融入STEM 教育培養(yǎng)學(xué)生工程技術(shù)素養(yǎng)

◇張 淵（江蘇：張家港市外國(guó)語(yǔ)學(xué)校）

隨著科技時(shí)代的到來(lái)，注重人才培養(yǎng)關(guān)系著國(guó)家未來(lái)的發(fā)展。STEM 教育重視學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力，其核心內(nèi)容包括了科學(xué)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，是將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等全面融合的學(xué)習(xí)載體，有利于促進(jìn)學(xué)生綜合素養(yǎng)的發(fā)展。當(dāng)下，在小學(xué)科學(xué)課堂融入STEM 教育有著重要的意義，能夠幫助學(xué)生在真實(shí)的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，運(yùn)用多學(xué)科的知識(shí)與方法，完成具體的學(xué)習(xí)任務(wù)，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中獲得素養(yǎng)的發(fā)展。

一、基于可視思維發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)

工程素養(yǎng)是STEM 教育的重要組成部分，體現(xiàn)了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力與動(dòng)手能力。在小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)中，讓學(xué)生用眼睛去看，用嘴巴去問(wèn)，用耳朵去聽(tīng)，用雙手去做，用大腦去思考，是實(shí)現(xiàn)思維發(fā)展的重要過(guò)程。但是思維又是一種隱性的認(rèn)知過(guò)程，教師很難對(duì)學(xué)生思維的深度、廣度與效度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也就很難對(duì)自己的教學(xué)進(jìn)行調(diào)控?？梢暬季S是學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，運(yùn)用思維導(dǎo)圖、思維地圖的形式，將自己的思考過(guò)程呈現(xiàn)出來(lái)，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

如在《種子孕育著新生命》的學(xué)習(xí)中，學(xué)生就可以運(yùn)用思維導(dǎo)圖的形式記錄“觀察并發(fā)現(xiàn)種子的外部特征”的思考過(guò)程。一是用眼睛觀察，看一看教師所提供的種子顏色、大小、形狀與特征。如黃豆與花生的種子顏色不同，大小也不同，外在形狀也有明顯的差異。二是用雙手觸摸，捏一捏種子的軟硬程度，摸一摸種子的光滑程度。如黃豆的種子比較光滑，花生的種子就顯得稍微粗糙。三是用鼻子聞，感受不同種子的氣味。大部分干燥的種子氣味都不是很大，但是種子濕潤(rùn)后就會(huì)發(fā)出不同的氣味。通過(guò)這樣的思維過(guò)程，學(xué)生運(yùn)用圖示使思維的過(guò)程“可視”，有利于幫助學(xué)生在觀察其他種子的外部特征時(shí)提供學(xué)習(xí)支架，形成科學(xué)能力。

工程素養(yǎng)還表現(xiàn)在“技術(shù)設(shè)計(jì)”能力上，如種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的解剖過(guò)程就是一次微型的“技術(shù)設(shè)計(jì)”的過(guò)程。在這樣的過(guò)程中需要不同學(xué)科的共同參與。從美術(shù)學(xué)科看，需要學(xué)生完成解剖后將種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)運(yùn)用“示意圖”的形式予以記錄。從數(shù)學(xué)學(xué)科看，在進(jìn)行種子內(nèi)部觀察的記錄時(shí)，需要運(yùn)用各種數(shù)字進(jìn)行記錄，如胚芽的長(zhǎng)度、子葉的數(shù)量等。從語(yǔ)文學(xué)科看，在進(jìn)行匯報(bào)的時(shí)候，需要學(xué)生組織語(yǔ)言；在進(jìn)行“技術(shù)設(shè)計(jì)”的過(guò)程中，有的需要連續(xù)細(xì)致觀察，有的需要用精準(zhǔn)語(yǔ)言，有的需要使用概數(shù)。只有表達(dá)得清晰，才能讓學(xué)生概括清楚種子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從信息技術(shù)學(xué)科看，學(xué)生在了解種子相關(guān)知識(shí)的時(shí)候，還可以到網(wǎng)上搜集資料。從勞動(dòng)學(xué)科看，這是學(xué)生綜合勞動(dòng)能力的運(yùn)用。因此，研究種子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需要不同學(xué)科共同參與，完成“技術(shù)設(shè)計(jì)”，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

在這個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)歷了三個(gè)階段。一是“設(shè)計(jì)與再設(shè)計(jì)”的階段。首先是理解。植物的生長(zhǎng)要經(jīng)歷哪些過(guò)程，學(xué)生聯(lián)系生活有著直接的經(jīng)驗(yàn)，但是這些經(jīng)驗(yàn)是不完整的，是具象的。要想完整地理解植物的生長(zhǎng)，完成從具象到抽象的概念過(guò)程，需要學(xué)生經(jīng)歷一次“挑戰(zhàn)”，即以種植鳳仙花為任務(wù)載體，在種植的過(guò)程中完成概念的建構(gòu)。其次是規(guī)劃設(shè)計(jì)。這一學(xué)習(xí)過(guò)程是使用科學(xué)的過(guò)程。學(xué)生往往依然使用已有的科學(xué)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)借鑒家長(zhǎng)的種植過(guò)程，試圖完成鳳仙花的種植，從而了解植物的生長(zhǎng)變化。然后是呈現(xiàn)分享。在這一過(guò)程中，由于學(xué)生家庭生活環(huán)境不同，植物種植的科學(xué)經(jīng)驗(yàn)不同，學(xué)生的科學(xué)實(shí)踐能力不同，所獲得的鳳仙花生長(zhǎng)樣態(tài)也不同。學(xué)生通過(guò)交流分享、對(duì)話討論，能夠逐步逼近植物生長(zhǎng)變化的真相。最后是建構(gòu)、實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。學(xué)生在對(duì)話過(guò)程中所獲得的認(rèn)知是否正確，是否與植物生長(zhǎng)變化有關(guān)，學(xué)生可以再次完善或者重構(gòu)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，形成概念。這是“雙循環(huán)”探究的第一階段。二是“調(diào)查與再探究”的階段。學(xué)生在經(jīng)歷第一次“循環(huán)”后，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的“設(shè)計(jì)”，體現(xiàn)了科學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程的整體性、科學(xué)性和反思性。這與STEM 教育的理論是一致的。在第二次“循環(huán)”中，首先，學(xué)生是建立假設(shè)。如對(duì)“種子的萌發(fā)和植物的生長(zhǎng)需要哪些條件”可以進(jìn)行假設(shè)，需要溫度、陽(yáng)光、空氣與水。其次，學(xué)生設(shè)計(jì)調(diào)查，根據(jù)調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。然后分析驗(yàn)證的過(guò)程與結(jié)果。最后進(jìn)行展示，得出結(jié)論，從而完成對(duì)問(wèn)題的澄清。在這樣的學(xué)習(xí)中，學(xué)生的思維得到發(fā)展，在具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)真實(shí)的學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行探究，發(fā)展了科學(xué)素養(yǎng)。三是在兩次循環(huán)中，學(xué)生又經(jīng)歷了“需要做”—“需要知道”的兩次循環(huán)，在“知”和“行”中走向了單元知識(shí)的習(xí)得，單元概念的構(gòu)建，科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展。

二、基于知行走向統(tǒng)一，培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)

科學(xué)源于生活，科學(xué)問(wèn)題源于生活現(xiàn)象。如“為什么茶壺的水過(guò)了一夜就不熱了”與“地暖如何安裝才能讓冬天的房子更舒服”看似風(fēng)馬牛不相及，但是涉及的問(wèn)題都是“熱量傳遞”。因此，在小學(xué)科學(xué)的學(xué)習(xí)中，將科學(xué)問(wèn)題與工程問(wèn)題進(jìn)行結(jié)合，需要發(fā)展學(xué)生的“技術(shù)素養(yǎng)”。就是將學(xué)生在小學(xué)科學(xué)中獲得的不同概念統(tǒng)一起來(lái)，同時(shí)基于不同學(xué)科的課程屬性幫助學(xué)生共同建構(gòu)起一個(gè)“大概念”。

如在“種子的傳播”學(xué)習(xí)中，學(xué)生對(duì)于種子“傳播”具有一定的“知”的基礎(chǔ)。學(xué)生在小學(xué)1～2 年級(jí)階段就讀過(guò)《植物媽媽有辦法》的故事，在音樂(lè)課上唱過(guò)“小絨花”，在勞動(dòng)課上更是接觸了很多種子，在生活中觀察過(guò)很多種子。但是種子的不同傳播方式中隱含的科學(xué)知識(shí)需要學(xué)生在“行”中進(jìn)行探知。一是可以畫(huà)一畫(huà)。如學(xué)生通過(guò)觀察，將蒲公英、蓮子、蒼耳、鳳仙花的種子傳播方式畫(huà)下來(lái)，讓大家了解蒲公英是以“風(fēng)”為媒，蓮子是以“水”為媒，蒼耳是以各種小動(dòng)物為“媒”，鳳仙花則通過(guò)“爆炸”的形式傳播種子，從而幫助學(xué)生建構(gòu)起不同種子有著不同的傳播路徑。二是可以寫(xiě)一寫(xiě)。學(xué)生通過(guò)觀察，用語(yǔ)言描摹種子的傳播方式，還可以發(fā)揮想象，編成故事講一講，再寫(xiě)下來(lái)。三是可以量一量。不同的傳播方式，傳播的距離有多遠(yuǎn)，這些傳播種子的成活率有多高？通過(guò)計(jì)算，都能從中得到啟發(fā)，獲得科學(xué)認(rèn)知。四是還可以演一演。學(xué)生化身各種小種子，運(yùn)用課本劇的形式介紹“自己”，在繪聲繪色的演繹中形成科學(xué)素養(yǎng)。這樣的學(xué)習(xí)過(guò)程，有助于學(xué)生形成“種子傳播路徑”的概念，在以后的生活中，學(xué)生遇到不同的種子，會(huì)根據(jù)種子的特點(diǎn)，結(jié)合植物的生長(zhǎng)環(huán)境，發(fā)現(xiàn)種子進(jìn)行傳播的秘密，從而利用這些知識(shí)更好地進(jìn)行生產(chǎn)與生活。

這些不同的跨學(xué)科學(xué)習(xí)形式都需要不同學(xué)科與科學(xué)課程的有機(jī)結(jié)合，形成一體。從技術(shù)素養(yǎng)角度，遵循了提出問(wèn)題、識(shí)別問(wèn)題、做出假設(shè)、制定計(jì)劃、調(diào)查實(shí)驗(yàn)、分析解釋、測(cè)試優(yōu)化和評(píng)價(jià)這樣的跨學(xué)科學(xué)習(xí)過(guò)程。從STEM 教育學(xué)習(xí)模型看，強(qiáng)調(diào)了不同學(xué)科的有機(jī)融入，激發(fā)學(xué)生的探究意識(shí)。教師是技術(shù)素養(yǎng)的“設(shè)計(jì)師”，在教師提供的學(xué)習(xí)支架下，學(xué)生運(yùn)用不同的“技術(shù)”進(jìn)行探索、設(shè)計(jì)和實(shí)踐，最終完成了跨學(xué)科學(xué)習(xí)。STEM 教育視域下的科學(xué)素養(yǎng)更多的是指向?qū)W生的一種學(xué)習(xí)方式。從目標(biāo)上看，小學(xué)科學(xué)跨學(xué)科學(xué)習(xí)目標(biāo)指向了科學(xué)能力本位；從內(nèi)容上看，指向了跨學(xué)科；從問(wèn)題上看，指向了解決真實(shí)的問(wèn)題；從過(guò)程上看，指向了操作實(shí)踐；從學(xué)習(xí)上看，指向了協(xié)作學(xué)習(xí)。

在“種子的傳播”學(xué)習(xí)中，從STEM 教育學(xué)習(xí)模型出發(fā)，需要學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)完成設(shè)計(jì)。在目標(biāo)上，是根據(jù)科學(xué)單元習(xí)得的方法，根據(jù)已有種子傳播模型特征，了解更多種子傳播的方式。從高階思維發(fā)展看，學(xué)生是經(jīng)歷從“模仿”到“創(chuàng)作”的過(guò)程，是從“具象”到“抽象”的過(guò)程，是從“認(rèn)知”到“建構(gòu)”的過(guò)程。在內(nèi)容上，需要不同學(xué)科共同參與，讓學(xué)生在真實(shí)的情境中進(jìn)行學(xué)習(xí)。在STEM 教育中，情境可以分為真實(shí)情境、虛擬情境與文本情境。教師根據(jù)不同的學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)不同的情境，激發(fā)學(xué)生的探究興趣。無(wú)論哪一種情境的創(chuàng)設(shè)，都需要與學(xué)生的生活聯(lián)系，體現(xiàn)真實(shí)性。在探究過(guò)程中，學(xué)生能夠從生活中的“種子”經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，走向?qū)Α胺N子科學(xué)”的探究。一是讓學(xué)生摸一摸種子，了解種子的質(zhì)地；二是看一看種子，了解種子的顏色、大小；三是研究研究種子，通過(guò)具體的操作過(guò)程，獲得對(duì)種子的整體認(rèn)知。在這個(gè)過(guò)程中，教師可以創(chuàng)設(shè)“小小科學(xué)家”的探究活動(dòng)，讓學(xué)生化身“植物學(xué)家”“工程師”“科學(xué)家”等不同角色，經(jīng)歷“科學(xué)探究環(huán)”和“生活經(jīng)驗(yàn)環(huán)”的交織運(yùn)用，在“需要知道”與“需要做”之間走兩個(gè)來(lái)回。這樣完整的過(guò)程體現(xiàn)了迭代性。在學(xué)習(xí)上，指向了協(xié)作性。無(wú)論是在識(shí)別問(wèn)題還是在交流反思中，都需要協(xié)作；無(wú)論是在分析解釋還是在種子傳播路徑的設(shè)計(jì)中，也需要協(xié)作；無(wú)論是在生長(zhǎng)環(huán)境還是在種子結(jié)構(gòu)解剖中，仍需要協(xié)作。因此，整個(gè)學(xué)習(xí)策略經(jīng)歷了問(wèn)題導(dǎo)向、頭腦風(fēng)暴、協(xié)作溝通、思維可視化四個(gè)階段，體現(xiàn)了學(xué)習(xí)的可見(jiàn)性。

基于問(wèn)題導(dǎo)向的STEM 教育，學(xué)習(xí)目標(biāo)是整個(gè)跨學(xué)科學(xué)習(xí)的核心。在教學(xué)中，教師不能將數(shù)學(xué)素養(yǎng)與其他素養(yǎng)剝離開(kāi)來(lái)，而是四者的有機(jī)統(tǒng)一：在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生的工程意識(shí)與設(shè)計(jì)能力決定了跨學(xué)科學(xué)習(xí)的路徑；數(shù)學(xué)素養(yǎng)則是幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。在這一過(guò)程中，學(xué)生是主體，通過(guò)兩次“循環(huán)”，學(xué)生解決問(wèn)題的能力得到發(fā)展，也促進(jìn)了學(xué)生在跨學(xué)科學(xué)習(xí)中走向認(rèn)知與行為的統(tǒng)一。

三、結(jié)語(yǔ)

總之，在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，基于STEM 教育的跨學(xué)科學(xué)習(xí)，需要教師根據(jù)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的要求，找到社會(huì)變革下學(xué)生學(xué)習(xí)的要求，強(qiáng)調(diào)問(wèn)題導(dǎo)向，追求真實(shí)學(xué)習(xí)，倡導(dǎo)學(xué)科打通；找到課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)科學(xué)學(xué)習(xí)的要求，讓科學(xué)這門(mén)具有“綜合性的基礎(chǔ)課程”更好地促進(jìn)“技術(shù)”與“工程”的素養(yǎng)落地；找到學(xué)習(xí)方式變革對(duì)學(xué)生的要求。小學(xué)科學(xué)具有知識(shí)性、實(shí)踐性。從STEM 教育視域出發(fā)，能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)自然現(xiàn)象的好奇，幫助學(xué)生接納自然、接納社會(huì)、接納科學(xué)，更好地認(rèn)識(shí)世界、理解科學(xué)，幫助學(xué)生端正科學(xué)態(tài)度，發(fā)展社會(huì)責(zé)任感，樹(shù)立正確的科學(xué)意識(shí)，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為其長(zhǎng)大后建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)服務(wù)。