STEM教育理念下的科學教學設計

◇朱素素

STEM由科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)的首字母組成，STEM教育并不是將科學、技術、工程和數學四類學科簡單地疊加，而是使它們彼此之間進行有效融合，組成為一個有機的整體，并以真實問題解決為任務驅動，在實踐中應用知識、獲得知識，培養學生的問題解決能力、復合思維和創新思維。可見，STEM教育是一門跨學科教育，旨在運用多門學科的知識和方法解決問題，培養學生的實踐能力和創造力。目前，STEM已成為科學教育的發展趨勢，我國最新《小學科學課程標準》旨在培養學生的科學素養、創新精神和實踐能力，提倡探究式學習，并第一次將“技術與工程”提出作為四大課程內容之一。在美國，聚焦STEM的中小學已遍布全美，它們為學生提供嚴格的STEM課程、超時的STEM教學、豐富的STEM教育資源以及優秀的STEM教師等。

教科版五下《造一艘小船》中，介紹了船的發展史，學生設計小船設計圖、確定材料、動手建造一艘小船，學生能根據一些要求改進小船模型，如船上裝了玻璃彈滾來滾去如何解決。在小船構建模型的過程中，數學和工程類要素涉及較少，筆者根據STEM的理念對本節課進行了重新設計，創設真實的問題情境，學生經歷問題討論、獲取背景知識、設計方案、構建模型、測試改進模型、展示交流等流程，發展了學生實踐創新能力。

一、基于STEM理念的目標設計

STEM教育目標是在真實的問題情境中獲得多門學科相關知識和技能，培養實踐能力、探究精神和創新能力。因此，我參照新課程提出的三維目標來劃分教學目標：知識與技能目標、過程與方法目標、情感態度與價值觀目標。

表1 基于STEM理念的三維教學目標設計

二、基于STEM理念的教學活動設計

（一）創設真實情境，激發學生思維

STEM課堂中教師設置一個明確的真實情境，為解決問題，學生綜合考慮各方面客觀因素，自然就貫穿了力學、數學、設計、技術等方面的知識。在這個構建小船模型項目中，學生需全面關注情境中的背景知識，情境中提到了“東南風”“茶葉不能濕”“省力”“安全”“節約”等等，對學生來說是充滿挑戰性和趣味性，充分了激發了學生的思維積極性。

情境設置：劉大伯的茶園豐收了，他要運茶葉過河去市場上賣，可是村子外有一條河擋了劉大伯的路。你能幫助他設計一艘船，既省力又安全地渡過這條河流嗎？對了，茶葉可不能弄濕。當然，你幫忙設計這艘船，他一定會還給你材料費和工錢的，不過他希望越節約越好。（注：當地盛行東南風，這是一條大約100米寬的小河，河水幾乎沒有在流動，劉大伯大約重70kg，茶葉大約有100kg。）

圖1 問題情境地理分布圖

（二）開展頭腦風暴，了解背景知識

組織學生開展頭腦風暴，討論建構小船模型我們需要知道的背景知識。學生進行創造性的討論，暢所欲言，將所需的知識和問題全部貼在教室。學生預設：一類是知識問題：小船的裝載量影響因素、船的動力等；一類是具體工程問題：船體設計、小船模型的材料、經費預算等。

（三）開展實驗探究，獲得背景知識

學生要進行相關的科學概念和數學概念的學習，促進概念的內化，幫助接下來的工程和技術活動的開展。

1.測量裝載量

給學生提供一張導學單，提示學生小組材料：橡皮泥、水槽、大燒杯、小量杯、小木塊、細繩、回形針、墊圈，學生從這些材料中進行選擇，解決以下問題。

（1）如何測試小船的裝載量？測量的方法是什么？預設：利用回形針充當貨物測試小船能承受多少個，不斷加回形針，直到小船沉沒。

（2）如何測量排開的水量？如何讓測量準確一些？預設：小木塊墊在燒杯的一邊，讓燒杯傾斜，燒杯加滿水，將小船放在水面，將小量杯放在燒杯口下，開始以后，往里面一個一個地加墊圈或者回形針；為了讓排開的水量的讀取更準確一些，每加5個墊圈或者回形針讀數一次。

（3）裝載量和排開的水量有什么樣的關系？預設：設計表格記錄并繪制坐標圖，尋找規律。多次實驗，記錄。

（4）能推斷幫助農民運載茶葉的船排開的水量嗎？預設：根據上述問題進行預測。我們要增加船排開的水量才能增加載重量。

（5）為了增大船的裝載量，你們的小船該如何設計？預設：盡可能造大一些。

2.搜集船的相關資料，分析討論造船的動力

以小組為單位，通過網絡搜集船的發展史和造船技術運用到的技術。預設：學生了解到船的結構和特點、船的不同類型、船的材料、船的發展史。

我們的任務適合設計哪種動力的小船呢？預設：分析任務發現，太陽能不好利用，水力驅動也不好利用，人力也不好利用，電力驅動需要發動機還是比較貴的，因此我們用風力驅動。學生了解風動力的船。

（四）確定造船方案，構建小船模型

1.確定造船方案

工程中設計是至關重要的一個環節，設計圖中包含了船體造型、材料選擇及預算，我們標出了每種材料的價格供學生參考。真實的工程建設均是要進行工程預算的，模型制作也要進行預算。每個學生小組需綜合考慮情境所給的客觀因素，尋求最優設計方案，確定造船方案，包括需要的材料、船體設計圖（船身比例、尺寸）、安全性能、預算20元材料購置。

表2 材料價格名目表

2.構建小船模型

確定造船方案后，學生依據設計圖并運用一些工具構建小船模型。學生在大水盆里測試小船的裝載量并吹氣測試自己的小船能否前進。預設：有些小組的小船裝載量比較小，有些小組裝載量大，小船有些前進快，有些前進慢，小船的方向會發生改變。3.改進并測試小船模型

學生測試小船模型，發現存在的問題，學生討論并且參考其他小組的模型優點和缺點進行改進，并再次測試小船模型。參考的改進點：①你們的小船裝載量有多少，能再增加嗎？②小船能開得快一些嗎？③你們準備怎么測試改進后的小船？④小船的方向如何控制？預設：船身的形狀改造，船的帆的固定位置和形狀再改造。

4.再次改進小船模型，測試

真實的工程設計就是會不斷地進行改進測試，我們的小船模型要不斷地修改，滿足要求。參考的改進點：船上運送的茶葉是不能被河水濺濕的，也不能挪動以免茶葉破，你們有這方面的考慮嗎？預設：學生在設計圖上修改，并再次測試小船；學生對船體里面再改造，制造隔間。

5.學生展示結果，交流小船設計

比較各個小組小船的優點和缺點。

三、教學評價

STEM教學評價的不是知識本身，而是知識、技術、工程的遷移應用能力，而評價指向全面發展的人的STEM技能。STEM技能的評價，以小組的形式進行評價，評價圍繞著整個活動內容，進行過程性評價評價。

評價方案：以下七項累計加分，滿分為100分。

表3 STEM過程性評價表

STEM教育作為一門跨學科教育模式，在真實的問題情境下，學生綜合運用多門學科知識進行探索學習，促進學生的全面發展。在實施過程中，如何進一步培養學生創新能力、如何客觀全面地評價學生等，仍需要我們繼續積極探索。