STEM教育理念下小學(xué)科學(xué)教學(xué)實(shí)踐研究

任永力 左成光 徐交 成剛

摘 要：STEM是一種以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程方式，把STEM教育理念融入到小學(xué)科學(xué)教學(xué)實(shí)踐，是目前科學(xué)教育研究的熱點(diǎn)。本文通過對STEM教育理念相關(guān)要素和小學(xué)科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)等相關(guān)問題的分析，進(jìn)一步梳理了STEM教育理念與小學(xué)科學(xué)課程目標(biāo)的關(guān)系，構(gòu)建了STEM教育理念下小學(xué)科學(xué)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)模式，并運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：STEM教育; 小學(xué)科學(xué); 教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號：G623.6? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-3315（2020）9-056-002

我國科學(xué)課程經(jīng)歷了從小學(xué)《自然》發(fā)展到小學(xué)《科學(xué)》，2001年進(jìn)行課程改革的時(shí)發(fā)布了《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿）》，2003年到2017年間進(jìn)行了幾次調(diào)研以及修訂后，最終《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）在2017年頒布并實(shí)施。《標(biāo)準(zhǔn)》明確了該課程的課程性質(zhì)、基本理念、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容設(shè)置、課程實(shí)施建議等。《標(biāo)準(zhǔn)》在“教學(xué)建議”部分，明確指出：科學(xué)（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）與數(shù)學(xué)（mathematics），即STEM，是一種以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，它將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)有機(jī)地融為一體，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。科學(xué)教師可以嘗試運(yùn)用于自己的教學(xué)實(shí)踐[1]。

小學(xué)科學(xué)課程內(nèi)容分為四個(gè)領(lǐng)域：物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球和宇宙科學(xué)、技術(shù)與工程，但是這四個(gè)領(lǐng)域并不是孤立存在的，是多學(xué)科知識網(wǎng)絡(luò)的融合。該課程是對學(xué)生實(shí)踐探究能力進(jìn)行培養(yǎng)，教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)注重學(xué)生的日常生活實(shí)際。STEM教育也并不是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育的簡單疊加，而是要將四門學(xué)科內(nèi)容組合形成有機(jī)整體，以更好地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力[2]。如何把STEM教育理念更好的融入到小學(xué)科學(xué)教學(xué)實(shí)踐，以更好的推進(jìn)我國小學(xué)科學(xué)教學(xué)，這是一個(gè)非常值得探討的課題。

一、STEM教育理念和小學(xué)科學(xué)教學(xué)融合的分析及模式構(gòu)建

科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個(gè)學(xué)科知識的整合構(gòu)成了STEM教育，STEM教育是多學(xué)科克服學(xué)科界限要素的整合。各要素之間關(guān)系密切，相互依存不可分割。科學(xué)以工程與數(shù)學(xué)為語言，技術(shù)以數(shù)學(xué)與科學(xué)為支撐，工程以科學(xué)與數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)[3]。科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)融為一體，使科學(xué)的規(guī)律性、技術(shù)的實(shí)用性、工程的實(shí)踐性、科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性建立辯證統(tǒng)一關(guān)系，各自的特性與聯(lián)系為STEM的跨學(xué)科融合的核心特征提供強(qiáng)有力的理論支持[4]。目前國內(nèi)STEM教育理念融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)可供分析的文獻(xiàn)研究資料很有限，但我們可以學(xué)習(xí)STEM教育理念在小學(xué)科學(xué)中的研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)踐中豐富STEM教育的相關(guān)研究。接下來從STEM教育理念與小學(xué)科學(xué)課程目標(biāo)的契合度進(jìn)行分析，并完成STEM教育理念下小學(xué)科學(xué)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)模式構(gòu)建。

（一）STEM教育理念與小學(xué)科學(xué)課程目標(biāo)的融合分析

STEM教育理念指導(dǎo)下的課程實(shí)施需要在真實(shí)可操作的情境下分組合作完成項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)的教學(xué)環(huán)境中通過該理念的指導(dǎo)，實(shí)際情境中用學(xué)科綜合知識去解決發(fā)現(xiàn)的問題，慢慢的達(dá)到對學(xué)生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)[5]。《標(biāo)準(zhǔn)》中課程目標(biāo)分為四個(gè)方面：科學(xué)知識、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)與環(huán)境，這體現(xiàn)了由“三維目標(biāo)（知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀）”走向關(guān)注“科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”的傾向，更加明晰了小學(xué)科學(xué)學(xué)科育人價(jià)值[6]。STEM教育理念下對小學(xué)科學(xué)課程“科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”的提升，需契合科學(xué)知識、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)與環(huán)境這四個(gè)方面，這是與STEM綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)是相互聯(lián)系的。解決問題和完成項(xiàng)目的途徑就是需要科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)，科學(xué)知識和技術(shù)手段是實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究的保證，科學(xué)探究、工程設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)方法是形成科學(xué)態(tài)度的重要保障，科學(xué)精神的培養(yǎng)與人文素養(yǎng)的養(yǎng)成是達(dá)到科學(xué)態(tài)度和科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)與環(huán)境目標(biāo)的重要體現(xiàn)。該關(guān)系的建立更好地體現(xiàn)了STEM教育與小學(xué)科學(xué)教學(xué)之間的聯(lián)系。

（二）STEM教育指導(dǎo)下的小學(xué)科學(xué)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)模式構(gòu)建

小學(xué)科學(xué)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)以小學(xué)科學(xué)課程內(nèi)容為基礎(chǔ)，主要包括物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)、技術(shù)與工程中一些比較直觀且學(xué)生有興趣參與學(xué)習(xí)的內(nèi)容為主，每一個(gè)領(lǐng)域分化在不同的教學(xué)單元中，每個(gè)單元都有一條主線在支撐著每一課時(shí)的內(nèi)容[8]。因此在進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，密切與課程內(nèi)容特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。小學(xué)科學(xué)教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)相對于常規(guī)下的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)而言，用STEM教育理念的優(yōu)勢去指導(dǎo)該學(xué)科教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，不僅符合小學(xué)科學(xué)課程本身的特點(diǎn)，還創(chuàng)新了科學(xué)課對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)方式。

基于上述分析，在STEM教育理念指導(dǎo)下對小學(xué)科學(xué)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織形式等在教學(xué)活動(dòng)中的呈現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)建了STEM教育理念下小學(xué)科學(xué)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)模式。該模式下的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)階段：

發(fā)現(xiàn)問題階段：該階段主要的目標(biāo)是學(xué)生自主探究發(fā)現(xiàn)問題。結(jié)合STEM教育與課程目標(biāo)的關(guān)系，以小學(xué)科學(xué)課程目標(biāo)的四個(gè)方面為指導(dǎo)，以學(xué)生所學(xué)科學(xué)知識為基礎(chǔ)，在教師指導(dǎo)下，學(xué)生分析和學(xué)生自主探究并發(fā)現(xiàn)問題，然后引導(dǎo)學(xué)生在STEM教育理念的指導(dǎo)下來思考并解決問題方案。

活動(dòng)設(shè)計(jì)階段：該階段主要是對解決問題方案的設(shè)計(jì)。主要由教師指導(dǎo)學(xué)生在STEM教育理念的基礎(chǔ)上對問題進(jìn)行具體的分析，學(xué)生對S（科學(xué)知識）進(jìn)行理解掌握，運(yùn)用一定的T（技術(shù)手段）和M（數(shù)學(xué)方法）完成設(shè)計(jì)。老師指導(dǎo)學(xué)生以小組為單位，組內(nèi)自主協(xié)作分析探究，以教學(xué)內(nèi)容和課程目標(biāo)的四個(gè)方面為基礎(chǔ)進(jìn)行解決問題活動(dòng)的方案設(shè)計(jì)。在教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)中，教師扮演輔助指導(dǎo)的角色，活動(dòng)方案的設(shè)計(jì)主要由小組獨(dú)立完成，主要檢驗(yàn)知識的掌握情況和培養(yǎng)學(xué)生自主探究能力。

活動(dòng)實(shí)施階段：該階段是對活動(dòng)設(shè)計(jì)方案的具體實(shí)施。教師負(fù)責(zé)對學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行管理和維護(hù)，學(xué)生對組內(nèi)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行人員分工，合作進(jìn)行活動(dòng)方案的完成。在活動(dòng)中以學(xué)生的合作探究為主，教師輔助指導(dǎo)為輔，主要培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和合作的科學(xué)精神。

活動(dòng)評估與反思階段：該階段主要是對教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行評價(jià)以及反饋，以維持教學(xué)的進(jìn)行及促進(jìn)教學(xué)的改善。每完成一次教學(xué)任務(wù)都要進(jìn)行反思和評價(jià)，通過教學(xué)過程的總結(jié)反饋及時(shí)掌握教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題并去解決問題，不斷改善教學(xué)質(zhì)量。其次，及時(shí)了解學(xué)生對新知識的掌握應(yīng)用情況、教學(xué)目標(biāo)完成情況、以及學(xué)生解決問題的能力的培養(yǎng)，以便順利進(jìn)行后續(xù)的教學(xué)。評估階段旨在了解運(yùn)用STEM教育理念指導(dǎo)教學(xué)活動(dòng)后的效果并及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)和完善。

解決問題階段：學(xué)生最終解決問題，在此基礎(chǔ)上將問題發(fā)展成生成性問題，結(jié)合生活實(shí)際，在生活中進(jìn)行具體運(yùn)用實(shí)踐，升華學(xué)生對STEM教育下的小學(xué)科學(xué)在生活中的應(yīng)用理解，將STEM教育理念和小學(xué)科學(xué)融合思維靈活運(yùn)用于生活實(shí)際解決實(shí)際生活問題。

二、STEM教育理念下小學(xué)科學(xué)教學(xué)實(shí)踐研究

（一）教學(xué)內(nèi)容分析

本文選取的素材是教育科學(xué)出版社出版的小學(xué)《科學(xué)》上冊第四單元《運(yùn)動(dòng)和力》，本單元核心內(nèi)容是掌握物體運(yùn)動(dòng)與受到的力的關(guān)系的有關(guān)知識，最后在所學(xué)科學(xué)知識的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制作小車。本單元的教學(xué)內(nèi)容安排分別是“我們的小纜車”“用橡皮筋做動(dòng)力”“像火箭那樣驅(qū)動(dòng)小車”“測量力的大小”“運(yùn)動(dòng)與摩擦力”“滑動(dòng)與滾動(dòng)”“運(yùn)動(dòng)與設(shè)計(jì)”“設(shè)計(jì)制作小賽車”，本單元的內(nèi)容選擇很好體現(xiàn)了小學(xué)科學(xué)與生活實(shí)際相關(guān)性。因此本文選取了“設(shè)計(jì)制作小賽車”進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，通過小賽車的設(shè)計(jì)與制作這一活動(dòng)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，學(xué)生在實(shí)踐中體會(huì)科學(xué)的奧妙、理解科學(xué)技術(shù)的力量。

教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)以完成課程目標(biāo)的四個(gè)方面為基礎(chǔ)，最終提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)前，分析了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)知識下課程目標(biāo)四個(gè)方面的具體化。比如所需科學(xué)知識的支撐、與車有關(guān)的科學(xué)知識，材料的準(zhǔn)備、工具方法的使用，設(shè)計(jì)方案的調(diào)整、作品的美化與講述，草圖的繪制和數(shù)據(jù)的記錄等等。通過設(shè)計(jì)流程（方案的設(shè)計(jì)、材料的選取、草圖繪制、作品制作與展示）引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)SETM教育下的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)模式進(jìn)行小車的設(shè)計(jì)與制作。該活動(dòng)將科學(xué)知識在STEM教育理念的指導(dǎo)下用于小賽車的實(shí)際設(shè)計(jì)制作中，在解決實(shí)際問題的過程中學(xué)生深切體會(huì)科學(xué)課的樂趣，熱愛科學(xué)。

（二）教學(xué)對象分析

該內(nèi)容的教學(xué)對象是五年級學(xué)生，該階段的學(xué)生大多數(shù)處于11-12歲，具有一定的認(rèn)知水平，抽象思維的能力已經(jīng)開始發(fā)展，具備基礎(chǔ)的生活技能。學(xué)生通過學(xué)習(xí)的積累和一定的生活經(jīng)驗(yàn)，掌握了一定的操作技巧，對科學(xué)知識的學(xué)習(xí)理解運(yùn)用已經(jīng)達(dá)到一定的階段，因此基于STEM指導(dǎo)下的小學(xué)科學(xué)教學(xué)，五年級的學(xué)生是完全有能力接受的。學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識基礎(chǔ)上，動(dòng)手實(shí)踐能力已經(jīng)得到提高，此階段的學(xué)生正處于愛思考、愛動(dòng)手的時(shí)期，因此基于STEM的教學(xué)，學(xué)生可以進(jìn)行分析問題和搜集信息，并以小組為單位展開探究，最終在合作探究下解決問題。

（三）教學(xué)實(shí)踐分析

理論分析離不開實(shí)踐，本文將“設(shè)計(jì)與制作小賽車”這一教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)方案運(yùn)用于實(shí)際教學(xué)，現(xiàn)將該課的教學(xué)實(shí)施作簡要的說明。

（1）導(dǎo)入：觀看賽車動(dòng)漫視頻以及圖片，引起學(xué)生興趣。學(xué)生觀看動(dòng)漫中賽車比賽小視頻和車的圖片，教師并提問：圖片中車的設(shè)計(jì)有什么特點(diǎn)？想不想設(shè)計(jì)屬于自己的小賽車？學(xué)生回答后，引出本課時(shí)即將所學(xué)內(nèi)容——設(shè)計(jì)制作小賽車。

注：STEM教育理念——科學(xué)知識（S）的鞏固解讀

（2）工程師怎樣設(shè)計(jì)賽車。老師提問學(xué)生：我們要設(shè)計(jì)我們自己的賽車，我們先來猜猜工程師是怎樣思考設(shè)計(jì)賽車的？展示賽車圖片后，并提問賽車的設(shè)計(jì)有些什么要求？

學(xué)生觀察后，交流討論，進(jìn)行匯報(bào)：①輪胎的設(shè)計(jì)要增大摩擦，避免打滑;②要有能提供足夠動(dòng)力的裝置;③對車的設(shè)計(jì)，我們應(yīng)注意要使得行駛更穩(wěn)定;④車身的設(shè)計(jì)應(yīng)該使得行駛速度快，減小行駛阻力等等。

注：STEM教育理念——設(shè)計(jì)制作過程中技術(shù)手段（T）的運(yùn)用

（3）設(shè)計(jì)、制作我們的小賽車。教師進(jìn)行提問：既然我們知道工程師是怎樣去設(shè)計(jì)小車，那么我們自己的專屬小賽車應(yīng)該怎樣去設(shè)計(jì)呢？學(xué)生交流思考，分組討論設(shè)計(jì)方案，最終確定設(shè)計(jì)方案。根據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案，小組在教師的指導(dǎo)下領(lǐng)取材料，學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行賽車的制作，制作完成后小組與小組之間并進(jìn)行一場賽車會(huì)。

注：STEM教育理念——工程設(shè)計(jì)（E）、小車尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及草圖的繪制（M）

（四）小結(jié)

該教學(xué)實(shí)踐案例將STEM教育理念具體運(yùn)用于指導(dǎo)小學(xué)科學(xué)課教學(xué)，并根據(jù)教學(xué)情況，對基于STEM教育指導(dǎo)下的小學(xué)科學(xué)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)模式進(jìn)行了修改與完善。該教學(xué)取得了極佳的教學(xué)效果，學(xué)生對這種上課方式表現(xiàn)出了極大的熱愛與興趣，課堂學(xué)習(xí)氛圍濃厚，學(xué)生思維積極活躍，紛紛提出設(shè)計(jì)方案，并通過小組合作明確分工，有秩序、有組織的設(shè)計(jì)并制作賽車，在此過程中增強(qiáng)了他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，合作解決問題的能力得到提高，學(xué)習(xí)信心與樂趣得到了增強(qiáng)。

三、結(jié)語

STEM教育理念下的小學(xué)科學(xué)教學(xué)實(shí)踐教學(xué)，以問題或項(xiàng)目為主題的活動(dòng)形式呈現(xiàn)教學(xué)時(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)鞏固科學(xué)知識的基礎(chǔ)上，更加突出了學(xué)生的主體地位。還增強(qiáng)了發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。小學(xué)科學(xué)的教學(xué)方式單一化問題在STEM教育理念的整合下得到很好的解決，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性得到極大增強(qiáng)[7]。在STEM理念指導(dǎo)下的教學(xué)中，合作交流和實(shí)際操作成為學(xué)生獲取科學(xué)知識重要途徑，成為教學(xué)不可缺少的理念指導(dǎo)。教學(xué)方式由教師直接講授轉(zhuǎn)變?yōu)橛山處熤v授、小組合作、自主探究等多種教學(xué)方式相結(jié)合的方式，教學(xué)效果得到了很大的改善。

基金項(xiàng)目：貴陽市財(cái)政支持貴陽學(xué)院學(xué)科建設(shè)與研究生教育項(xiàng)目[HC-2020]

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