STEM理念在初中科學實驗教學中的應用

李小東

【摘 要】科學實驗教學的核心就是培養學生自主探究能力、實驗操作能力及解決問題的能力。STEM教學理念與初中科學實驗教學目標相符，既可以培養學生科學意識、問題意識、問題生成能力，還可以有效提升學生的科學實驗學習與實踐能力，為培養學生科學素養提供了良好的保障。本文就STEM理念在初中科學實驗教學中的應用進行實踐性探究。

【關鍵詞】科學實驗；STEM教育理念；初中；教學應用

【中圖分類號】G633.91 【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）02-0265-02

初中科學是一門以科學知識、科學實驗為基礎的重要學科之一，而大部分的科學規律均是通過實驗演繹而得出的。因此，科學實驗課也成為培養學生科學思想、邏輯思維能力的重要載體。如何有效提高初中科學實驗教學質量與效率也自然成為了科學教師所關注的焦點課題之一。本文就STEM理念在初中科學實驗教學中的應用進行實踐性探究。

一、STEM理念的內涵

STEM教育理念是由科學、技術、工程、數學四學科構建的一種新型整合性教學理念，其主要是強調對科學技術人才的培育，尤其對創新人才、實踐人才的復合型人才的培養[1]。目前，教育界對STEM教育的內涵雖未達成共識，但“學科整合”已成為該教育理念的標志性特點之一。STEM教育理念側重學科知識之間內在的聯系，其應用目的就是幫助學習者掌握如何把科學知識、數學知識等來解決實際的技術、工程等相關的問題。因此，美國教育界則將STEM教育視為提升國家競爭力的核心戰略之一，其最終目的就是在教育教學中強化對學生的科學、技術、工程、數學知識的綜合應用能力的培養與訓練，以此來培養更多的高科技人才，進而維持本國的競爭力。我國正處于經濟轉型升級的關鍵階段，國家對創新型人才的需求也隨之增加，面對國家對創新人才、復合型人才的需求，STEM教育理念也逐步得到了我國教育專家、學者的重視與認同[2]。

二、STEM教育理念在我國初中科學教學中的應用現狀

目前，我國很多一線教師也曾嘗試著將STEM教育理念引入到教育教學之中，并從多維視角對其進行了理解與實踐應用，如一些一線教師通過項目方式、任務方式等將STEM教育理念引入到教學實踐之中，并得到了良好的教學效果。但是，由于STEM教育理念的科學課程設計、實踐均缺乏統一的理論性指導，這也導致很多初中科學教師在應用STEM進行教學時，也出現了一些問題，如課程設計不合理、教學實踐缺乏有效性等。

我國初中科學教材是結合學生對科學知識的需求及學習規律等編制的，因此，其在科學實驗內容的編制上更加突出了科學實驗的實踐性、知識性、科研性。但是，很多科學教師在科學實驗教學時，過多側重理論知識的講授，雖然個別科學教師也將STEM教育理念融入到了科學實驗教學之時，但因實驗教學設計缺乏合理性，也未能有機地將其他學科知識內容加以整合，進而導致很多科學實驗內容、教學內容均無法達到培養學生科學探究能力、實踐創新能力的目的，最終出現教學質量低下的問題。

三、STEM教育理念在初中科學實驗教學中的應用策略

STEM教育理念是將科學、技術、工程、數學等多學科內容加以有機地整合，以培養學生自主探究、合作以及既有知識綜合應用能力。但是，由于初學生既有的學科知識、自主探究能力、分析研究能力有限，因此，教師在運用STEM教育理念進行科學實驗教學時，也要采用相應的教學策略、教學方法來提升“教”、“學”質量。

1.合理設計STEM教學流程。

STEM教育理念強調立足于各學科之間的整合視角來教學，其涉及的學科、知識內容相對較多，因此，教師必須合理設計STEM在科學實驗教學中的流程，且在設計過程中，還要充分考慮如何通過各學科的整合來引起學生學習興趣，并在解決項目或是解決實際問題過程中能夠培養學生實現多學科知識之間的自主整合與實踐應用，進而達到培養、提升學生科學實踐能力、創新能力以及科學素養的目的[3]。

STEM教育理念下科學實驗教學流程的設計是保障科學實驗教學質量的基礎。因此，教師在STEM教育理念下進行科學實驗教學時，必須合理設計相應的教學流程。筆者在浙教版科學八年級上冊《模擬潛艇沉浮的實驗》的制作實驗教學時，則采用了以下流程來進行：

流程一：情境整合（創設多學科應用情境，激發學生探究欲）：引用學生比較感興趣的航空母艦、潛艇在水中的情境，引出問題，使學生能夠自主思考、探究重物在水中“沉浮”的基本原理。

流程二：基于問題或是項目學習（提出問題）：為什么數萬噸重的航空母艦可以在海中安全航行呢？為什么數萬噸重的潛水艇可以在水中自由起浮呢？它們是如何做到的呢？

流程三：分組研究問題或是項目（開放式教學，開發學生探究潛能）：一是引導學生（或小組內自主探究）討論航空母艦為什么能夠在水中安全航行、潛水艇為什么可以在水中自由沉浮？二是設計、交流自己的“模擬潛艇沉浮的實驗”設計方案。

流程四：核心學科知識的構建（科學實驗的目的和主要內容）：如何運用現有知識（多學科知識）、生活中現有材料去完成“潛艇自由沉浮”的實驗。

流程五：內容整合或實驗方案整合（設計解決問題或實驗的方案）：完成實驗方案的設計以及材料（應用最少、最簡單的材料）的收集；制作出可以自由沉浮的“潛艇”，并進行自主的相關實驗。

流程六：實驗結果討論與交流（知識交流、分享）：就相關實驗結果或不足等進行交流、討論、知識或實驗技巧的分享。同時，還要就“潛艇沉浮”實驗中的科學知識（浮力、重力、質量、密度等）、數學知識（浮力、重力等的計算）等的應用進行討論與交流，以促進、提升學生多學科、多技能的應用意識與能力。

流程七：是否實現科學實驗教學目標，教師應及時進行教學總結、反思。

筆者在將STEM教育理念應用于初中科學實驗教學過程中，均采用上述教學流程來進行，同時，也會結合科學實驗內容采用不同的教學模式、情境模式等，以突出科學實驗的開放性、動態性、實踐性以及綜合性[4]。

2.明確STEM實驗教學目標。

雖然，初中科學實驗教學中涉及的知識面相對較廣，但難度并不大，但教師在應用STEM教學過程中也要明確實驗教學目標，使學生能夠在實驗過程中明確自己實驗的目的，進而才能真正提高實驗方案設計的有效性與合理性。如在《模擬潛艇沉浮的實驗》科學實驗教學時，筆者首先進行了教學目標的確定，見表1。

3.合理設計STEM教學內容。

科學實驗是科學教學的重要內容之一，其教學內容涵蓋了大量的實驗方案設計、實踐操作內容，且會涉及到諸多學科知識，如數學、化學、技術、物理等。雖然，初中科學教材中很多科學實驗內容均能夠與STEM教育理念相契合，但是并不說明所有的科學實驗內容均能采用STEM教育理念。加之STEM教學理念是基于“項目”或“問題”或“任務”的基礎之上，因此，科學教師在實施STEM科學實驗教學過程中，也要結合學情、學生既有學科知識、實踐操作能力等來開展，并為學生選擇一些適合于實施STEM教學的科學實驗內容，進而才能促使學生在科學實驗的學習、實踐、解決問題的過程中，能夠有機地將不同學科的知識融入到科學實驗之中[5]。在《模擬潛艇沉浮的實驗》實驗教學時，筆者為學生設計了主要的實驗教學內容：

一是實驗教學的導入。利用航空母艦、潛水艇在水中的安全行駛引入“潛艇”的實驗課題。使學生通過航空母艦、潛水艇運行的視頻，主動思考影響兩者“浮沉”的基本原理和方法。同時，借助情境導入來激發學生求知欲，增加學生實驗興趣，提高學生科學實驗的參與度。

二是浮力和重力。讓學生自主設計或體驗浮力、重力，如將泡沫放在水中、實心鐵球放在水中或是回想自己游泳時的感受等。同時，觀察學生是否能夠在親身體驗中運用不同學科的知識去思考、設計本次實驗的方案，并對學生提出的問題進行適時、適當的指導或解答。

三是進行實驗設計。讓學生結合實驗要求自主設計相應的“沉浮”方案。該教學環節，筆者旨在引導、鼓勵學生運用不同的思維方設、不同的科學方法進行實驗設計。

四是驗證和分享。筆者在組織學生完成相關的“模擬潛艇沉浮”的實驗設計與驗證后，筆者會鼓勵學生利用自己既有的多學科知識及課前收集的相關實驗資料，進行自主（或是小組合作）實踐性實驗與體驗，使學生能夠在自己的實驗結果上借鑒他人的實驗設計方案，進行實驗方案的優化和創新，以培養學生工程意識。

最后，筆者還會組織學生就實驗結果、設計技巧、制作等進行討論、分享。通過討論和分享來促進學生之間的知識交流，并對培養學生的實驗能力、邏輯思維能力、驗證能力、科學思辨能力均具有重要的現實意義。

4.STEM教學模式下的交流與分析。

初中科學實驗中（如《模擬潛艇沉浮的實驗》實驗），往往會其會涉及到不同的科學知識、數學知識、數據計算等，教師在設計教學內容時，教師在實驗教學中既要充分考慮到學生的科學知識水平、數學知識水平以及綜合計算能力等，避免出現過多的、超出學生既有知識、理解能力等教學內容，進而才能在激發學生實驗學習、實踐興趣的基礎上，激發其科學探究欲。教師也要鼓勵學生在實驗前、實驗中、實驗后進行知識的交流與分享。如實驗材料、實驗方案、實驗技巧等方面的交流，也可以是實驗結果驗證過程的交流等等。筆者認為，STEM教學理念是一種高效的整合性教育理念，教師應幫助學生掌握STEM理念下解決問題、提高實驗質量的方法與流程，以提高實驗教學質量。筆者在實驗教學過程中都會鼓勵學生就不同科學實驗中欲解決的核心問題、實驗方案設計、實驗所涉及到的各學科知識、實驗技巧、實驗操作細節等各方面內容進行交流、分享，以幫助學生不斷提高自身在科學實驗過程中的實踐能力、解決問題能力，使學生能夠在知識交流、分享過程中，獲取更多的相關知識。另外，學生在知識交流與分享過程中，也能夠激發學生探究、實踐的熱情，并在驗證彼此實驗內容、實驗方案過程中促使其不斷完成新知識的建構與內化，這對全面提升實驗教學質量具有重要的現實意義。

STEM教育理念應用于初中科學實驗教學過程中，教師要還充分重視教學評價的重要性，并通過科學、有效的教學評價來進一步推動STEM教育理念的實施效果。筆者在教學實踐中，既會對學生在科學實驗學習、操作過程中的學習態度、探究能力、釋疑能力、實驗方案等內容進行客觀的評價，還會在評價的過程中引導、鼓勵學生通過及時對自己在科學實驗中的收獲進行及時的總結，并將自己的總結結果、心得與其他同學進行分享與交流，以促進學生在彼此的知識交流與分享過程中完成知識的建構，最終實現以教學評價來促進STEM教育理念在實驗教學中的應用效果。

四、結語

STEM教育理念在初中科學實驗教學中的應用，教師必須要結合學生各學科的既有的知識水平、知識理解能力以及實驗操作能力來進行。同時，教師也要明確STEM教育理念下的教學流程、教學目標、教學內容，以來提高科學實驗的實踐性、知識性、科研性，使學生真正能將既有的多學科知識應用到科學實驗之中，并在提高科學實驗學習效率的同時，也能夠不斷提升自身的科學素養。

參考文獻

[1]黃樺.基于STEM教育理念的科學教學[J].教學與管理，2018（7）.

[2]彭聰，王晶瑩.美國STEM教育實施策略的研究[J].首都師范大學學報（自然科學版），2016（3）.

[3]黃曉，李揚.論STEM教育的特點[J].江蘇教育研究，2014（15）.