基于STEM核心素養的綜合實踐活動指導案例研究

摘 要：隨著國家新課程改革的進一步推進，很多教育研究者試圖通過挖掘數學、科學、技術、工程的內涵來提升學生的STEM核心素養。由于目前國內的STEM教育引入國外理論研究的方向較多，而實踐研究相對較少，可參考的案例學科代表性較強，因此在本次研究中，以學生綜合實踐活動為載體，通過行動研究法和訪談研究法，結合案例中教師如何指導學生開展探究活動進行分析，從四個維度就如何培養學生STEM核心素養進行了闡述，并提出了培養學生STEM核心素養的評價方案。

關鍵詞：STEM；核心素養；案例研究

我國自實施科教興國戰略以來，課程改革越來越注重學生的創新精神、實踐能力、科學素養等綜合能力培養的融合。更多的教育研究者開始挖掘數學、科學、技術、工程等學科領域的內涵，試圖通過綜合實踐活動提升學生的STEM素養，提升學生解決實際問題的能力，實現學生的全面發展。近日，我校的一次水火箭創意發射大賽也激發了學生科學探究的興趣，最遠的水火箭達到了160多米的射程。為此，我們成立了學生課題組來探究跟水火箭射程可能相關的因素，希望通過科學設計和創新實踐，并引導學生對研究過程中的技術困難加以解決，提升學生的STEM核心素養。

一、STEM核心素養的科學含義

那么，什么是STEM核心素養呢？STEM是科學、技術、工程和數學的簡稱，它既包含獨立的科學、技術、數學、工程學科，又是四門學科的整合，注重學科間的聯系。STEM核心素養旨在讓學生在活動、項目和問題解決中應用STEM知識，并通過科學探究和工程設計過程，將抽象知識和實際生活聯系起來以解決現實問題。

各個素養之間又有怎樣的區別和聯系呢？科學素養主要是通過學習者對科學知識和過程了解、參與影響自然界的有關決策來實現的，這有別于技術素養更強調學習者掌握運用技術的方法及具備分析新技術的能力；而工程素養雖然也需要運用技術，但又有別于技術素養，要求學習者利用科學和數學方法系統化、創造性地解決實際問題；可見數學素養對于學習者有效地運用數學知識和方法并通過表達、解決來處理工程問題是必不可少的。因此，STEM核心素養之間以學科為載體，相互聯系、相互依賴，其中數學和科學素養是STEM教育的基礎，技術和工程素養則提供科學研究思路和創新實踐動力。

二、STEM核心素養培養的指導

1.科學素養指導

科學素養注重學生參與科學探究活動、選取恰當的研究方法，以及日常生活中科學知識的應用，是學生對自然、社會、思維等客觀規律的分科知識體系的反映，重在體現科學結論的得出和科學過程的參與。

例如在此次探究活動中，我們先引導學生通過理論分析得出水火箭做斜拋運動過程中射程的科學表達式：

S=v1t

=v0·cosθ·

=

= ，

理論上發射仰角為45°時，飛行距離最大，而水火箭的實際飛行過程主要通過反沖原理來實現且受到空氣阻力的影響，最佳發射仰角還會是45°嗎？此時，我們可以鼓勵學生大膽地提出猜想：“影響水火箭射程的主要因素會不會跟發射仰角和瓶內水量有重大關系呢？又呈怎樣的關系呢？”因此，這就要指導學生在已有的學科知識上通過科學方法設計如下對照實驗研究以得出結論。

實驗1的設計在控制瓶內水量占1300 mL容積瓶的1/3（約433mL）和6個大氣壓強及使用22 cm發射軌道下，測量出不同發射仰角時的平均射程（如表1）；同理實驗2的設計在控制45度的發射仰角和6個大氣壓強及使用22 cm發射軌道情況下，測量出在占總水量1300 mL的不同比例時的平均射程。

表1 不同發射仰角與射程關系

2.技術素養指導

技術素養的培養關鍵在于學生通過利用、改造自然時創造和使用的方法、工具以及獲得的經驗，為學生應用科學知識提供機會，引導學生理論聯系實際，尋找解決實際問題的方法。

例如在整個探究過程中，學生遇到了“三大技術難題”。首先，最大的困擾就是風對實驗過程的干擾。每次在發射水火箭時，總是避免不了亂風來襲，順風或是逆風都直接影響著實驗結果，而為了盡量減小風對實驗的影響，我們需要引導學生耐心等待，一次又一次地重復發射和測量。其次是對實驗誤差的處理。盡管學生每次發射前會重新檢修水火箭的狀態和減小風帶來的影響，也盡可能地多次測量取平均值，但我們無法保證每次發射的水火箭的狀態都是完全相同的。數據的讀取和處理上也會存在各種各樣的誤差，在一定程度上給學生分析結果帶來困擾，這時我們需要先引導學生嘗試使用多種圖線表達形式進行比較，最后決定用折線圖而非擬合的光滑曲線來反映實驗結果，希望更加科學和直觀地體現變化的過程。

3.工程素養指導

工程素養重在培養人利用科學原理和技術手段創造人工物的過程，學生可以將所學的自然科學知識與生活中的實際問題緊密聯系起來，并通過工程方面的知識形成合理的解決方案，并應用于創造實踐的方法和過程。

例如在本次探究活動中學生發現，水火箭在飛行過程中的穩定性也在某種程度上影響著實驗結論的準確性。由于受到空氣阻力的影響比較大，根據著名科學家伯努利的原理：動能+重力勢能+壓力勢能=常數，即等高流動時，流速大，壓力就小，使得流線型的頭部結構可以在很大程度上減小空氣阻力帶來的影響，而飛行得更平穩。那么，我們就需要指導學生通過創新思維的設計和創造力的實踐，制作出符合預期試驗效果的水火箭。在綜合學生問卷調查統計結果和科學原理的基礎上，學生決定先用電腦軟件為水火箭設計一個流線型的整流罩和相對平整的箭體及尾翼，然后利用一周的時間從生活中尋找所需的材料，最后在老師的指導下完成整流罩、主箭體及尾翼的制作和安裝。可以說全過程學生在老師的指導下，充分體驗造物過程和實踐工程設計能力。

4.數學素養指導

數學素養是學生對空間形式、數量關系進行研究的能力，是STEM教育中科學和技術的基礎。

例如在活動中我們主要引導學生對實驗1數據的分析，得出在實際環境中水火箭的射程跟發射仰角和瓶內水量的數量關系，在空氣阻力影響下，同等其他變量，分別選擇不同的發射仰角來找出發射仰角與水火箭發射距離的數量關系，得到在發射仰角45°到52°之間時可以達到最大的射程的科學結論（如圖1.1）。同時，我們需要引導學生進一步思考：“為什么實際結果會跟理論值有偏差？空氣阻力是如何影響發射仰角的？”最后老師應當為學生總結原因：當發射仰角太小時，水火箭向上的分力不大，使爬升高度不大，且由于水火箭的重量受地球引力的牽引，使其容易落下，造成射程縮短；而當角度太大時，其向上分力雖大，但向前分力太小，以至于射程太短，造成“射得高，但射不遠”的情況；同理對實驗2數據分析得出水火箭射程跟瓶內水量的數量關系，同等其他變量時，可得到當瓶內水量為1/4到1/3時水火箭可以達到最大射程的又一科學結論（如圖1.2）。

三、STEM核心素養的學生評價

在新課改理念的發展趨勢下，通過單一紙筆檢測無法評價學生的實踐能力和創新能力，已不適應新型人才的培養需求；而基于跨學科整合的STEM項目學習為學生評價提供了新思路和新理念，即采用多元化的評價標準、評價內容和評價方式。在STEM項目學習中，強調為學生提供真實情境和模糊的任務，在教師評價的基礎上，強調學生進行自評和互評的重要性，并采用多種評價方式相結合的方法。例如我們以過程性評價與終結性評價相結合為基礎，定性評價與定量評價相結合為指標，對學生進行全面多角度的評價，評價內容更注重學生的學習表現和情感能力的發展，以期培養學生的科學探究精神，更好地提升學生跨學科整合知識、運用方法的能力。為此，綜合案例研究，我們抽樣了80名學生進行了有關STEM核心素養的調查和訪談，并根據訪談內容和調查結果試圖采用一種多維坐標評價圖來呈現學生的STEM核心素養，如圖2的六維坐標評價圖就非常直觀、科學地體現了學生的綜合能力成長狀態。

綜上所述，在我國新課程改革的大背景下，國家對科技創新人才的培養提出了更高的目標，這就要求我們未來的學生具備一種將科學、技術、工程、數學中碎片知識系統化整合在一起的綜合能力和素養。因此，教師應當更多地組織開展各類綜合實踐活動，設計研究出有效的指導方法和可行性評價方案，以提升學生的STEM核心素養，激發學生的內在學習動機，推動“新課程運動”的開展。

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作者簡介：陳賢彪（1984.05—），男，漢族，中共黨員，浙江海寧人，浙江大學教育碩士，主要研究新課程開發和學校課程體系的建設。

編輯 郭小琴