基于STEM教育理念的學科單元教學法

【摘要】目前，STEM教育已成為當今教育研究的熱點。為促進學生對學科知識的深度理解，并積累研究經驗、培養科學素養、提升創新性水平，根據學生的創新思維發展規律，設計了以學科教學單元為主，STEM理念與學科教學相融合的5步單元學科教學法：先學自研——合作探究——分析解釋——交流評估——拓展創新。實踐結果表明，學生的科學素養顯著提高，創新性水平提升較快。

【關鍵詞】STEM；學科教學；單元；創新思維

【基金項目】本文系2013年度四川省教育科研資助金課題項目重點課題“教學育心深層變革課堂的實踐研究”（項目編號：20160108）的研究成果。

【中圖分類號】G632.0 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）15-0160-02

STEM教育在美國已有幾十年實踐經驗的積淀，目前受到各國的高度關注，已成為當今教育研究的熱點。各國實踐證明，STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics；科學、技術、工程、數學）教育有助于培養學生的科學探究能力、創新意識、批判性思維、信息技術能力等未來社會必備的技能和創新能力，并有可能在學習者的未來生活和工作中持續發揮作用[1]。

近幾年，我國教育專家從STEM教育發展歷史、發展現狀、課程實施及評價等方面進行了研究，并對我國實施STEM教育提出了指導性意見。目前，我國STEM教育在政策層面上得到了重視，將科學、技術、工程、數學教育融合起來的STEM教育成了當今教育研究的熱點，一些地區正在積極開展STEM教育的實施推廣工作。成都市華陽中學于2012年開始實施STEM教育，將STEM理念與學科教學相融合，總結出了“基于STEM教育理念的學科單元教學法”。

一、STEM教育與學科教學

源于美國的STEM教育，以真實問題引入為著手點，以實踐為載體，培養學習者技術和科學素養為目標的跨學科整合的教育體系[2]。STEM不是這四門學科的簡單疊加，而是將學科知識連接起來解決實際問題[3]，其核心是創新思維的培養。因此，設計基于STEM教育理念的教育活動應該遵循創新思維的發展規律，才能有效地培養學生的創造思維能力。

目前，我國的常規課程仍然以學科教學為主，學科教學面向全體學生，因此學科教學是培養學生創新能力的主要陣地。在常規課程中引入STEM教育理念，將教材內容轉變為對問題的解決，將知識轉變為能力的應用，拉近學習者與生活的距離[4]。這種學科研究性學習過程會促進學生對知識的深度理解，并且讓學生不斷積累研究經驗，逐步培養學生的科學素養和問題解決能力，長期堅持，學生專業技能和創新思維會得到有效發展。

二、融入STEM教育的學科單元教學法

融入STEM教育的學科單元教學法主要以教學單元為主，教學中主要采取問題教學法，以真實情景引入，設計“先學自研——合作探究——分析解釋——交流評估——拓展創新”等5個步驟。

（一）先學自研

在新單元教學的初始環節，教師通過相關的情景激發學生的學習興趣，引導學生了解背景知識，比如引導學生了解該單元科學知識的研究歷史、生活現象、以及有關正在研究的問題，讓學生做成一份背景研究報告，嘗試提出想要了解或想要解決的相關問題。比如：初中物理教學中《光學》單元，新課前教師引導學生了解光的起源、有關光學的故事、與光相關的生活現象、正在研究的光學問題，嘗試提出自己的疑惑或者想要解決的問題。

這個步驟不可忽略的是引導學生識別可靠的文獻資源，將文獻資料整理成一份報告，基于整理的背景知識提出自己的疑惑，以此培養學生文獻檢索、文獻綜述的方法以及提問的能力。

（二）合作探究

教師將學生的問題梳理成條，與教材內容相結合，讓學生提出假設，分組制定探索解決問題的方案，教師指導修改方案，在這個過程中最重要的是讓學生學會采用控制變法設計實驗方案，同時考慮到數學測量及統計方法。比如在探究壓強大小的實驗中要學生理解控制變量的意義，設計控制單一變量的實驗方法，選擇測量有意義的定量數據等。

整個探究過程要讓學生分工合作，發揮小組每個人的優勢，讓探究過程的效率提高。實驗探究是分析解釋現象的重要依據，STEM研究項目中定量的數據重要性是最高的，定性數據是很好的補充[5]，因此實驗中盡量讓學生記錄客觀的數據，對有些只能定性描述的現象要小組討論后用客觀的語言描述，如果條件許可還可以將實驗用拍照或錄像的形式記錄下來。

（三）分析解釋

學生將記錄的數據進行分析，澄清自己的理解發現。這個部分，教師引導學生將記錄的原始數據統計出來，分析結果，確認是否支持了最先的假設。數據統計的方法用圖表的形式，這樣數據趨勢會一目了然。

學生們在實驗中記錄的數據是比較雜亂的，因此在對記錄的實驗數據統計之前，教師要引導學生把原始數據整理制成圖表進行比較，采用數學統計計算來確定實驗結果的顯著性。

（四）交流評估

當各個小組將數據分析完成后，教師指導各小組將自己的數據、分析結果交流展示，其他小組進行評估。這樣的方式培養和發展學生的批判式思維能力。

學生展示的成果，可以是PPT、海報或者研究報告，通過相互的評價，學生有機會擴大和鞏固他們對概念的理解。一個單元可能會有多個探究性實驗，每次都做大型的交流活動會耽誤太多時間，因此建議驗證性探究活動可以直接用投影儀展示，或者借用現代教育技術推送給老師和其他同學進行展示。

三、結語

2014年到2017年，采用了威廉姆斯創造力傾向量表、創新思維調查量表、中國公民科學素質調查問卷，對被試學生進行前后測試，結果顯示，學生的科學素養明顯提高，學生的創新性水平、研究項目質量提升較快，學生的創新研究作品獲獎的數量與等級也逐年增加，說明基于STEM教育理念的“先學自研——合作探究——分析解釋——交流評估——拓展創新”單元學科教學法效果明顯。endprint

在21世紀，國際競爭歸根結底是人才的競爭，STEM教育是培養創新性人才的有效途徑，STEM教育破解了多年來科技教育的困境。美國K-12STEM教育已經有了成熟的經驗，值得我們借鑒。STEM課程在國內剛剛興起，課程中開發出的課例在不同程度上培養了學生的創新意識和實踐能力，但是深度不夠，有些還停留在對科學內容或科學實驗的拼湊上，背后看不到對能力培養的體系。這樣的課程培養學生創新思維不具有可持續性和長期的發展。

STEM課程的核心是培養學習者的創新能力，創造性的組成成分表明，創造過程分為提出問題、準備、產生反應、驗證反應、結果等五個階段[6]，基于此理論，將STEM理念融入學科教學中，長期堅持，學生會在實踐中不斷積累探索的經驗，也會在潛移默化中培養科學素養。STEM教育強調綜合各學科的特點，將知識的獲取、方法與工具的利用以及創新生產的過程進行了有機統一[7]，根據STEM理念所設計的5步教學法，正是按照科學探究或研究的路徑解決問題，能夠將學生所學的知識和技能融合起來，在解決問題的過程中進行遷移和應用，有效地促進了學生對學科知識的深度理解。

參考文獻

[1]金慧，胡盈瀅.以STEM教育創新引領教育未來[J].遠程教育雜志.2017（1）：17-25.

[2]趙國安.基于STEAM理念的校外科學實驗室機體群構建研究[J].遠程教育雜志.2017（3）：80-87.

[3]丁杰，蔡蘇等.科學、技術、工程與數學教育創新與跨學科研究——第二屆STEM國際教育大會述評[J].開放教育研究.2013（2）：43-50.

[4]李小濤，高海燕等.“互聯網+”背景下的STEAM教育到創客教育之變遷——從基于項目的學習到創新能力的培養[J].遠程教育雜志.2016（1）：28-36.

[5]達西.哈克德著.STEM項目學生研究手冊[M].中國科協青少年活動中心譯.科學普及出版社.2013：27-30.

[6]段繼楊.創造性教學概論[M].吉林教育出版社.1999：15-21.

[7]李揚.STEAM教育視野下的科學課程構建[D].浙江師范大學，2014.

作者簡介：張曉容，女，漢族，籍貫：四川眉山，本科畢業，中學高級教師，四川省成都市華陽中學科技創新教育中心主任，四川省特級教師，四川省創新人才研究會秘書長，全國優秀教師。endprint