STEM視野下的科學教學再設計及其思考

劉仕勃

摘要：作為當前教育熱點的STEM教育，強調綜合運用科學、技術、工程和數學等相關領域知識解決生活中的實際問題。本文結合小學科學教學活動案例，思考如何在STEM理念的指引下創新學習形式，通過創設情境、驅動思維、創新材料等途徑，讓學生體驗“工程”、“設計”、“技術”給科學學習活動帶來的幫助，重構科學教學的過程，落實科學核心素養。

關鍵詞：STEM;跨學科教學;工程;設計;技術

近些年，STEM始終是科學教育界非常關注的一個熱點。美國學者艾布特斯（Abts）使用“元科學”（Meta-Duscipline）一詞來描述STEM，即表示它是科學、技術、工程和數學等學科知識的整合（Morrison，2006）。因其跨學科教育方式及在真實場景中解決復雜問題的屬性，STEM成為很多學校和教師落實學生綜合能力和素養提升的載體。

科學課程的核心目標是培養學生的科學素養，既有科學知識層面的，更有科學方法、科學精神、科學能力等方面的綜合素質。而STEM的優勢正是融合各學科的共性特征，同時發揮各學科的自身優勢，引領學生積極主動地參與到學習中去，培養主觀能動性和動手實踐能力，并運用科學思維去分析、處理實際問題的能力，訓練和培養學生的創新思維能力和質疑精神。

STEM為我們的科學教學開辟了新的思路，是對探究式學習的完善和補充。通過運用STEM理念對科學教學進行再設計，也讓我對STEM有了更深入的認識。

[緣起]

在某次區小學科學教師培訓中，我嘗試著執教了五年級科學下冊“時間的測量”單元的《用水測量時間》一課，并且在導師和學員的幫助引領下，對教學設計進行不斷的改進，進行了二輪、三輪的課堂教學與研討。

《用水測量時間》一課的目標定位，就是通過教師提供的簡易裝置，經過多次測量，理解流水（滴漏）的流速特征，從而理解水鐘計時的原理。我最初的教學設計流程是：

這樣的教學過程基于教材的設計，通過兩次測量100毫升水需要的時間，學生發現兩百毫升的水流出來同樣量的水所需時間是差不多的，但是通過后續的三次測量活動，又發現其實水流的速度是越流越慢的。在這個基礎上，老師去指導學生控制水流的速度，想辦法讓學生保持水流的速度保持不變，同時去感受、解釋古代水鐘計時的奧秘。

初次教學，課堂上學生的探究性很強，整堂課都在不斷地進行思考、討論、實驗、測量，思維的層次性也在逐步地深入。但是整節課足足上了50多分鐘，課堂的效率得不到保障。分析原因，我們覺得教學過程中，實驗操作的難度大，測量的數據多，控制水流的速度不變的環節，對實驗數據的準確性要求也很高，老師往往需要提醒學生注意很多細節，這方方面面都需要時間上的保障。

針對對上問題，我又進行了教學改進，在整體思路不變的情況下，根據學生的思維層次，刪減和改變了測量的次數與順序，進一步優化課堂效率。

改進后的教學，課堂效率得到很大的提升，但是這堂課我還是上得特別累。為了培養學生的證據意識，我們在盡力地追求實驗的準確性，在實驗的設計特別是數據的采集過程中花費了大量的精力，一個不留神，學生就會出現數據上的問題，于是乎數據成為決定課堂效率的關鍵。為了追求數據的準確性，還要考慮實驗材料的選擇、處理、改進，還要考慮計時工具的選擇、訓練，還有指導小組合作的規范性、數據分析的科學性……，但即使我們這些做得再規范，數據的誤差還是不可避免的，從這個角度去考慮，數據成為證據又變得很矛盾！

特級教師曾寶俊老師的一番話更是讓我對這堂課有了新的思考，他說這樣的教學最大的問題是忽視了時間測量的本質其實是時間的恒定性。我們讓學生測量用水來計時間的目的，是為了讓學生理解時間的本質，這才是本節課的核心。如果連本質的東西都去除掉了，那么我們怎么可能去理解真正意義上面的時間呢？

[改變]

科學關注的是研究科學規律來發現科學規律，而我們的教學如果始終圍繞“規律”來展開，那還不是停留在科學知識的教學層面嗎？運用STEM教學理念，在更真實的情境中強調“發現規律”的過程，強化經歷和體驗的過程，注重高層次思維習慣的發展，會不會讓學生覺得更有趣，教師教得更輕松呢？我進行了新的嘗試。

●STEM教學目標定位：

目標 知識與技能 過程與方法 情感態度與價值觀

S（科學） 在一定的裝置里，水能保持以穩定的速度往下流; 通過人類根據這一特點制作水鐘用來計時; 培養細心觀察的習慣

T（技術） 水的滴漏速度和水位有關; 分析水鐘的計時原理，并嘗試運用相關的方法加以改進; 勤于分析推理的態度

E（工程） 運用模型思維設計和制作水鐘裝置; 能夠制作一個相對“精確計時”的水鐘; 用心解決問題的精神

M（數學） 通過數學的測繪，理解流水為什么能夠用來計時。 多次測繪為“證據”提供更科學的保障。 明確“標準”的重要性。

●教學設計一般流程：

●具體教學設計：

《用水測量時間》教學設計

教學過程 教師引導 學生活動

主題和任務 1.你知道古人有哪些計時的方法？

2.水可以用來計時嗎？

3.今天我們就一起來制作一個用水測量時間的“水鐘”。 1.體會古人計時的局限性;

2.明確任務。

設計與交流 1.如果老師給你提供常見的可樂瓶，根據你的理解，我們可以設計制作一個怎樣的計時裝置，畫一畫“設計圖”。

2.你們的設計圖有什么相同和不同的地方？ 1.設計“水鐘”裝置圖，展示;

2.指導理解“泄水型”和“受水型”兩種類型水鐘的共同點和區別——刻度。

制作與改進 1.首先讓我們一起來組裝一個“受水型”水鐘。

2.如何給這個滴漏器標注刻度，使它成為一個真正的“水鐘”？

3.小組分工合作，一起給“水鐘”標上刻度。

4.讓我們一起來比較一下，每個小組的“水鐘”刻度有什么相同和不同的地方？

5.分析原因，是什么造成的？

6.觀察日晷和時鐘的“鐘面”刻度，發現什么？

7.有什么辦法讓刻度變均勻呢？

8.怎樣用實驗來驗證我們的猜想？ 1.利用現有材料小組合作制作一個滴漏器;

2.觀看微視頻，了解給滴漏器標注刻度的過程和方法;

3.分組活動，10分鐘內完成，展示;

4.比較刻度的相同之處（都是上寬下窄）和不同之處（間距不同等）？

5.引導學生理解“水位”和“水量”。

6.明確刻度與“等時性”的關系。

7.大膽思考，提出意見;

8.分組10分鐘完成驗證活動，實驗后交流各自的發現：控制“水位”和“水量”就可以控制水鐘的流速。

產品更新 1.用改進后的水鐘進行計時比賽;

2.有什么辦法進一步的改進，讓水鐘更方便和更精確？提出你們的設想。 1.進行計時比賽，比一比哪一組的水鐘計時更準確;

2.在設計圖上進行設計，并展示和交流。

●教學改進后的思考：

以前在上完這一課，也有的老師質疑，這一課究竟是“用水測量時間”還是“用時間測量水”，說明我們針對事物的潛在規律展開的探究活動，思維的局限性太大，太追求規律的量化特征而把問題復雜化了。基于完整情境的以模型思維方式解決“計時”問題的學習方法，較之前的以“測量”為主導的學習過程，學生的活動更有目的性，活動過程中的實踐性更強、思維主線更清晰。最重要的是，淡化大量的測量過程，讓本課的探究活動不再受限于數據的束縛，而同樣能得到證據的支撐，在學生“發現規律”的過程中，得到體驗的快樂、思維的提升，同時加深了對時間本質的認識，明確“標準”的重要性。

[思考]

STEM以實現跨越學科界限提高學生解決實際問題能力的教育方式正在悄悄改變我們的教學課堂。但是STEM不是教學最終目的，不能為了整合而整合，而是為了讓學生有更多、更全面的學習方式;不是根據STEM來選擇或設計教學內容，而是選擇不同課程的內容，對科學基礎課程進行有效補充和拓展;不是以制作產品為導向，而是從發展學生的綜合素養出發，滿足學生的學習興趣和學習需求……所以，清楚STEM的定位，才能把握STEM的方向。

基于學科屬性的STEM教學，其核心在于營造更接近真實的情境，綜合運用各領域內學科知識和技能，解決生活實際問題的嘗試。結合自己的教學實踐，我覺得運用STEM理念去改造教學、提升教學，應根據教學的實際情況，從教學內容、學生學情、結構化材料等方面去思考，推陳出新，并可以從以下方面去大膽嘗試。

一、情境驅動，體驗“工程”的樂趣

在更接近真實的情境中體驗生活是STEM重要而有意義的組成部分。在STEM中，我們所說的“工程”其實本身就是一種情境化學習方式。通過情境產生問題，驅動興趣，讓科學、技術、數學等學科知識通過相關學習活動形成連貫的、有組織的課程結構，學生的認知與學習發生在完成任務和解決問題的過程中。科學課的特點決定了這種情境更具有實踐性，學生可以通過“做中學”來培養相關學科技能，以實踐為依托將知識技能內化和外化。

在科學課的教學中，我們要結合教材內容，整合加工，延伸貫通，拓寬內涵，并利用材料的屬性和特征，創設一種類似“工程”的虛擬情境，讓學生體驗“設計”、“制造”、“改進”、“發明”等一系列過程，在產生問題、思考問題和解決問題的過程中感受“工程”的樂趣。

在《用水測量時間》一課的教學中，從研究簡易水鐘到制作簡易水鐘本身就是一種突破。在這種體驗古人偉大發明的活動中，讓學生經歷一個看似簡單，實則不易的認知過程，經歷一個先想后做、再想再做的活動過程，經歷一個現象-問題-假設-證據的思維過程，他們的收獲肯定是非常全面的。

類似的課再比如六年級上冊《建高塔》一課，聯系生活構筑虛擬的“工程”情境（建高塔），讓學生有更明確的學習主題和任務（經受住自然考驗，更具穩固性），學生對學習內容的關注度更高，更有興趣投入到學習活動中來。當然，虛擬的工程情境畢竟有其局限性，無論是材料（塔）、還是模擬的自然環境（風、地震），都可能和真實的環境區別較大，但是我們可以盡可能地貼近生活，創造條件（用電扇、地震模擬器等）使其更具有挑戰性，更具有操作性，更具有內涵性，讓科學教學走出教材的限制。

二、思維引領，體驗“設計”的樂趣

工程的關鍵是設計。我們絕不能把STEM單純地看作是以產品制作為主導的學習過程，把制作過程教給學生，讓他們去制作一件手工作品的活動不是科學探究，更不是STEM所追求的工程和技術內涵。華南師范大學胡衛平教授說過，STEM最核心的過程不是操作，而是設計，而設計的關鍵是思維。教師要善于指導學生針對“工程”內容進行整體構思，從制作方法、制作順序、材料選擇、工具使用以及可能出現的問題等方面進行綜合考慮和謀劃，充分調動學生的已有知識和經驗，發展學生的溝通、協作、交流的能力，培養學生的耐心、細心的態度，這些遠比完成作品更重要。設計的過程可以促進知識的融合與遷移運用，通過作品外化學習的結果、外顯習得的知識和能力，是STEM的核心內涵。

《用水測量時間》一課，設計一個“水鐘”，學生看似簡單的做一個滴漏計時器，實則在設計的過程中會遇到各種問題，例如材料方面，選擇規則形狀還是不規則形狀的瓶子;制作方面，怎樣連接滴漏部分和接水部分是最好的;計時方面，怎樣設置起始時間，怎樣來表示時間等等，這些問題需要教師適時的引導。

當然，讓學生設計，也不是天花亂墜地胡亂構思，也要遵循一定的方法和原理，最好在限定的框架內發揮學生的發散性思維能力。

例如《做個太陽能熱水器》一課，平常的教學教師會先讓學生直接來設計一個簡易的太陽能裝置，但是學生往往會受限于生活經驗和能力，而不知道如何下手，設計的圖紙當然不切實際。一位老師在上這一課的時候，給學生準備了統一的瓶子，瓶子里裝上了溫度計，并且告訴學生可以在瓶子上插上如下圖一這樣的管子。而同學們要做的就是考慮管子的布置方法，怎樣讓管子里的水盡快地升溫。由于切口較小，學生可以利用所學知識和自身經驗思考方案，并利用身邊的材料進行制作改進。于是就會有如下圖二、圖三這樣的“產品”。

三、材料輔助，體驗“技術”的樂趣

只有“設計”環節的教學過程不是真正意義上的科學探究活動，科學教學的過程本身要體現的就是“做中學”的理念。因此，教學過程要創造條件，給學生動手實踐的機會，在設計的基礎上，為學生準備必要的材料，并且重視材料的結構性，發揮其技術優勢，為學生的制作活動提供幫助，培養創新思維能力。

材料是技術的載體，教師給學生準備的一些“特殊”材料本身就蘊含著科學技術的原理，學生使用和操作材料的過程，就是使用技術搜集、分析數據，設計、測試和改進一個解決方案的過程，所以切合學生的實際的、富有技術層面思維含量的材料往往能給教學帶來意想不到的效果。當然，學生的學習能力決定了他們理解材料的片面性，所以也需要教師必要的、適時地引導，以及學生的相互交流溝通，從材料上去體會“技術”對“工程”的重要性。

《用水測量時間》教學中，教師讓學生設計的是“泄水型水鐘”的整體框架，而一些細節上的處理而以材料呈現的方式讓學生去自我消化。比如滴漏器中間的連接裝置，我采用的是雙管通道（如圖），通過和學生的交流讓他們明白這樣做的原理是因為空氣占據空間，下面接水容器中的氣體出不來，水是進不去的。同時在這個基礎上，讓學生考慮如果給一個通道裝上一根軟管，不讓氣體出來水進不去，讓氣體出來水就進去，不就做成了一個水鐘的“開關”嗎？學生通過嘗試，體驗到了“技術”給制作帶來的樂趣。又如五年級上冊《怎樣得到更多的光和熱》一課，教師設計一個拓展性活動-顏色與吸熱性能的比較。老師設定的框架就是以材料為基礎，給如下圖一的兩個大小相同的瓶子設計一個裝置，想辦法比較等量的水在相同時間誰吸熱快。老師給學生預先準備的材料有很多，如溫度計、玻璃管，塑料管等等。給學生充分的設計、制作和交流時間，學生設計出了很多這樣優秀的“產品”（如圖二）。

結語

STEM是一種理念，是對“做中學”教育思想的升華，是對探究式學習的完善和拓展。在STEM理念的指引下，創新科學學習方式，充分發揮科學的探究性、工程設計的整合性、數學的工具性以及技術的驅動性，重構科學教學的過程，讓學生積極主動地參與到學習中來，培養學生分析、處理實際問題的能力，才能真正培養科學核心素養。

參考文獻：

[1]義務教育小學科學課程標準[M].北京師范大學出版集團.2017版

[2]李元通.STEM 教學引入小學課堂的策略[J].科學教學，2017.

[3]王玲玲.基于STEM的小學科學課程設計研究[D].上海：華東師范大學，2015.

[4]蔣志輝等.STEM教育背景下中小學生學習力培養策略研究[J].中國電化教育，2017.

[5]薛仕靜.“STEM教育+”：基于科學的學科融合教學的策略[J].教學月刊，2019.

[6]樓曙光.基于STEM教育理念的小學科學教學策略[J]. 中國校外教育，2017.