STEM教育在小學科學教學中的有效融合

王紅妮

【摘要】近年來，STEM教育已成為世界各國推進創新型人才培養的重要方式，也為我國小學科學教學的改革實踐提供了新的視角。為了促進STEM教育與小學科學教學的深度融合，筆者結合自身教學實踐，嘗試采用以工程設計為主線，將學生在學習中遇到的問題與困難轉化為STEM問題，通過工程設計需求驅動學生進行知識與能力建構，再將新建構的知識與能力運用于確定方案、制作作品和不斷優化迭代改進作品中，以促進學生深度學習和創新能力的培養。

【關鍵詞】小學科學；STEM教育；融合；《制作輪子》項目

【中圖分類號】G623.6【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2021）21—0118—03

2017年新修訂的《義務教育小學科學課程標準》中新增加了“技術與工程”領域，與生命科學、物質科學、地球和宇宙科學共同作為新教材中的四大領域。同時，新課標中明確提出倡導跨學科的學習方式，鼓勵教師將科學、技術、工程與數學有機融合為一體，即STEM教育，以項目學習、問題解決為導向組織課程[1]。這是首次在小學科學課程標準中明確體現STEM教育的重要地位，同時小學科學課也成為小學階段普及STEM教育的重要載體。

如何將STEM教育有效融入小學科學教學中呢？新課標明確指出，工程是運用科學和技術進行設計、解決實際問題和制造產品的活動。可見，工程活動本身運用科學、技術、數學等跨學科知識和能力解決實際問題的特點與STEM教育理念非常契合[2]。那么，以工程設計的思路設計教學已成為將STEM教育與小學科學教學進行融合的有效突破口。

筆者結合自身教學實踐，對教科版五年級上冊《運動和力》單元教學內容進行整合與重構，并用工程設計的思維進行STEM教育的設計與實踐，探索STEM教育融入小學科學教學中的有效策略。

一、以工程問題情境為抓手，重構并整合單元教學內容

在教學實踐中，筆者發現，教材中這種單純以課時為單位，碎片化的內容組織形式會影響學生對知識網絡的構建。以大單元視角對教學內容進行重構與統整，開展以問題驅動的項目化學習，使得原本課時中孤立的知識點之間形成相互聯系、相互作用的知識體系。將STEM教育融入小學科學教學中，進行單元教學內容整合，可從涉及技術與工程領域的單元教學入手，如教科版教材三年級下冊《物體的運動》、五年級上冊《運動和力》、五年級下冊《時間的測量》等。

在單元整合過程中，筆者將涉及技術與工程領域單元中學生在學習時存在的問題與困難轉化為STEM問題，以工程設計思維對單元內容進行組織和設計。因為解決工程問題必然會關聯到科學、技術、數學等學科，從工程技術的角度出發設計活動更容易促進學科的深度融合，有助于學生進行深度學習。

如，五年級上冊《運動和力》這一單元，共計8課時，選擇了學生熟悉的小車作為主要研究對象，研究重力、彈力、反沖力等作為動力與小車運動的關系以及摩擦力大小的影響因素，最后以設計制作小賽車作為本單元知識與技能的綜合應用。但在以往分課時教學過程中，第8課《設計制作小賽車》教學時，筆者發現，大部分學生會直接選擇現成的輪子組裝小賽車，只有個別學生選擇圓形的瓶蓋、硬紙板等材料來制作輪子，在制作小賽車的過程中，學生對于輪子的選擇缺乏系統深入的思考，設計制作小賽車的活動也因此流于表面。究其原因，以課時為單位進行教學設計時，學生對于運動和力相關內容的學習停留在知道、了解的低階思維層面，在“設計小賽車”這一屬于遷移應用的高階思維層面任務時，脫離了“最近發展區”，知識與能力的建構均無法完成。

基于教學中出現的問題，筆者萌生了將本單元8課時的教學內容進行整合，以“為一輛小車制作輪子”作為驅動性任務開展STEM項目的想法，主要基于以下幾點考慮：第一，輪子作為小車助動構件，并不是一個簡單的圓環，其正常工作需考慮材料、構成、組裝等一系列問題，也會直接影響到小車的運動快慢及平穩性，以此任務作為項目任務，能夠系統整合本章學習內容，有助于學生基于真實情境的問題解決，提高學生的學習效率。第二，從生活中司空見慣的輪子入手研究其中所蘊含的“秘密”，能夠激發學生的探究興趣。第三，輪子的出現與使用至今已有5000多年的歷史，至今仍排在“人類最偉大發明”的前列，盡管如今科學技術飛速發展，但輪子依然具有研究價值。

二、以工程設計過程為主線，促進STEM教育與科學教學的融合

《課程標準》中指出工程技術的關鍵是設計，而工程設計的基本步驟包括明確問題、確定方案、設計制作、測試、改進完善等環節。借鑒工程設計的思維流程，筆者嘗試將STEM教育融入小學科學課以這樣的思路開展：以工程設計為主線，從學生學習中存在的問題與困難轉化為STEM問題，通過工程設計需求驅動學生進行知識與能力建構，再將新建構的知識與能力運用于項目制作與問題解決過程中，并以多元化的過程性評價方式促進學生綜合素養的養成。

在項目啟動課上，筆者向學生出示了一輛沒有輪子的玩具小車，學生立刻興奮地表達了想要給小車設計制作輪子的想法。接著，為學生四人合作小組提供了硬紙板、可塑橡皮、竹簽等材料以及剪刀等常用工具，學生開始思考如何完成“設計并制作一組能使小車滾得更遠的輪子”這一驅動性任務。學生在小組激烈的討論中，萌發了制作輪子的很多想法。于是，筆者引導學生通過設計草圖將想法可視化，并在草圖中標出使用的材料與尺寸、大小等信息。設計環節完成后，小組學生立刻很興奮地投入到制作環節，按照設計草圖分工協作，為小車制作一組輪子；輪子做好后，學生在測試用的斜坡上一次次測試與調整。當所有小組完成輪子的制作與測試后，筆者組織學生開展了一場“比一比哪組小車滾得更遠”的比賽，比賽分小組突圍賽與冠亞軍爭奪賽兩個環節，學生自己制定比賽規則并確定裁判人選。在激烈的比賽結束后，筆者開始引導學生分析在比賽中獲勝或者失敗的原因，并討論“影響小車運動快慢的因素有哪些”這一問題，在討論中，學生提出輪子的重量、輪子的表面光滑程度、小車的重量、運動斜坡的角度、光滑程度等等。

相比于傳統以課時為單位的教學模式，整合后以問題解決為導向的項目化學習方式，能夠極大地激發學生的學習熱情。在整個工程問題解決過程中，所有學生都能始終保持濃厚的探究熱情，小組討論激烈、共享智慧，專注于問題解決的過程，這在以前的教學中是從未有過的。從學生的學習效果來看，學生在制作并測試輪子的過程中，自發探究影響小車運用的影響因素，基于實際學習需要去進行知識的主動建構，最終完成的輪子不僅外形美觀，也兼具平穩性與行駛速度。

三、以工程項目的迭代改進為契機，促進學生深度學習

工程設計并不是單向的線性流程，而是需要經過不斷反饋、調整的多次迭代過程。有研究者指出，教學需要延遲，延遲到學生出現“學習僵局”，也就是在學生探索失敗不能再解決問題的時候再進行教學，這樣更富有成效。因此，以工程項目的迭代改進過程為契機，給學生足夠的時間和空間，在完成項目成果的過程中，去經歷相關問題的探索和“有效失敗”之后再進行知識和能力的建構，有助于促進學生的深度學習。這就要求教師在課堂教學中，不同于傳統的以講授為主的教學方式，應強調引導學生創造性地解決問題，重視學生在學習過程中的生成與體驗。

所謂生成，指的是學生在已有知識經驗的基礎上，建構新知識的過程。由于學生的經驗是個性化的，即使經歷同樣的學習流程，每個學生生成的知識也不盡相同。在《制作輪子》這一項目化學習過程中，幾乎所有學生都制作了生活中司空見慣的圓形輪子，但有一組同學想嘗試一下為小車裝上方形輪子會怎樣。針對這一原有預設之外的情況，筆者借機引導學生探究“生活中的輪子為什么都是圓形”這一問題。學生通過制作圓形、方形輪子模型，研究不同形狀輪子的運動軌跡，最終發現圓形輪子不會顛簸的本質：圓形輪子在運動過程中，車軸距離地面始終相等。這為學生在后期不斷改進輪子的過程中，保證小車運動的平穩有著非常重要的指導作用。能夠隨時應對學生生成的新問題，這就對教師提出了非常高的要求，在關注學生思維過程的同時，還需要在備課環節對項目主題所關聯的知識有系統深入的認識。

STEM教育強調基于真實情境的問題解決，也就突出了體驗的重要性。從學生的實際需要出發進行整個項目化學習過程的設計，從問題的提出到基于問題情境進行工程設計與制作以及最終產品的發布，都需要給學生提供一個真實、豐富有意義的生活體驗，才能更好地促進學生在問題解決過程中獲得經驗，有能力在不同的情境中進行遷移。

總之，基于真實的工程問題情境，以工程設計過程為思路對單元教學內容進行整合與重構，是將STEM教育融入小學科學教學的有效突破口。引導學生像工程師一樣經歷解決實際問題的過程，能夠促進學生與真實世界發生聯結，有效培養學生的創新能力。

參考文獻

[1]劉韜容，肖化.STEM教育融入小學科學課程的改革路徑與實踐探索[J].基礎教育參考，2019（17）：34-37.

[2]孫燕.STEM教育在小學科學課程中的融合[J].教育科學論壇，2018（32）：39-42.

編輯：張昀