STEM項目學習，驅動科學課堂

蔣際君

(福建省尤溪縣實驗小學 福建 尤溪 365100)

1.理論依據與模式

2010 年以來，西方世界刮起了一股STEM 教育的科學教育改造之風。人們之所以要提倡從更加綜合跨界更加強調動手實踐、體驗學習角度來學科學,是因為隨著移動終端為載體的智能化信息技術向各大生活、工作領域的全面滲透,人類的生活、生存方式將面臨巨大的改變。這對生活在這個時代的人的素養要求提出了極大的挑戰。人們只有具備面對現實世界、綜合跨界的思維方式和分析解決問題的能力,才能從容面對這些變化。

STEM 教育就是集科學、技術、工程、藝術、數學于一體的綜合教育。STEM 代表科學(science),技術(technology),工程(engineering),數學(mathematics )。為了讓學生在學習科學的過程中獲得更綜合的知識、創新的思維和實用的技能，更深刻地理解科學技術的本質，科學教育專家提出以STEAM 項目研究的方式讓學生學習。

STEM 教育從形態上講不是一門課程,而是一種以分析解決現實問題為載體，以動手實踐和體驗學習為途徑的教育方式。所以至今為止,STEM 教育有從建筑、交通、機械、醫學、農業、能源、生物、環境、食品等各類工程角度提出來的STEM教育活動包，也有從跨學科角度提出的設計、制作、建模，創意等活動任務包。這些STEM教育的共同點是關注了人們對科學內涵的多角度、多元素的大綜合教有。包括知識和技能、探究方法和能力、情感和態度、科學的價值觀和信念，所以它是一種以解決現實問題為主的大概念科學教育。

隨著科學學科內涵的不斷拓展，科學學科的課程結構越來越難以駕馭。美國科學家提出了當代的科學課程應該是由核心概念、實踐、跨學科概念三元素，像梳小弊一樣相互交織在一起組成的三維課程。但這也只是一種解釋性描述,并沒有一個清晰可供參照的結構性實施操作流程。這是小學科學課程建設的兩難命題:假如把學科定義為單一教學目標，采用簡明的教學內容,可以有清晰的課程結構和便于操作的教法和學法,教師的教與學生的學都很方便,但是學科的教育功能會因此縮小;假如不斷擴大學科的教育功能,采用全方位的學科教學目標，多元綜合的教學內容,主題式活動課程結構和實踐體驗式教與學的過程,則會對教師如何教、學生怎樣學提出更高的要求。

STEAM 項目學習可以讓學生學會如何進行技術與工程實踐活動，也培養出批判、創造等各種能力。特別是本領域強調以動手實踐或實地觀察的方式進行學習，使學生獲得處理事務、解決問題的能力。通過實踐活動也讓學生了解到技術與工程實踐過程中，細心、面心，務實和實事求是的重要性。本領域內容的學習能夠做到科學教育與工程技術教育的整合，可以增強學生對科學以及科學、技術與工程之間關系的理解，為將來形成正確的科學觀和社會價值觀打下基礎。同時學生也了解到科學與技術的發展對人類生活的影響，學會使用和管理科學與技術以適應現代化的社會生活。

2.構想與框架

STEM代表科學、技術、工程和數學，是一種新型綜合性教育概念，也就是改變以往的分科制教學，將科學、技術、工程和數學進行學科間融合，對學生進行綜合性教育，使學生靈活掌握多種領域的知識，能夠在解決科學與數學問題時，與生活實際相結合，更有助于培養學生創新性思維，獲得更大進步和成長。

2.1 在STEM理念引領下，設計科學探究活動。獲得學科的綜合知識、思維的創新和技能的應用是為了讓學生在學習科學的過程中能更深刻地理解科學技術的本質，科學教育專家提出以STEM 項目研究的方式讓學生學習。提出問題是科學學習的最初起點,如怎樣讓杯子的水更快的變涼?工程學則源于需要解決的某個難題。例如如何樣讓房子更保暖? 看似沒有關聯的兩個問題，其本質卻都是物理中能量的傳遞知識。當教學圍繞這個本質展開時,就有了一條隱形的線索,將科學和工程問題有效地結合在一起。可見,STEM 的教學并不是簡單地將科學與工程組合起來，而是要把學生學習的零碎的知識與技術過程轉變成一個探究世界相互聯系的不同側面的過程。在科學、技術、工程、數學之間存在著一種相互支撐、相互補充、共同發展的關系。如果要了解它們,尤其是它們之間的關系,就不能獨立其中任何一個部分，只有在交互中，在相互的碰撞中，才能實現深層次的學習、理解性學習，也才能真正培養兒童各個方面的技能和認識。可見,當教師在考慮如何將STEM 教育引入中小學科學課堂時,必須將它們看作四種彩線,交織、融合在一起,才能織出絢麗的畫卷。

2.2 在STEM資源背景下，優化科學探究活動。STEM教育堅持動手“做科學”,要讓學生自已探索制作的方法和技巧技術與工程領域的教學提倡“做中學”，在實際的操作過程中，學生把自己的想法用作品體現出來,將極大地加深學生對知識的理解。理論是智慧的結晶，技術卻是物質形態,制作的過程實際上是應用演繹法來實踐技術制作的過程。從設計到動手,再到美化,是動手操作的一系列程序,在這些環節中，教師要引領學生思考,讓演繹推理參與整個實際制作的過程。沒有思維參與的制作，是沒有教學價值的活動。而一切思維的關鍵在于學生所學的理論知識在本課中是否能夠靈話運用，能否在實際的動手操作過程中進行思考,把所學的理論知識融會貫通到課堂教學中，是否遵循演繹法的教學規律。在工程實踐活動中，要給學生主動探索的空間,即要讓學生自己去嘗試,通過個人的經驗(即使是失敗的經驗)來學習,面不是向學生灌輸技能、技巧。否則，學生就變成了“手工匠”，學生的學習也就變成了機械訓練。

2.3 在STEM主題活動中，拓展科學探究活動。根據小學低年級學生的認知水平和年齡特點,在此階段要讓他們更多地體會科技產品給人們帶來的各種各樣的便利、快捷和舒適,如電燈給人們照明帶來的方便、手機給人們通話帶來的方便等，體會技術與工程的產品能夠讓人類生活得更加舒適和美好，當然,也要知道如何安全妥善地使用生活中的常見的工具，如剪刀、鉗子等。學生還可以認識生活中常見儀器和工具，了解它們對人體器官的拓展功能,如顯微鏡、傳感器等。了解常見的數字傳感技術和傳感器，知道現代數字傳感技術高度發達,能夠更精確地測量和工作。到了中年級,學生需要了解與人類生產生活密切相關的六大技術領域的相關產品，并且能夠說出制造技術、運輸技術、建筑技術、能源技術、生化技術、通信技術的產品。例如，人類需要著衣裳遮身避寒、抵御野獸攻擊和傷害——紡織、印染、縫制技術,武器制造技術等;人類需要出行、車、船、飛機來運輸貨物——運輸技術;人類需要住所以避-建筑技術;人類需要各種能源來照明取暖——能源技術;人類需遮風擋雨和交通方便要獲得穩定的食物來源和醫治疾病——醫療生化技術、農作物栽培、家禽飼養技術;人類需要交往、保持聯系——通信技術。學生通過這個階段的學習,要能夠說出每個技術須域主要的技術產品，了解該領域的一般技術原理,例如,知道聲音、光等可用來傳播信息。

3.實施思路與策略

我校從2009年以來，發揮科技教育特色和優勢，投入30多萬的資金購買多套適合小學生搭建、編程使用的機器人器材，開展集教育性、科技性、趣味性于一體的以機器人為載體的STEM項目教學活動；2014年建立了機器人實驗室，配備了STEM項目教學訓練專用教室，成立學校機器人教學中心教研組，開發了STEM項目校本課程《小創客——玩轉樂高機器人》、《小創客——玩轉Arduino開源機器人》、《小創客——簡易機器人結構設計與程序邏輯》，以及配套的低、中、高年級學生使用的學習手冊。具體的校本課程(樂高)：慣性小車-回力小車-動力小車；社團課程*創客(microbit+樂高)：賽道接力-足球小車；社團課程*編程(python)：C(語言)+Python；創新課程*綜合創新：FLL-WRO-創新大賽-創意編程；創新課程*綜合創新：3D打印-激光打印-無人機；樹莓派一體學習平臺的學習平臺。STEM項目校本課程面向我校全體學生，實現學校“開放式STEM項目課程”和“個性化社團STEM項目活動”的有機融合，創造性開展“普及+競賽”的教育模式。

開放式STEM項目課程個性化社團STEM項目活動對象五年級全體學生對象一至六年有興趣的學生教材《結構設計與程序邏輯》教材低、中、高活動手冊課程每周一節校本課程課程每周兩節社團活動目標通過校本課程的實施,普及機器人基礎知識,初步培養學生的創新意識和實踐能力,培養學生喜歡探究新事物,能面對問題,克服困難,不斷求解的思維品質。目標以低、中、高機器人活動手冊為基礎課程,結合每年FLL機器人工程挑戰賽主題規則,培養學生應用機器人進行設計、搭建、編程來解決現實世界中的問題綜合創新能力。

歷經十多年的不懈努力，我總結、提煉，匯編了三大STEM項目教學體系：通用課程(活動為主)-分學段活動(任務為主)-綜合創新(競賽為主)

3.1 以活動為主的STEM項目教學樣式。以活動為主的STEM項目教學,無論是單一的方法訓練活動,還是一個相對比較完整的全過程探究活動,呈現的內容主要以提出并展示活動為主，所以不能像一般教科書那樣采用大段的文字敘述做課文。STEM項目教學與普通學科課堂教學最大的不同在于以機器人為載體的STEM項目教學是以探究學習為主的教學過程，不是單一的理論知識的學習，也不是理論邏輯的推理，而是用機器人的套件作為學習平臺通過自主設計、合作搭建制作出機器人的結構。這些積木件是物理存在的，不是虛擬的搭建，更不是純理論的演繹推理。這些結構的設計和動手制作能充分發揮學生想象力，培養學生的動手能力和創造力。如教學“滅火機器人”這一課時，學生使用各種結構零件、傳感器等，根據走迷宮的實際需要來設計搭建一臺機器人。有的學生設計出的機器人跑的速度快，有的跑的慢，學生互相比較后發現是由于齒輪的轉速比不同造成的，學生總結后進行多次改進終于達到了理想中的速度。教學中學生通過反復的動手，明白了設計搭建機器人要符合物理工程、力學等科學知識。運用積木件，學生從設計到搭建，不但理解了機器人結構設計與搭建的奧妙，也使手變得靈妙起來。以機器人為載體的STEM項目教學嘗試把一個個從問題的提出到得出結論,相對比較完整的科學探究活動作為科學教材的內容單位,強調圍繞問題解決的綜合科學探究過程體驗,不再把單一的科學探究方法作為主要的訓練對象。

3.2 以任務為主的STEM項目教學樣式。隨著科學教育從知識技能教學轉向以發展學生的科學素養為主，人們越來越感到課堂教學在時間與空間上的局限性。課堂里能夠完成的探究活動往往是事先精心設計的高結構活動,只能涉及探究的一個或幾個環節，一個或幾個內容點，學生只需按程序走,既不充分也不完整。由此習得的探究能力也是機械的、碎片的,并不能培養學生獨立、完整的科學探究能力。以機器人為載體的STEM項目教學不是單純的一次活動或比賽，更不是純粹為知識的接受而學習，而是通過學生的機器人實踐活動作為平臺來提高學生科學探究的能力，從而提高學生的科學素養。與此同時，把在STEM項目教學中培養的科學素養與科學小發明等其他的科技活動結合起來。鼓勵學生大膽地將以機器人為載體的STEM項目教學實踐活動所學的創新知識應用到生活和學習中，激發他們創新興趣，提高學生們的創新精神和實踐能力。例如：有位學生在上了《傳感器的認識及使用》這一模塊后，和我交流了想法：有一次他到打印室領取半期考試卷，發現打印室的老師在打印全校學生的試卷時，每打印50份試卷后，打印機暫停，取出試卷，再啟動打印機，打印室的老師重復這樣的操作直到全校的試卷打印完為止，忙活了一上午，比較辛苦。學生產生了“利用機器人套件，應用傳感器功能，設計一個能自動分發打印試卷的輔助裝置”的想法。學生經過兩個月的研究，成功研制出了“打印機、復印機紙張智能分發裝置”，使用時只要輸入打印的總數和每個班的具體數量，啟動后打印機智能地分發好每個班的數量，不用人工分發，作品參加當年的福建省青少年科技創新大賽榮獲一等獎。因此，一種以任務為主的STEM項目教學出現了。這種教學采用大單元的內容組織和編排方式,希望圍繞一個探究主題,通過一組相互關聯的探究任務和實驗,讓學生經歷一次過程相對完整的、系統化的科學主題探究活動，以此培養學生的科學探究能力。

3.3 以綜合創新為主的STEM項目教學樣式。這幾年在全球出現了STEM項目教學，試圖把科學教育推到一個更高的層面，與日常生活、生產勞動、技術工程中的現實問題相結合，培養學生認識和解決現實問題的能力,而不只是以往學科教學中的虛擬人造問題。STEM項目教學是一門跨多學科領域的技術，其中囊括了數學、物理、電子、信息技術、機械工程等技術知識。STEM項目教學所用的載體是要對各種零部件認識和使用是物理學中聲、光、電、力等知識最直接的實踐；STEM項目教學所用的知識是物理學中勻速、變速、慣性等力學知識的最好的實驗平臺；作品中機械結構搭建是物理仿生學的直接體驗。作品的程序設計是依靠數學建立模型，實現機器人預期的功能，解決實際的問題。結構的設計與實現是物理知識在現實中建構的過程，程序的算法就是一個高級的數學模型，合理的算法程序是對自動化信息加工和處理的應用。例如：在校本課程學習的最后模塊《創意比拼》中，學生將一學年所掌握的機器人知識和能力，用一個自己喜歡的主題作品來展示。學生制作出了“智能風扇”“智能小區升降系統”“智能小交警”“貨車橫開式車廂后門關閉檢測裝置”“基于橫栓式掛鎖教室電源自動關閉裝置”“農村長途客車乘務智能管理系統”等一大批跨學科，具有現實創新意義的作品。其中“農村長途客車乘務智能管理系統”這一作品學生是利用機器套件開發完成的。學生在生活發現我國家幅員遼闊，農村人口多，客車超載現象在農村長途客車上尤為嚴重。在農村長途客車途經的鄉鎮、村莊站點較多，為了方便客車乘務的管理，客車上除了司機都還配有一名乘務員。學生想開發一套系統來替代客車上的乘務員工作，每位乘客上車后將車票裝入帶有條形碼掃描儀的小框中，掃描儀將讀到的條形碼信息發送到車載數據處理終端，車載數據處理終端及時向客運中心的數據處理終端發送全車乘客的上下車情況，進行全程監控。這一作品的意義在于不僅可以大大降低農村長途客運成本，做到乘務工作無人值守，客運中心還能對每一趟農村長途客車的運行情況實時全程監控，有效遏制超載現象的發生。給予廣大乘客最大限度的人文關懷，大大方便農村老人的出門乘車。學生將機器人課堂教學中學到的各科知識和能力在創意作品中得到應用，學科的技能得到訓練，同時關注社會問題，還培養了綜合創新實踐能力。

由于以機器人為載體的STEM項目教學強調以現實問題為導向的解決方案和經歷體驗，因此涉及的知識內容必然是綜合的、跨學科的，不但要求學生會動腦思考和設計解決問題的思路與方案,還要求學生會動手實踐，自己找材料和工具把頭腦中想到的東西做出來，并能進行展示、交流和評價。在科學、技術、工程、數學之間存在著一種相互支撐、相互補充、共同發展的關系。如果要了解它們,尤其是它們之間的關系,就不能獨立其中任何一個部分，只有在交互中,在相互的碰撞中，才能實現深層次的學習、理解性學習,也才能真正培養兒童各個方面的技能和認識。可見，當教師在考慮如何將STEAM 教育引人中小學科學課堂時,必須將它們看作五種彩線,交織、融合在一起,才能織出絢麗的畫卷。