在校外環境教育教學中運用STEM教育模式的案例初探

吳彥君

摘 要：青少年校外STEM教育活動是由校外教育機構和各種社會教育團隊，面向中小學生，在校內課程之外開展的以科學、技術、工程和數學為主要內容的各種教育活動，其目的是培養青少年的創新意識和實踐能力。本文將該教育模式運用到我國中學生的環境教育教學過程中，并以自編教材《我的環保小屋——關于不同塑料材質對于房屋內散熱與隔熱性能的比較探究》為案例進行剖析，簡要探討了STEM教育模式對校外環境教育教學的啟示，提出了合理建議。

關鍵詞：STEM教育;環境教育;校外教育

0 背景

STEM是Science （科學）、Technology（技術）、Engineering （工程）、Mathematics（數學）的簡稱，旨在將原本分散的科學、技術、工程、數學4門課程集合成一個新的整體。這一集合，不是簡單地加和整理四要素，而是把學生學習到的零碎知識與機械工程相結合，讓學生體會知識間的相互關系，它強調在“雜亂無章”的學習情境中提升學生的設計能力、合作能力、問題解決能力和實踐創新能力。[1]將STEM教育整合到校外環境教育教學中是未來的發展方向。將科學、技術、工程與數學有機地整合到環境教育中，是在校外環境教育教學中體現STEM教育理念的關鍵。[2]

1 校外STEM教育教學活動的理念

STEM教育將原本分散的4門學科（科學、技術、工程、數學）集合成一個整體，這4門學科分別代表科學素養、技術素養、工程素養與數學素養，STEM教育理念的核心就在于培養學生的4大素養。

在校外STEM教學課程中，教師應為學生提供一個教學情境，然后由學生自主地展開討論與探究，從而在實踐中提高他們在特定情境中設計與解決問題的能力，最后讓學生與同伴交流各自的成果與心得，提升青少年的創新意識與實踐能力，并最終將成果運用于實際生活，真正做到學以致用。

2 STEM教育模式運用于校外環境教育教學中的案例剖析

一節好的STEM課堂，不僅要有足夠的新意和吸引力，還要體現以學生為中心的教育理念和科學、技術、工程、數學的相互碰撞。[3]在STEM教育理念的影響下，課堂更加體現出學生的主體地位。在某一特定的教學情境下，教師提出問題，學生通過自主探究的學習方式，結合STEM教育包含的4方面綜合知識，進行主動研究，通過小組合作自行設計問題并嘗試解決問題，最終獲得相應的環保知識，[4]進而獲得相應的STEM素養。

在校外環境教育教學中，教學設計是很重要的一個環節。STEM教育要求教學設計具有綜合性、開發和動態性、回歸性、實踐性、多樣性。[5]依據這一原則，現以自編教材《我的環保小屋——關于不同塑料材質對于房屋內散熱與隔熱性能的比較探究》為例，將教學過程分為以下6個過程：

2.1 STEM教育需要解決實際問題

教師以社會生活情景引入，向學生提供有關塑料在生活當中的運用以及塑料的白色污染問題，以此作為激發本課堂的學習主題，另外引入當今社會較為前沿的低碳環保建筑結構，引發學生的思考：“假設能夠變廢為寶，將塑料垃圾轉變為低碳環保的隔熱建筑材料豈不是一舉兩得？”并請學生根據教師所提供的不同塑料材質及模擬建筑對象進行實驗設計，說明不同塑料種類對于房屋內部隔熱與散熱性能的影響情況。

2.2 STEM教育需要教師呈現問題

在本課題中，主要探究有關塑料隔熱性能的3個問題：一是房屋內哪個方位散發的熱量最多，哪里是房屋隔熱保溫的重點部位;二是哪種塑料材料對于房屋頂部隔熱保溫效果比較好;三是不同隔熱材料具有不同的保溫性能，這主要取決于隔熱材料的什么性質。基于STEM教育模式的問題提出略有不同，在建立起教學情境后，教師應引導學生進行思考并設計相關實驗，根據實驗所得數據進行簡單歸納統計，最終解決問題。

2.3 STEM教育需要基于問題探究

基于已有的有關塑料的物理及化學知識（其中包括熱傳遞的種類，塑料內部結構等），大部分學生可以設計出簡單的對照實驗，并得出初步結論。在正式開始實驗操作與探究前，教師發現有些學生忽略了科學研究是一個嚴謹的過程，在設計實驗時只考慮了變量因素，但是對于不同塑料材質的厚度、塑料材質在模擬房屋結構的安放位置沒有達成一致，大大降低了實驗的準確性。在遇到這些問題時，教師不能急于指導，因為STEM教育的優勢就在于讓學生自己想辦法尋求幫助，最終通過自己的努力解決實際遇到的問題。[6]

2.4 STEM教育需要對數據進行收集和統計，并得出結論

在本課題中，學生需要每隔3分鐘對鞋盒周圍（前、后、左、右、上）5個方位的盒內溫度進行溫升記錄，記錄次數為3次，根據不同方位30分鐘內的溫升記錄求平均值，得到相應的平均溫升，根據平均溫升數據，最后得到“房屋”不同方位在不同情況下的溫升數據。數據是科學實驗必要的組成部分，學生們通過組間的橫向數據比較，可以非常清晰地分析與判斷出哪種塑料材質的隔熱與散熱性能最好，這也是最直觀地反映科學結論的方法。

2.5 STEM教育需要學生共享數據，完成設計

以小組為單位，向全班展示自己小組修改前后的環保小屋設計方案，并總結第一次設計的不合理之處與修改之后的優點。與其他小組進行討論，全班分享、交流成果，并總結這堂課學習到的有關塑料隔熱性能的學科知識。

2.6 STEM教育需要基于社會問題進行擴增

在本課題的結尾，教師留下思考問題：“塑料除了會影響室內溫度外，會不會對屋內的其他因素產生影響呢（比如濕度，二氧化碳濃度等）？設計一個實驗用來驗證自己的觀點（實驗進行前必須得到教師的同意）;節能環保教室的設計與實際運用。”課堂教學的最終目的是要學生學以致用，運用于社會、生產與生活，該課題的開展來源于生活，最終通過實驗論證，得出最佳方案并運用生活中節能環保建筑的設計與建造。

該教學設計體現出了STEM教育的基本要求。首先，STEM是基于問題的教育，以學生為主體，讓他們自己通過觀察設計，動手解決實際問題;其次，如何探究不同塑料對于屋內隔熱與散熱性能的影響是將物理、化學問題與數學和工程學聯系起來;最后，延伸學習要求學生將課堂上的實驗數據和科學結論運用于生活中，設計出一個現實生活中低碳環保的生態小屋。學生發現、思考并解決問題的過程可以使其更好地感知科學、技術、工程和數學4大領域之間的密切聯系，從而幫助他們更加全面地掌握和運用知識，引導學生積極、廣泛、有遠見地追尋有意義的學習體驗。

3 在校外環境教育教學中運用STEM教育模式的啟示

將STEM教育理念運用到校外環境教育教學中是我國校外教育發展的必然結果，為了更好地在校外環境教育教學中體現STEM教育理念，提高學生的STEM素養，可將重點放在如下工作中：

第一，增強融合意識，改變單一學科的現狀，注重生物學、化學、物理、工程、數學等其他學科的有機結合。[7]第二，以現有的課程為載體，開發整合與其他學科內容相關的設計任務，注重發掘不同類型的設計元素，并根據任務特性選擇合適的途徑。[8]第三，大力發展STEM教育，加強STEM教師的培養。第四，加大對于STEM教育的投入，針對今后的STEM教育，各學校應根據自己的實際情況設計不同的教學方案，并完成探究與實踐。第五，有效利用社會資源，加強與科普教育基地及各大院校的聯系，上海目前擁有科普場館260多所，大學20多所，這些資源涵蓋的領域廣，專業性強，如果學校和校外機構能夠建立深入、長效的合作機制，聯合開發STEM綜合課程必將有助于提高中學生的綜合素養。

參考文獻：

[1] 鐘柏昌，張麗芳.美國STEM教育變革中“變革方程”的作用及啟示[J].理論與爭鳴，2014（4）：18-24.

[2] 程亮，鄭曉慧.美國中學生物學課程中的STEM教育理念及啟示[J].生物學教學，2015，40（6）：23-24.

[3] 肖媛.科學課程中設計STEM活動的有效方法：從工程和技術的角度審視科學探究活動[J].中國科技教育，2014（9）：16-19.

[4] 任偉，李元蓉，等.基于STEM教育下的中學化學教學模式初探[J].化學教與學，2015（7）：10-12.

[5] 黃曉，李揚.論STEM教育的特點[J].江蘇教育研究，2014（5）：5-7.

[6] 葉兆寧，楊元魁.集成式STEM教育：破解綜合能力培養難題[J].人民教育，2015（17）：62-66.

[7] 朱麗娜，葉兆寧.促進課內外融合的STEM教育實踐與反思：STEM教育如何從理念走向實踐[J].湖北教育：科學課，2016（1）：94-96.

[8] 唐小為，王唯真.整合STEM發展我國基礎科學教育的有效路徑分析[J].教育研究，2014（9）：61-68.