開發STEM教育課程學習資源

◇盧寶生（廣東：佛山市順德區樂從小學）

在STEM 教育過程中，將科學知識學習和考察探究、設計制作、創意創造等融合起來，運用技術和工具的創新使用、數學的模型建構和數據分析、成果的物化表達與交流評價來開展STEM 教育，是實現“教、學、評”一致性的有效途徑。

教師：制訂方案，研究課標與解讀教材，整合技術搜集素材，開發資源，多元評價，改進迭代。

學生：發現問題并提出問題，做出設想制訂方案，利用資源建立模型，項目呈現，分享交流。

通過上述模式，實現STEM 學習資源的構建與實施，在課堂教學中提升學生在探究實踐方面的關鍵能力：科學探究能力、技術與工程實踐能力、自主學習能力。

一、數字技術引領下STEM 教材的教學資源開發

由廣東高等教育出版社出版的《科創和STEM教育實驗教材》中有一些探究活動，需要實際的模型幫助學生進行探究。我們需要一些數字化的建模技術把設計實驗模型制作出來，應用于課堂上，為STEM教育提供可操作的、可探究的學習資源。

（一）激光切割技術賦能的STEM 課程學習資源

STEM 課程中許多探究活動需要給學生提供實際的模型進行探究。運用激光切割技術，能充分體現工程與技術在STEM 教育中的應用。在課題研究其間，課題組成員經過長時間鉆研，開發了一系列STEM 教育資源，通過課堂的實踐與應用，檢驗資源開發對課堂教學的效果。課前準備，我們把設計的實驗模型制作出來，在學生提出問題、制訂方案后，運用這些創新資源進行模型搭建，最終解決問題。如五年級下第二單元“船的研究”，探究活動是讓學生制作不同動力的小船，了解船的動力來源。我們通過創客空間用到的激光切割技術可以為學生設計幾種不同的小船，然后進行實驗對比，在同等動力的情況下，對三角帆、梯形帆、圓形帆小船速度進行比較。還可以進一步研究橡皮筋動力小船的速度。在多年課程資源開發過程中，我們發現，把模型應用于科學實驗探究，能更好地激發學生探究實驗的興趣，培養學生的科學素養。

（二）3D打印技術賦能的STEM課程學習資源

3D 打印技術能完成立體直觀的建構模型，學生可以在小組形成研究方案之后，在電腦上進行3D 建模，通過模型預測解決方法的可行性。如六年級下《轉動的風車》一課，需要學生了解風能的利用，并運用工程技術設計一臺風能起重機。風車扇葉的數量（三葉風車還是四葉風車等）、風扇扇葉的面積都是影響風能起重機動力的因素。沒有配套的學習資源，只能紙上談兵，停留在設計上。在3D打印技術賦能下，學生可以在電腦上設計各種不同大小的風車，打印出來，進行測試，還能通過交流、評價，對自己的設計進行完善。這是基于“教、學、評”一致性理念，過程性評價的體現。

（三）數字化傳感器技術賦能的STEM 課程學習資源

隨著教育信息化的高速發展，對人才培養的要求也不斷提高，從原來的眼睛觀察、紙筆記錄到現在的各種AI 技術、仿真實驗虛擬現實，科學探究已經進入大數據時代，我們需要運用各種數字化傳感器開展更精確的實驗探究。如五年級上《植物需要陽光》一課，植物在進行光合作用的時候吸收了哪些氣體？根據常識，我們當然知道是二氧化碳。吸收了多少？有多快？我們可以借助數據采集器和二氧化碳傳感器進行實驗測試。有了數字化教學資源的賦能，許多定性實驗可以變成定量實驗，學生能更準確地表達觀點、反思探究過程與結果。

跨學科融合的STEM 教育，教學活動離不開各種學習資源的支持。這些學習資源往往需要在項目式學習或主題式學習時進行逆向設計，先把學生的學習效果確定，只有這樣才能實現評價與教師的教、學生的學一致。

二、校園科技活動推動下的STEM 課程學習資源實踐探索

運用激光切割技術開發的一系列教學資源，除了可以應用在日常的STEM 課堂教學中，提高教學質量，還可以助力校園科技活動，讓更多的學生參與到我們的STEM項目中來。

通過校園STEM 活動課程，如科技節、體藝節等大型活動，能讓更多的學生同時參與到STEM課程中來。為此，我們師生共同開發和設計了一系列STEM 校園活動課程的項目資源，讓更多的學生參與到我們的活動中來。近年來，通過運用激光切割技術，我們已經成功設計出一系列校園STEM活動項目，如智能遙控機械手臂、遙控足球小車、氣球對戰小車、乒乓球連發弩、來去自如、液壓挖掘機等科普互動游戲項目。在科技節大型活動中，學生可以參與和體驗創客空間所設計的各種新作品，讓更多的學生投入和參與到我們的STEM 團隊中來。

（一）工程與技術中展風采——校園科技節中的STEM課程

作為校園特色的科技活動，開放的互動主題與充足的活動時間，更能讓學生發揮動手創作能力。課堂上，完成基本科學知識學習后，教師留下創作的項目，讓學生利用教師提供的學習資源，加上自己的創意想法進行設計制作，充分體現工程與技術的培養。2021 學年第一學期，五年級舉辦了一場“我的航海夢”科技模型——船模制作活動。如果只把制作項目和要求交給學生，沒有其他學習制作輔助，他們的方案就極有可能因缺少一個核心零件而無法完成。結合學生的年齡特點，可以適當把項目的難度降低，畢竟小學生不同于高中生和大學生，小學階段的STEM 教育更需要大量學習資源來支撐。我們運用激光切割技術，提前讓參賽學生制作好船的桅桿、電池盒、電動機和開關等核心裝置。通過小組合作，設計、構思、制作出能參賽的小船。

（二）參與和體驗中享樂趣——科普體驗活動中的STEM課程

每學年的科技游園是我校的特色活動。自課題組開發激光切割教學資源以來，我們現在全校每班都安排一個科技體驗項目，以游園活動的方式，全校參與。每位學生都可以參與所有的科技體驗活動項目，盡情地享受科技盛宴。我們把師生共同開發的學習資源分類別、按班級進行管理，每人都能在活動時間內去體驗所有的STEM項目。

科普體驗活動包含聲學、光學、熱學、電磁學、力學、機器人五個領域的體驗項目。學生通過親自操作、親身體驗學習和感受科學原理。項目由佛山市禪城區開普樂創文化活動策劃中心設計。

開發STEM 教學資源的初衷是培養學生的創新精神和實踐能力，努力營造濃郁的科學氛圍，激發學生的學習興趣，發揮學生的潛能，讓學生在活動中充分體驗學習科學的樂趣，能力獲得進一步發展，科學素養得到進一步提升，推進我校素質教育的深入開展。

三、交流與推廣輻射下的STEM 課程學習資源分享

獨行快，眾行遠。在前期的課題研究中，我們運用激光切割技術、3D 打印建模技術以及數字傳感器應用技術開發的課程學習資源，已經在我們的STEM 教育中初見成效。如何讓研究更深入、研究成果更有價值，我們需要把它推廣出去。

（一）以名師工作室為平臺，推廣教學資源

在開發了一系列STEM 課程教學資源后，我們以名師工作室為平臺，把課程展示給區內外的同行，既可以獲得更多的交流機會，也能提升資源開發的水平。2021年的一節STEM 研討課在區名師工作室展示后，受到聽課教師的一致肯定。通過這個平臺，讓更多的教師加入資源開發的隊伍。

（二）論壇+講座，分享資源應用的心得

課堂教學能直觀地展示我們課題研究中教學資源的使用效果，但只能看到研究成果的一個側面，如果要系統全面地認識課題背后的結構和核心，專題講座是推廣課題成果的有效途徑。

本學年，由于在STEM 教學中取得了突出成效，我們還應邀在區內外的同行中分享課題研究的成果。其中，最有價值的就是應邀到華南師范大學物理與電信工程學院為科學教育專業的本科學生舉辦專題講座。

四、資源開發形成的STEM校本課程

按照正常的教育路徑，STEM 校本課程是在現有課程基礎上形成配套的學習資源。但是在技術與材料日新月異的今天，我們可以創新資源推動創新課程的形成。

（一）學習資源的“變量遷移”

所謂“變量”類似于科學探究中的“控制變量法”，在多個影響實驗結果的因素中，以其中一個因素為變量，其他因素為定量作為研究。在學習《太陽能小汽車》一課過程中，我們開發了太陽能小汽車的實驗模型，研究不同面積太陽能板對小車速度的影響。我們可以把研究的變量“太陽能板”遷移到光照強度進行研究，即變成研究同樣大小的太陽能板，不同光照強度對小車的速度影響。還可以研究小車承重能力的影響。

因此，同一種學習資源通過“變量遷移”就可以形成新的研究項目，開發出內容更豐富的校本課程。

（二）學習資源的“項目遷移”

在開發風能起重機學習資源的基礎上，我們可以對風能的利用進行項目的“遷移”。風能可以轉化為機械能，也可以轉化為風能，所以在完成了教材中的學習任務后，我們把學習資源遷移到一個創新的項目中——風力小船。在研究如何利用風能驅動小船前進的過程中產生新的學習任務。遷移的范圍還可以再擴大一些，如風能發電的研究、滑翔機的研究等。

學習資源的開發還可以通過“項目遷移”的方法形成創新的校本課程。

五、創新理念下的實踐探索

（一）技術手段創新——從基礎實驗到人工智能

課題小組利用創新技術開發的STEM 工程技術學習資源，與傳統學習資源項目，是1.0 與2.0 時代的本質區別。在激光切割技術、3D 建模技術、數字傳感器技術支持下，所開發的教學資源從知識概念層面提升到工程技術層面。它不再是用一個燒杯、一個溫度計、一把尺子，做一個實驗探究，而是融合溫度傳感器、超聲波測距等技術于實踐探究中。

（二）學習模式創新——從常規學習到項目式學習

創新的學習資源把原來的課時學習重構為項目式學習，從生活情境中發現問題并提出問題，以問題為導向，提出猜想并設計解決方法。利用教師提供的學習資源進行建模，通過工程技術完成項目，實現問題解決，最后進行交流與評價。

項目式學習指向科學觀念、科學思維、實踐探究與態度責任四個方面的核心素養，符合學生發展規律。在培養學生跨學科能力的過程中，實現五育并舉，在形成態度責任與社會責任中，做到立德樹人。

（三）學習評價創新——從總結性評價到過程性評價

在創新學習資源的推動下，學生的評價除了傳統的紙筆考核，近兩年又引入了實驗操作考核、創新作業評價等評價方式。學生通過完成具體的項目制作，通過錄制視頻、寫美篇等方式呈現在我們開設的公眾號上，學生之間可以留言點贊。通過項目競賽（如空氣動力小船制作、航行比賽、車輛模型比賽）評價學生的工程制作。

通過對STEM 教育資源的開發，在課堂教學中提升學生在探究實踐方面的關鍵能力：科學探究能力、技術與工程實踐能力、自主學習能力。

學生將要面對的是一個人工智能的時代，無人駕駛、AI、人臉識別、語音識別等都是現在科技發展的前沿。課程的建設和資源的開發應該緊跟時代發展的步伐，只有這樣，我們的學生、我們的國家才能在全球發展中提升自己的競爭力。