼、A4 紙、塑料平板等）。其三，在課堂上與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng),鼓勵(lì)學(xué)生積極參與學(xué)習(xí)過程，教師與學(xué)生討論并評(píng)估該計(jì)劃,以確保其準(zhǔn)確性和有效性。其四,對(duì)計(jì)劃的實(shí)施過程的有效性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其五,教師對(duì)這一過程進(jìn)行長期評(píng)估,共同反思,加深學(xué)生對(duì)內(nèi)容的理解,修改和完善實(shí)驗(yàn)方案,并與學(xué)生討論和分析過程中的關(guān)鍵因素。

（二）探究型課程

在小學(xué)科學(xué)課程中運(yùn)用調(diào)查法教學(xué)時(shí),教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生識(shí)別和解釋課程中的未知現(xiàn)象,并進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集和分析,讓學(xué)生能夠在此基礎(chǔ)上正確解釋結(jié)果。教師應(yīng)評(píng)估學(xué)生探究過程的所有階段,包括選題、想法的產(chǎn)生、提問、數(shù)據(jù)搜集、問題分析、策略制定、合作整合、創(chuàng)造過程、反思和綜合、展示、分享和交流。例如,關(guān)于空氣污染的STEM 課程可以基于以下學(xué)習(xí)階段來開發(fā)。其一,為了幫助學(xué)生理解和概念化空氣質(zhì)量指標(biāo),教師可以創(chuàng)建圖形圖表,幫助學(xué)生了解空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)及其作用,并鼓勵(lì)學(xué)生通過不斷研究，了解空氣污染的來源。其二,讓學(xué)生了解溫室效應(yīng),并動(dòng)手創(chuàng)建了一個(gè)模型來解釋它。其三,教師通過與學(xué)生討論和互動(dòng),探討全球臭氧層消耗的原因和后果,并討論解決這一問題的有效措施。其四,調(diào)查室內(nèi)空氣污染的來源,以確定和探索有效的預(yù)防措施。其五,教師可以利用空氣模型來加深學(xué)生對(duì)空氣污染控制裝置的理解,引導(dǎo)學(xué)生借助這些裝置,更好地理解科學(xué)問題。

（三）創(chuàng)造型課程

STEM 技能以科學(xué)課程為基礎(chǔ),采用創(chuàng)新的教學(xué)模式。其教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生能夠設(shè)計(jì)和創(chuàng)造一個(gè)物體,同時(shí)引導(dǎo)他們?cè)O(shè)計(jì)、創(chuàng)新和開發(fā)物體,鍛煉他們從不同角度分析、思考問題的創(chuàng)新性思維，以更好地理解知識(shí)概念，提出新穎的觀點(diǎn)和方法。例如,在新授“警報(bào)器設(shè)計(jì)”相關(guān)內(nèi)容時(shí),教學(xué)步驟如下：其一,教師給學(xué)生講一個(gè)關(guān)于報(bào)警場(chǎng)景的故事；其二,教師向?qū)W生講授電路設(shè)計(jì)的基本原理,由學(xué)生設(shè)計(jì)功能電路圖，教師給予相應(yīng)的指導(dǎo)；其三,小組進(jìn)行合作設(shè)計(jì),在聽取學(xué)生匯報(bào)后，教師給予適時(shí)的引導(dǎo)，整合學(xué)生設(shè)計(jì)的報(bào)警電路以及設(shè)計(jì)原理；其四,讓學(xué)生完成相關(guān)測(cè)試，檢驗(yàn)報(bào)警電路系統(tǒng)；其五，學(xué)生之間相互交流各組的設(shè)計(jì)，探討報(bào)警電路的改進(jìn)方案,讓報(bào)警器更加實(shí)用；最后,大家展示各自的創(chuàng)新和改進(jìn)的報(bào)警器，共同探討整個(gè)過程中的不足之處。這樣，就提高了學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)和創(chuàng)造新物體的認(rèn)識(shí),有效調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與STEM 學(xué)習(xí)的積極性。

（四）框架型課程

STEM 課程的主要結(jié)構(gòu)是將工程當(dāng)作主要線路,然后在解決問題的過程結(jié)合科技知識(shí)、數(shù)學(xué)知識(shí)以及科學(xué)技術(shù)的知識(shí)構(gòu)建知識(shí)體系,從而提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。學(xué)生在解決教學(xué)中的工程問題時(shí)，其整個(gè)過程就是進(jìn)行STEM 教學(xué)的過程。STEM 教學(xué)中包含的工程是最重要的組成部分,但是教師也可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際能力引導(dǎo)學(xué)生重新對(duì)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。因此,學(xué)生在解決工程問題時(shí)經(jīng)常會(huì)在各個(gè)操作步驟中轉(zhuǎn)換,最后再按照原定的實(shí)際線路繼續(xù)解決，依舊在整個(gè)框架內(nèi)實(shí)施。

三、小學(xué)STEM項(xiàng)目課程的實(shí)施

（一）營造良好學(xué)習(xí)環(huán)境

教師在STEM 教學(xué)實(shí)踐中，必須結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況以及學(xué)生的現(xiàn)狀，營造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生在潛移默化中接受STEM 教育，形成相應(yīng)的科學(xué)觀念，提升學(xué)生的科學(xué)認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)得到提高。以小學(xué)科學(xué)《七色光》一課的教學(xué)為例。在導(dǎo)入階段，主要是白光演示激發(fā)思維導(dǎo)入。首先，我提問學(xué)生最喜歡什么顏色呢？為什么喜歡這個(gè)顏色？學(xué)生自由回答各種彩色。然后，我適時(shí)提出，我最喜歡白色，因?yàn)樗亲顝?fù)雜的顏色。由此激發(fā)學(xué)生的好奇心，彩色那么豐富，而白色那么單純，怎么會(huì)是最復(fù)雜的顏色呢？對(duì)學(xué)生的思維產(chǎn)生一次撞擊，沖擊了學(xué)生的前概念。接著，我通過演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親眼見到白光變成七種顏色的光，引發(fā)學(xué)生的思考：這到底是怎么回事呢？從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在這樣的學(xué)習(xí)環(huán)境下，我繼續(xù)創(chuàng)設(shè)一個(gè)模擬自然彩虹形成的學(xué)習(xí)環(huán)境，即室外實(shí)驗(yàn)?zāi)M彩虹形成。讓學(xué)生描述見過的彩虹，觀看彩虹錄像，引導(dǎo)學(xué)生回憶、感觸生活中很多地方也有彩虹現(xiàn)象。經(jīng)過討論，引發(fā)學(xué)生的思考，挖掘?qū)W生對(duì)彩虹產(chǎn)生原因的初步認(rèn)知，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)以及深入探究做好鋪墊。然后，介紹室外制造彩虹的方法，帶著學(xué)生到室外自己動(dòng)手制造彩虹。這樣的方法，以最接近真實(shí)彩虹的形成方式，讓學(xué)生確實(shí)感受到了光學(xué)的奇妙，對(duì)彩虹的形成原理有了初步的、感性的認(rèn)識(shí)。

（二）開展科學(xué)主題活動(dòng)

在日常教學(xué)中，教師可以結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況或者根據(jù)某些社會(huì)熱點(diǎn)現(xiàn)象，結(jié)合STEM 教育理念，設(shè)計(jì)STEM 項(xiàng)目課程，開展科學(xué)主題活動(dòng)。在活動(dòng)中，學(xué)生可以更好地掌握一些科學(xué)知識(shí)，提高自身的科學(xué)探究能力，提升創(chuàng)造能力、溝通交流能力和解決問題的能力，發(fā)展科學(xué)思維。例如，2020 年新冠疫情突如其來，面對(duì)這種新型冠狀病毒，如何讓學(xué)生也能科學(xué)地參與“防疫反擊戰(zhàn)”？我們學(xué)校進(jìn)行了STEM 課程“防疫小能手”的開發(fā)，開展了STEM“防疫保護(hù)工具”科學(xué)主題活動(dòng)。讓學(xué)生學(xué)習(xí)各種防疫知識(shí)與技能，對(duì)防疫用具進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)。通過各種活動(dòng)體驗(yàn)，讓學(xué)生“學(xué)、做、研、悟”，提升學(xué)生在真實(shí)的問題情境中解決問題的能力。3～6 年級(jí)開展制作防疫裝備主題活動(dòng)“防疫裝備我會(huì)做”，如防疫口罩制作活動(dòng)。首先讓學(xué)生了解各種防疫口罩類型和結(jié)構(gòu)，對(duì)防疫口罩進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)注口罩材料，進(jìn)行大膽的創(chuàng)新；在制作時(shí)，學(xué)生細(xì)致測(cè)量、認(rèn)真裁剪，最終制作出了既美觀又實(shí)用的防疫口罩。又如自制護(hù)目鏡活動(dòng)：首先讓學(xué)生了解新冠疫情的科普知識(shí)，觀看疫情相關(guān)的新聞，掌握一些基本的防疫知識(shí)，知曉護(hù)目鏡在防疫中的重要作用；然后學(xué)習(xí)護(hù)目鏡特點(diǎn)和功能，再通過設(shè)計(jì)、選材、動(dòng)手制造，體驗(yàn)制作的樂趣以及成功時(shí)的喜悅，同時(shí)明確科學(xué)防護(hù)的重要性和嚴(yán)謹(jǐn)性。通過開展主題活動(dòng)，學(xué)生在實(shí)踐中了解與掌握了防疫裝備的特點(diǎn)、功能，經(jīng)歷設(shè)計(jì)、選材、測(cè)量、制作等技術(shù)方法，最終制作成各自的防疫裝備，而且在制作活動(dòng)中，學(xué)生不斷對(duì)各自的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，既樹立了科學(xué)的防疫觀念，又培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（三）打造特色科學(xué)課堂

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，運(yùn)用STEM 教育理念，打造特色的科學(xué)課堂。在STEM 課堂上，學(xué)生的主體地位得到了充分凸顯，教師則擔(dān)任引導(dǎo)者、幫助者的角色。學(xué)生將多方面知識(shí)進(jìn)行有效整合，運(yùn)用各種技能，進(jìn)行論證、設(shè)計(jì)、制作、交流。這樣，既拓展了學(xué)生的跨學(xué)科知識(shí)面，又提升了學(xué)生的認(rèn)知能力，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成。以蘇教版小學(xué)科學(xué)教材《觀測(cè)星空》一課為例。教師可以通過五個(gè)環(huán)節(jié)來完成所需的教學(xué)內(nèi)容：一是視頻欣賞，創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課；二是通過連接“北斗星”，進(jìn)行第一次建模；三是通過軟件starwalk2，讓學(xué)生自主了解認(rèn)識(shí)星座，形成概念；四是通過制作星座放映器進(jìn)行第二次建模，建立“我的星座”；五是觀看習(xí)近平總書記與神舟飛船航天員通話的實(shí)況，拓展教學(xué)活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的興趣。通過這一系列的活動(dòng)，特別是二次建模和運(yùn)用軟件觀測(cè)星空，有效打造了具有STEM 特色的科學(xué)課堂，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增長了學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

總而言之,在小學(xué)科學(xué)中實(shí)施STEM 教學(xué),教師首先要充分掌握STEM 教育的真正含義,學(xué)校要與時(shí)俱進(jìn)地開發(fā)STEM 項(xiàng)目課程，積極提倡STEM 項(xiàng)目教學(xué)，充分彰顯新時(shí)代教育理念對(duì)科學(xué)學(xué)科教學(xué)改革創(chuàng)新的推動(dòng)作用，構(gòu)建一個(gè)和諧、平等的科學(xué)教學(xué)氛圍，為學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的全面提升而努力。