基于STEM理念的“技術與工程”教學實踐與探索

◇劉遠謹（浙江：溫州外國語小學）

《義務教育小學科學課程標準（2017 版）》將“技術與工程”列為與“物質科學”“生命科學”和“地球與宇宙科學”并列的一個領域。“技術與工程”課程內容明確指出：“倡導跨學科學習方式。科學（science）、技術（technology）、工程（engineering）、數學（mathematics），即STEM 教育，是一種以項目學習、問題解決為導向的課堂組織方式，有利于學生創新能力的培養。”筆者認為，基于STEM 理念的小學科學“技術與工程”的教學研究，是實施STEM 教育的有效路徑之一。

一、審視：基于STEM理念的小學科學教育導向

（一）學習需求：建構項目式學習的一種途徑

學生是課堂的中心，課堂是能夠滿足學生各種需求的重要學習場所。首先，學生的認知特點是多樣的、復雜的和層次不一的，應該得到滿足；其次，學生展示或暴露自己的想法的方式是多樣的，同樣應該得到滿足。因此，STEM 教育理念下的項目式學習可以多方面滿足或順應基于學生認知特點的需求。

（二）方法認可：實現有效教學的一種嘗試

小學科學課堂倡導探究式學習。首先，探究能夠實現多維聚焦，包括實驗前的方案設計、過程中的實驗信息、實驗后的研討交流。其次，學生在這個大空間里形成想象、矛盾和思考。因此，STEM 教育理念下的“技術與工程”提倡以項目式教學方式將學生零散碎片的知識概念與機械過程轉變成一個探究世界相互聯系的學習動態過程。

（三）素養追求：對接核心素養的一種視野

在21 世紀，合作學習、批判性思維、創新創造和溝通交流等4C（collabortion, critical,creativity, communication）能力是大部分國際組織和國家關注的核心素養。STEM 教育理念強調工程設計思維，鼓勵學生像工程師一樣去設計，解決生活生產中的實際問題。

二、架構：基于STEM 理念的小學科學“技術與工程”學習內容

筆者基于科學概念、教學目標、學生學情等視角，挖掘小學科學“技術與工程”領域中的學習主題。以工程設計為核心的STEM 教育和探究為核心的科學學習都是基于前認知進行內容架構，但兩者之間也存在差異（見表1）。STEM 教育更凸顯學科融合思維，關注真實問題情境的學習過程、真實問題解決以及項目物化成果呈現。

表1 分析STEM教育與科學探究的差異性

基于STEM 教育理念與學習進階理論，筆者將“技術與工程”領域的學習內容進行分類，梳理架構低階（滲透—體驗型）、進階（嵌入—應用型）和高階（專題—實踐型）三大實施類型（見表2與表3）。

表2 “技術與工程”領域的科學知識學段目標

表3 “技術與工程”領域的學習內容

三、踐行：基于STEM 理念的“發現—探究—設計—實踐”教學模式

《義務教育小學科學課程標準（2017 版）》指出，通過“技術與工程”領域的學習，養成以最優策略來解決實際問題。為融合STEM 教育和小學科學教學，筆者嘗試提出“發現—探究—設計—實踐”的課堂教學模式（見圖1）

圖1 “發現—探究—設計—實踐”課堂教學模式

整個教學設計模型的建構與細化以活動為出發點，活動要素分別有發現問題、科學探究、工程設計和實踐反思四個步驟，它們構成了課堂教學模式。每個環節中兼具教師活動和學生活動。

（一）發現問題

教師引導學生在真實情境中發現問題并提出問題。基于STEM 教育具有情境性的特點，STEM 教育理念下的教學設計應該將結構化的知識融入真實的情境，讓學生能在情境中發現問題并對問題產生好奇和想要探究的欲望。

（二）科學探究

教師指導學生開展知識建構。基于STEM教育具有實踐性的特點，STEM 教育理念下的科學探究應該鼓勵學生主動參與實踐活動，在實踐過程中加深對科學知識的理解，提升學生的科學素養和解決實際問題的能力。

（三）工程設計

學生基于科學探究的結果開展工程設計。基于STEM 教育具有設計性的特點，STEM 教育理念下的活動設計應該突出工程設計，教師應指導學生了解工程設計的流程，組織學生對研究的問題進行分析，提出設計方案，個人或集體進行方案論證，再選擇合適的材料進行制作與測試。

（四）實踐反思

教師和學生在評價后進行反思與改進的活動。基于STEM 教育具有實踐性的特點，STEM教育理念下的教學設計應該鼓勵學生解決生活中的實際問題，在多次測試過程中不斷改進、完善作品，從而幫助學生進行更高階的項目研究。

基于科學概念、STEM 教育與學情等視角，筆者選擇二年級下冊《做一個指南針》作為教學案例，以此為內容進行STEM 教育理念下的教學設計與實踐教學。并依據小學科學素養評分標準對學生的學習過程和學習成果進行評價，驗證STEM 理念下小學科學“技術與工程”的教學設計的操作性和有效性（見表4）。

表4 《做一個指南針》教學設計

為了得出研究結論，本文需要設計測評工具對常規教學的學生和參加研究教學的學生在學習興趣、問題解決能力和科學素養方面做出比較分析。通過測評結果來判斷STEM 教育理念下小學科學“技術與工程”的教學設計是否有效激發學生的學習興趣和提高學生的問題解決能力。本文確定了兩個研究工具是學生學習興趣問卷調查和小學科學素養評分標準（見附件1、2）。

1.學生學習興趣問卷調查結果分析（附件1）

針對學生學習感受和學習情感給出了3 個不同程度的評價選擇，分別是完全符合3 分、比較符合2分和完全不符合1分。筆者對學生學習興趣問卷調查的結果進行統計與分析，分別計算實驗組和對照組每個學生的得分，并計算出平均分。結果表明，實驗組學生問卷調查的平均分為28.2 分，對照組學生問卷調查的平均分為22.6分，實驗組學生的平均分高于對照組學生的平均分5.6 分。由此可見，STEM 教育理念下小學科學“技術與工程”是能激發學生的學習興趣的（見表5）。

表5 比較分析兩組學生學習興趣得分情況

2.小學科學素養評價標準結果分析（附件2）

評價標準分為科學概念和科學探究兩個維度，針對學生學習的不同表現和學習成果做出評價，分別是1 分、2 分和3 分。筆者對小學科學素養標準的結果進行統計與分析，分別計算實驗組和對照組每個學生的得分，并計算出平均分。結果表明，實驗組學生的平均分為20.1 分，對照組學生的平均分為17.3分，實驗組學生的平均分高于對照組學生的平均分2.8 分。由此可見，STEM 教育理念下小學科學“技術與工程”是能提高學生的科學素養的（具體見表6）。

表6 比較兩組學生小學科學素養得分情況

綜上所述，運用該教學模式開展教學，不僅能激發學生的學習興趣，還能提高學生的科學素養和問題解決能力。