例談STEM課程組織方式在小學科學教育中的應用

吳章德

[摘 ? 要]科學教育應嘗試借鑒STEM理念設計課程，尤其是“技術與工程領域”，應融合科學、技術、工程和數學，以項目學習的思路開展研究性學習。同時在科學活動設計中融合驗證型STEM、探究型STEM、制造型STEM、創造型STEM等各種類型的活動設計策略，使學生在學習知識的同時提升能力，實現從驗證到創新的突破。

[關鍵詞]STEM理念;融合;小學;科學教育

《義務教育小學科學課程標準》提出：倡導跨學科學習方式。STEM是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，它將科學、技術、工程、數學有機地融為一體，有利于學生創新能力的培養。科學教師可以嘗試運用于自己的教學實踐[1]。STEM是一種重實踐的超學科教育概念，科學教師可以將STEM運用于小學科學教育，在STEM教育視域下，通過技術與工程領域的學習，打破常規，大膽嘗試學科融合，創新活動設計，以項目學習的思路開展研究性教學活動，使學生綜合所學的各方面知識，體驗科學技術對個人生活和社會發展的影響。

有學者認為，可根據不同的教學內容將STEM教育活動分為驗證型STEM、探究型STEM、制造型STEM、創造型STEM，針對STEM類型的不同，教育策略也有所不同。但不論是哪種策略，都要使學習者經歷完整的科學研究過程[2]。在STEM教學方式下，學生并不會自發地像科學家那樣進行研究或像工程師那樣思考，而是需要教師為他們提供一定的典型材料，設計一定的結構化程序，提供一些必要的指導。同時，從驗證型STEM到創造型STEM，研究的成分會越來越多，教師的指導會隨之逐漸減少，以促進學生自主性和創造性的發展。總之，在小學科學課的教學中，教師可通過借鑒不同類型的STEM活動培養學生的創新能力，實現從驗證到創新的突破。

一、驗證型STEM

驗證型STEM是在驗證性實驗的基礎上延伸而來的，是當學生對研究對象有了一定的了解，并形成了一定認識或提出了某種假說后，為驗證這種認識或假說是否正確而進行的一種項目式學習活動。它強調演示和證明科學活動，更注重探究的結果（事實、概念、理論），而非探究的過程。

如STEM活動“胡蘿卜疊高塔”，要求在規定時間里，用一定數量的牙簽和胡蘿卜現場搭建盡可能高的“塔”。由于六年級學生已經學習了形狀與結構的基本知識，知道高塔之所以不容易倒塌與它的結構有重要關系等。所以這項活動更適合六年級的學生。相應地，科學活動的設計應包括以下環節：了解現實生活中的塔;提出問題（怎樣疊才能使塔更高）;設計圖紙（畫出各結構形狀）;模仿建造;改進結構;修改設計;創新建造。這樣，搭建一個穩定的胡蘿卜高塔的過程就成為一個驗證和運用所學知識的過程。借鑒驗證型STEM活動的科學課程，需要學生有一定的相關知識儲備。

二、探究型STEM

探究型STEM在探究性實驗的基礎上延伸而來，事先不知道可能的結果，探究的影響因素也往往有多種。學生要看到實驗結果才能判斷實驗假設是否正確，并獲得某種知識。這一點不同于驗證型STEM。

例如，筆者在一次培訓中，觀摩了一堂“制作一個陀螺”的STEM展示課。教師讓學生從觀察陀螺的結構入手，通過問題引導學生思考如何制作一個能夠穩定旋轉的陀螺，并探究影響陀螺旋轉穩定性的因素。教師提供了智高玩具器材，讓學生從中自選材料制作一個陀螺，并設法讓它轉起來，通過觀察陀螺轉動的情況分析影響其穩定性的因素，在改進制作后再進行調試。通過互動交流，學生歸納了一些影響穩定性的因素：一是陀螺的重心，重心越低旋轉越穩;二是布局尺寸，陀螺低處的直徑小一點，中間偏下的直徑大一點，盤面上部的軸要比下部的軸稍長些。展示作品后各組分享了制作經驗，并優化了陀螺的結構。緊接著，教師組織學生開展“陀螺大戰”，看哪組陀螺旋轉最久，進一步引導學生探究影響陀螺旋轉時間的因素。有學生認為“轉得快的轉得時間也長”，教師又追問“如何才能轉得快”，引導學生回顧學過的大齒輪帶動小齒輪可以使轉速變快的知識。然后讓學生先畫出陀螺的設計圖，同時遵循“用最節省的材料打造最優質產品”的設計理念，用現場的智高玩具器材完成制作，并可在制作和調試過程中不斷修改設計和改進產品。

又如，筆者所在學校的教師組織四年級學生用硬紙片和火柴等成本更低的簡單材料，進行了類似的科學探究。學生先后探究了陀螺盤形狀與旋轉時長的關系，陀螺重心高低與旋轉時長的關系，陀螺中心平衡與旋轉時長的關系，陀螺質量與旋轉時長的關系，陀面大小與旋轉時長的關系等（見圖1）。

以上的探究型STEM經歷了“模仿設計—收集證據—實踐改進—優化思路—創新作品”等過程。科學探究活動與此類似，也可以采取這一形式進行活動設計。

三、制造型STEM

在小學科學課程標準關于課程內容的第四大板塊“技術與工程領域”中提出：人類為實現自己的需要，對已有的物質材料和生活環境加以系統性的開發、生產、加工、建造等，這就是工程，工程的核心是建造[3]。而制造更趨向于小型化和具體化，指把原材料加工成適用的產品或器物的過程。

例如，一位教師展示了一節“沙漏”的制造型STEM課。該教師從沙漏的結構入手，通過問題引導學生思考如何制作一個能夠計時一分鐘的沙漏。教師演示了一只準備好的沙漏，學生發現這只沙漏不能計時一分鐘，那么是哪些因素影響了沙漏計時的準確性呢？學生通過討論交流，歸納了兩方面的影響因素：一是沙子的數量;二是漏口的大小。接著，教師請學生利用課堂提供的一些結構性材料制作沙漏。學生在不斷的嘗試、調試、改進、再調試中，最終制作出了一個計時更接近一分鐘的沙漏。

以上教學以完成一件作品的形式，促進了學生的思考與實踐，鼓勵學生在反復調試與改進中完成制作。這種制造型的STEM經歷了“模仿制作—實踐調試—優化改進—創新作品”的過程，在促進學生學習知識的同時，提升學生動手操作和積極思考的能力，使學生體驗了將原材料加工成適用產品的過程，并獲得了成就感。

四、創造型STEM

小學科學課程標準中還提到：人類運用科學、技術和工程，創造了豐富多彩的人工世界。課標在活動建議中也提出：教師應指導學生，通過設計和制作一件作品或產品，了解設計作品、完成項目的基本過程;體會科技產品給生活帶來的方便和舒適;認同創意設計能夠改善生活質量[4]。科學教育要讓學生認識到創造給社會帶來的益處，引導學生用創新的思想進行創造，有意識地對世界進行探索性勞動。而創造型STEM強調培養學生的創新意識，與課標的要求高度一致。

例如，在“燈彩針刺”的創造型STEM課堂上，教師從引導學生欣賞非遺燈彩導入，通過交流燈彩的八大技法，即針、裱、糊、畫、刻、扎、結、拗，讓學生體會豐富的民間文化和燈彩工藝的特點。在接下來體驗八大技法中的針刺技法環節，教師引導學生觀察燈彩，了解哪個部位是針刺，并交流針刺的作用與特點，讓學生了解好的針刺應具備的特征。課堂上，學生利用教師準備好的材料和工具進行了嘗試、展示、交流、改進、創新、再嘗試。最后學生總結出了好的針刺應具備圓潤、細膩、透光性好等特點;體會到操作的技巧是要扎得深、扎得直、扎得勻;認識到針刺時心要細、手要慢，還要有耐心。最后環節是對比人工針刺與機器針刺的不同，體會到人工燈彩針刺作品更具靈活性和創新性，并由于人在勞動中傾注了情感，使每一件燈彩都成為獨一無二的作品。這堂科學課，不僅讓學生在實踐中體驗了燈彩針刺的技能技巧，更重要的是鼓勵學生在基本技法的基礎上，大膽創新，制作出富有個性的燈彩針刺作品（見圖2）。

綜上所述，每種類型的STEM活動都有其側重的一面，但不同類型又有其共通之處，甚至有時很難區分它們到底屬于哪個類別。在小學科學課程活動設計中，特別是涉及技術與工程領域時，可以通過預設問題情境，在“模仿設計—實踐改進—優化思路—創新作品”的過程中，引導學生思考解決問題的方案，設計制作工具或“產品”來解決現實問題或滿足現實需要，促進學生在學習知識的同時提升綜合能力，并學會運用理性方法對問題進行驗證。

總之，STEM教育提倡科學、技術、工程、數學等不同學科之間相互支撐、相互補充、共同發展，倡導不同學科之間的相互融合，在交互與碰撞中使學生加深對知識的理解，實現更有意義的學習，真正培養學生的工程思維與科學精神。小學科學課程是實施STEM教育的良好載體，教師在考慮如何將STEM活動或學習方式引入小學科學課堂時，更要有意識地將STEM教育理念融入科學活動的設計。

參考文獻

[1][3][4]中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2017.

[2]傅騫，劉鵬飛.從驗證到創造——中小學STEM教育應用模式研究[J].中國電化教育，2016（4）：71-78，105.

（責任編輯 ? 郭向和）