STEM教育與科學(xué)教育深度融合的實(shí)踐研究

0 引言

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出，科學(xué)課程要培養(yǎng)的學(xué)生核心素養(yǎng)，主要是指學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)課程的過程中，逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會發(fā)展所需要的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力，是科學(xué)課程育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，包括科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任等方面[]。《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》繼承和發(fā)展了2017年版課程標(biāo)準(zhǔn)提出的增加技術(shù)與工程內(nèi)容。STEM教育通過整合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)學(xué)科，強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科能力培養(yǎng)，與《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中的“技術(shù)、工程與社會”內(nèi)容高度契合。

當(dāng)下，提高全民科學(xué)素養(yǎng)，著眼拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)，已經(jīng)成為國家科技創(chuàng)新發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要。20年來，我國公民科學(xué)素質(zhì)水平有效提升，公民具備科學(xué)素質(zhì)的比例從21世紀(jì)初的不到 2% 到2024年達(dá)到 15.37%^[2-3] 。但公民對科學(xué)研究的過程和方法理解水平還有待提高。

近年來，學(xué)校不斷深化科學(xué)課程改革，做好科學(xué)教育加法，探索STEM教育與科學(xué)教育的深度融合，提升學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)，培育具有科學(xué)家潛質(zhì)的時(shí)代少年。通過STEM科教項(xiàng)目的實(shí)證實(shí)施，探索STEM教育與科學(xué)教育的深度融合路徑，對提升學(xué)生的核心素養(yǎng)具有重要意義。本研究通過系統(tǒng)記錄項(xiàng)目實(shí)施過程，提煉融合模式的理論與實(shí)踐價(jià)值。

1項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施概述

蘇教版科學(xué)五年級上冊第2單元“熱傳遞”中第8課“物體的傳熱本領(lǐng)”安排有設(shè)計(jì)并制作一個(gè)保溫盒的活動。STEM項(xiàng)目“設(shè)計(jì)并制作車載電加熱保溫盒”為此活動的拓展延伸。對照《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，活動主要指向“能的轉(zhuǎn)化與能量守恒”“技術(shù)、工程與社會”“工程設(shè)計(jì)與物化”等學(xué)科核心概念和“物質(zhì)與能量”“結(jié)構(gòu)與功能”“系統(tǒng)與模型”等跨學(xué)科概念。實(shí)施過程如下。

1.1 問題聚焦

以“小明的爸爸在野外工作，他需要一個(gè)保溫效果好并且能用汽車點(diǎn)煙器電源加熱的午餐保溫盒。同學(xué)們能幫助設(shè)計(jì)并制作一個(gè)嗎？”這一問題引發(fā)學(xué)生的參與興趣，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生了解需求，明確問題。

1.2 調(diào)查研究

指導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)購物平臺查詢保溫盒合適的尺寸和材料、常用陶瓷發(fā)熱片的價(jià)格與參數(shù)（重點(diǎn)關(guān)注價(jià)格、尺寸、電壓、溫度、干燒功率等），通過多種方式了解溫控的開關(guān)原理與參數(shù)、汽車點(diǎn)煙器支持的功率和用戶需求等。

1.3 設(shè)計(jì)方案

這一環(huán)節(jié)旨在讓學(xué)生認(rèn)識到工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)。教師引導(dǎo)學(xué)生討論保溫盒體尺寸與材質(zhì)選擇、影響保溫效果的原因和對策：熱傳導(dǎo)——利用泡沫板或珍珠棉隔熱；熱對流——加強(qiáng)盒體密封性；熱輻射—采用鋁箔粘貼內(nèi)壁。

教師指導(dǎo)學(xué)生畫實(shí)物電路圖和產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖，培養(yǎng)學(xué)生用圖形表達(dá)設(shè)計(jì)思路的習(xí)慣。引導(dǎo)學(xué)生討論并認(rèn)識到元器件擺放設(shè)計(jì)需要理論結(jié)合實(shí)際，既要讓設(shè)計(jì)科學(xué)合理，又要考慮用戶體驗(yàn)，如發(fā)熱器件放置于側(cè)面底部，既有利于熱對流，又不影響用戶盛放物品；接駁點(diǎn)煙器電源方式的選擇要考慮便捷、牢靠、可拆卸等；正溫度系數(shù)熱敏電阻器等元器件需要學(xué)生對比選擇，這有利于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

1.4 模型制作

工程是設(shè)計(jì)方案物化的結(jié)果。學(xué)生經(jīng)過一系列動手實(shí)踐環(huán)節(jié)，在解決實(shí)際問題的過程中，理解了保溫盒的產(chǎn)品特點(diǎn)，發(fā)展了實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。這里實(shí)踐的重難點(diǎn)包括盒體內(nèi)部泡沫板裁剪粘貼如何做到嚴(yán)絲合縫、塑料盒的開孔（方孔、圓孔）工藝和元器件的焊接工藝等。

1.5 實(shí)驗(yàn)檢測

嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能提升學(xué)生思維的嚴(yán)密性和深刻性。同時(shí)，解決實(shí)際檢測遇到的問題，分析實(shí)驗(yàn)變量控制，能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

1）引導(dǎo)學(xué)生討論編寫電加熱產(chǎn)品說明書需要測試哪些參數(shù)，告知學(xué)生真正的產(chǎn)品除了測試保溫效果、電加熱效果、電加熱工作時(shí)電流外，還需要進(jìn)行阻燃、防水、跌落、環(huán)保等多項(xiàng)測試，培養(yǎng)學(xué)生對工程技術(shù)的職業(yè)認(rèn)同。

2）測試方案設(shè)計(jì)。重點(diǎn)討論如何做到只改變一個(gè)因素，其余無關(guān)變量保持一致；實(shí)驗(yàn)時(shí)長多久為宜；溫度變化數(shù)據(jù)多久采集一次為宜。

3）將收集到的實(shí)驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)用Exce1或手工繪制溫度變化曲線圖，可視化的數(shù)據(jù)更有利于分析解釋，編寫使用說明書。該環(huán)節(jié)可以融入多學(xué)科知識。

1.6 改進(jìn)拓展

如果說設(shè)計(jì)與制作側(cè)重學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，那么改進(jìn)與拓展環(huán)節(jié)更側(cè)重對學(xué)生分析、批判等高階思維的訓(xùn)練。同時(shí)，要讓學(xué)生知道，技術(shù)與工程需要實(shí)事求是，應(yīng)該正確評價(jià)和對待作品的缺陷。引導(dǎo)學(xué)生分析保溫效果不佳的原因（如鋁箔太厚成了散熱器），增加不同保溫方案效果對比，對在保溫盒使用中發(fā)現(xiàn)的其他問題（如底部吸盤不好固定）逐一改進(jìn)，迭代優(yōu)化。

引導(dǎo)學(xué)生思考“這樣的產(chǎn)品和技術(shù)，在智慧技術(shù)與全球能源低碳技術(shù)飛速發(fā)展的背景下又有哪些拓展與應(yīng)用？”激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究和改進(jìn)，例如，加裝半導(dǎo)體制冷片實(shí)現(xiàn)制熱與制冷的切換、藍(lán)牙數(shù)顯溫度計(jì)解決遠(yuǎn)程讀取盒內(nèi)溫度的問題，在建筑環(huán)境和新能源汽車設(shè)計(jì)中應(yīng)用保溫技術(shù)以節(jié)約能源等，幫助學(xué)生體會技術(shù)與工程對人們生產(chǎn)生活的影響和對社會進(jìn)步的推動作用。

1.7 展示評價(jià)

讓學(xué)生用多種方式呈現(xiàn)自己的作品是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的契機(jī)。要求學(xué)生制定展示方案，制作PPT或展板，介紹設(shè)計(jì)、制作、測試過程，在智慧課堂平臺上的個(gè)人空間或線下核心素養(yǎng)展示活動中進(jìn)行展示。用預(yù)先設(shè)計(jì)評價(jià)量表對學(xué)生進(jìn)行表現(xiàn)性評價(jià)。

2STEM與科學(xué)教育的融合路徑分析

2.1STEM教育融入科學(xué)教育的必要性

STEM教育強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)學(xué)生四個(gè)方面的素養(yǎng)：1）科學(xué)素養(yǎng)，即運(yùn)用科學(xué)知識理解自然界并參與影響自然界的過程；2）技術(shù)素養(yǎng)，即使用、管理、理解和評價(jià)技術(shù)的能力；3）工程素養(yǎng)，即對技術(shù)工程設(shè)計(jì)與開發(fā)過程的理解；4）數(shù)學(xué)素養(yǎng)，即學(xué)生發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解釋和解決多種情境下數(shù)學(xué)問題的能力[4]。

這些理念與《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》理念相契合（科學(xué)課程設(shè)置有“技術(shù)、工程與社會”“工程設(shè)計(jì)與物化”學(xué)科核心概念）。技術(shù)與工程素養(yǎng)是一種專門的素養(yǎng)，應(yīng)該進(jìn)行專門的訓(xùn)練。新編蘇教版小學(xué)科學(xué)教材專門設(shè)置了若干針對技術(shù)與工程領(lǐng)域的主題單元和學(xué)習(xí)項(xiàng)目，STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)就是其中重要的組成部分。這個(gè)設(shè)計(jì)與美國的項(xiàng)目引路計(jì)劃類似，該計(jì)劃中STEM課程以情景學(xué)習(xí)為驅(qū)動齒輪，通過工程設(shè)計(jì)提供系統(tǒng)化的問題解決模式，運(yùn)用科學(xué)探究來解決真實(shí)世界的問題[5]。三者關(guān)系如圖1所示。

2023年5月，教育部等十八部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》提出，深化學(xué)校教學(xué)改革，提升科學(xué)教育質(zhì)量，實(shí)施啟發(fā)式、探究式教學(xué)，探索項(xiàng)目式、跨學(xué)科學(xué)習(xí)，提升學(xué)生解決問題能力[6]。作為技術(shù)與工程實(shí)踐活動的STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)，以工程設(shè)計(jì)為基石，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的知識自主解決遇到的問題，不僅凸顯體驗(yàn)的真實(shí)性、增加學(xué)習(xí)的意義性和趣味性，還指向科學(xué)概念的建構(gòu)和高階思維的發(fā)展。推進(jìn)STEM教育與科學(xué)教育的深度融合是做好科學(xué)教育加法的有效路徑。

2.2STEM項(xiàng)目落實(shí)的科學(xué)核心素養(yǎng)

在某學(xué)校開發(fā)和實(shí)施的科學(xué)教育課程圈（圖2）中，STEM課程更易與科學(xué)課程進(jìn)行整合，落實(shí)科學(xué)核心素養(yǎng)，并且可以完全依照“科學(xué)”這一國家課程標(biāo)準(zhǔn)（界定工程設(shè)計(jì)核心概念和跨學(xué)科概念）搭建STEM教育框架體系，制定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行有效的教學(xué)指導(dǎo)。該STEM案例作為科學(xué)教材安排的探究活動的拓展，聚焦技術(shù)與工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)，落實(shí)高年級學(xué)段的課程目標(biāo)，見表1。

2.3STEM教育融入科學(xué)教育的模式

STEM教育與科學(xué)教育深度融合的主要實(shí)施路徑是科學(xué)探究與工程實(shí)踐整合。在小學(xué)科學(xué)課程中存在著科學(xué)探究與工程實(shí)踐兩類活動，它們看似有不少相同之處，如都要運(yùn)用科學(xué)、數(shù)學(xué)知識，都要做實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)，等等，但兩者有很大區(qū)別，科學(xué)探究強(qiáng)調(diào)證據(jù)一致性和理論解釋力，必須著力篩選最合理的解釋和理論，而工程設(shè)計(jì)關(guān)注問題解決方案的開發(fā)和優(yōu)化。二者的共性和差異為兩種探究實(shí)踐活動的整合提供了契機(jī)。華東師范大學(xué)占小紅[認(rèn)為，科學(xué)探究和工程實(shí)踐的整合主要有三種模式：1）以工程實(shí)踐為框架的整合，2）以科學(xué)探究為內(nèi)核的整合，3）科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)并重的整合。

圖1情景學(xué)習(xí)、工程設(shè)計(jì)與科學(xué)探索的關(guān)系圖

圖2某學(xué)校開發(fā)和實(shí)施的科學(xué)教育課程圈

該STEM項(xiàng)目可以劃歸為第三種，強(qiáng)調(diào)兩者比例和重要性的均衡，利用探究到的熱傳遞知識，應(yīng)用到車載保溫問題情境中。如此整合，一方面可以達(dá)到深化科學(xué)探究形成科學(xué)觀念的目的，另一方面，運(yùn)用科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的概念系統(tǒng)解決真實(shí)情境中有意義的、復(fù)雜的問題可以為高階思維的養(yǎng)成提供機(jī)會。這樣的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生有機(jī)會綜合所學(xué)的各方面知識，體驗(yàn)科學(xué)技術(shù)對個(gè)人生活和社會發(fā)展的影響，使學(xué)生體會到“做”的成功與樂趣，養(yǎng)成通過“動手做”解決問題的習(xí)慣。

具體實(shí)施時(shí)，項(xiàng)目將學(xué)生可能經(jīng)歷的工程設(shè)計(jì)流程上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)作為次級主題，包括問題聚焦、前期研究、方案設(shè)計(jì)、模型制作、檢測檢驗(yàn)、拓展改進(jìn)、展示評價(jià)等七個(gè)要素，構(gòu)成一個(gè)連續(xù)性的整體。

國際技術(shù)與工程教育家協(xié)會（InternationalTechnology and Engineering EducatorsAssociation，ITEEA）從科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的整合角度出發(fā)，提出工程設(shè)計(jì)的6E教學(xué)模式，包括吸引（Engage）、解釋（Explain）、探索（Explore）、工程（Engineer）、延伸（Enrich）和評價(jià)（Evaluate）[5]。本項(xiàng)目借鑒該教學(xué)模式，并為落實(shí)科學(xué)思維的培養(yǎng)突出實(shí)驗(yàn)檢測環(huán)節(jié)，見表2。

表1“設(shè)計(jì)制作車載電加熱保溫盒”落實(shí)的科學(xué)核心素養(yǎng)

從工程設(shè)計(jì)的執(zhí)行過程來看，上述七個(gè)要素表現(xiàn)為七個(gè)操作流程，或者說構(gòu)成學(xué)生要做的七件具體事情。具體來說，通過問題聚焦，了解需求明確任務(wù)，有哪些具體要求和限制條件；通過前期研究，突破技術(shù)難點(diǎn)，確定設(shè)計(jì)點(diǎn)；通過方案設(shè)計(jì)，將各種想法建構(gòu)為一個(gè)可操作的施工藍(lán)圖；通過模型制作，將想法落到實(shí)處；通過檢測檢驗(yàn)對標(biāo)找差，作出調(diào)整；通過拓展改進(jìn)不斷迭代優(yōu)化；通過展示評價(jià)回顧整個(gè)設(shè)計(jì)制作保溫盒的過程，評價(jià)效果，提升認(rèn)識。從工程設(shè)計(jì)的思維過程來看，這幾個(gè)要素不是線性的，而是前后關(guān)聯(lián)的，學(xué)生要不斷經(jīng)歷回頭看的過程。

3 實(shí)施注意事項(xiàng)

1）在STEM項(xiàng)目主題的選擇上，要考慮“三適應(yīng)兩遵循”，即適應(yīng)學(xué)生的知識經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)知水平（即思維水平）、興趣特點(diǎn)，遵循學(xué)科規(guī)律和學(xué)習(xí)規(guī)律[8]。要從學(xué)生身邊常見的問題、話題入手，從科學(xué)課程涉及的話題入手。該項(xiàng)目作為科學(xué)教材熱傳遞單元實(shí)踐活動的拓展延伸，前期科學(xué)探究獲得熱傳遞知識是不可或缺的環(huán)節(jié)，該STEM項(xiàng)目實(shí)踐又是科學(xué)知識、方法合理性檢驗(yàn)的重要途徑，這為STEM教育與科學(xué)教育的深度融合奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2）教師不要過于看重學(xué)生制作的車載電加熱保溫盒模型的質(zhì)量，否則容易把課程上成勞動技術(shù)課。要充分考慮小學(xué)生的實(shí)際情況，他們的知識和能力都有所欠缺，如果過分追求物化成果，可能會出現(xiàn)無視學(xué)生實(shí)際而刻意拔高要求，強(qiáng)行灌輸知識點(diǎn)、訓(xùn)練技能點(diǎn)的情況。該項(xiàng)目重在引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷車載電加熱保溫盒從需求到物化的完整工程實(shí)踐全過程，提升學(xué)生的技術(shù)與工程素養(yǎng)，培養(yǎng)小組有效分工和合作意識，讓高階思維在真實(shí)的應(yīng)用場景中真正開啟，從而提升學(xué)生的問題解決能力。

4結(jié)束語

STEM教育與科學(xué)教育的深度融合，整合了科學(xué)探究與工程實(shí)踐，有助于幫助學(xué)生認(rèn)識科學(xué)的實(shí)用性及其社會影響力，培養(yǎng)他們的學(xué)科實(shí)踐能力，增強(qiáng)其科學(xué)從業(yè)意愿。科學(xué)教師應(yīng)當(dāng)深刻領(lǐng)會和把握科技強(qiáng)國建設(shè)與科技人才培養(yǎng)的時(shí)代訴求，進(jìn)一步研究、實(shí)踐STEM教育與科學(xué)教育的深度融合，豐富科學(xué)教育的內(nèi)涵，促進(jìn)科學(xué)教育高質(zhì)量發(fā)展，助力科技拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

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