基于STEM教育理念的小學科學教學設計研究

宗若燦

（營口實驗學校）

STEM 教育是融合科學、技術(shù)、工程和數(shù)學于一體的綜合教育，以項目或問題驅(qū)動的方式進行活動，在活動中強調(diào)從多學科、多角度創(chuàng)造性地解決實際問題。在STEM 教育理念下，教師通過創(chuàng)設真實的探究情境，以具體的研究項目為驅(qū)動任務，以問題為引領，通過激活學生的科學思維，引導學生綜合運用所學的知識創(chuàng)造性地解決問題。STEM 教育注重跨學科的學習方式，強調(diào)在探究過程中展開動手實踐，學生能夠通過強化知識的運用，增加實際操作的體驗，激發(fā)學習的熱情，促進與同伴之間的溝通、協(xié)作。小學科學是一門綜合性很強的基礎課程，涵蓋了物理、化學、生物、地理、天文、數(shù)學、勞動等多學科的知識，倡導以探究實踐活動為主要的學習方式，課程內(nèi)容包括物質(zhì)科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術(shù)與工程等領域的知識，每個領域中都包含大量的STEM 教育內(nèi)容。因此，將STEM教育理念融入小學科學探究實踐中，可以強化學生的動手實踐能力，激活學生的科學思維，提高學生解決問題的能力，促進學生的合作交流，更好地提升學生的科學核心素養(yǎng)。

STEM 教育理念的內(nèi)涵是跨學科融合，突出學科間的聯(lián)系，倡導項目式學習，教師要引導學生發(fā)現(xiàn)問題，綜合運用多學科知識，在動手實踐中解決生活中的實際問題。在教學設計時，教師要針對學習內(nèi)容，分析完成STEM 教育所需要的材料、知識、技能、方法，設計出融合STEM 教育理念的教學目標，明確教學流程和教學評價。

一、基于STEM 教育理念的小學科學教學設計整體流程

STEM 教育以項目研究為突破口，倡導學生綜合運用多學科知識，在情境中發(fā)現(xiàn)問題，以解決問題為目標展開科學探究。將STEM 教育理念充分融入小學科學教學時，教師要以項目學習的方式引導學生在真實的情境中發(fā)現(xiàn)問題，在動手實踐的過程中創(chuàng)造性地解決問題。在進行教學設計時，教師可結(jié)合以下教學流程展開（見圖1）。教學活動主要包括觀察發(fā)現(xiàn)、提出問題—科學探究—工程設計—成果展示、評價交流四個環(huán)節(jié)，其中觀察發(fā)現(xiàn)、提出問題環(huán)節(jié)是開展STEM 教育的基礎，工程設計環(huán)節(jié)是開展STEM 教育的核心。各環(huán)節(jié)之間相互影響，有機融合，都注重在問題中激活學生的科學思維，促進學生自主參與探究的全過程，使學生能夠靈活運用知識解決實際問題。

圖1 基于STEM的小學科學教學流程

觀察發(fā)現(xiàn)、提出問題環(huán)節(jié)需要教師創(chuàng)設真實的探究情境，為學生提供充足的探究資源，在此基礎上引導學生進行科學觀察、發(fā)現(xiàn)問題，進而提出有價值的探究問題。此環(huán)節(jié)重在激趣引思，使學生帶著問題開展深度探究?？茖W探究環(huán)節(jié)需要教師引導學生針對提出的探究問題展開合理的猜想，進行驗證假設，經(jīng)歷“提出問題—作出假設—制定計劃—驗證假設—表達和交流”等探究的過程。此環(huán)節(jié)重在提高學生參與的主動性，使學生明確探究的任務，掌握探究的方法。工程設計環(huán)節(jié)需要教師在科學探究結(jié)果的基礎上，指導學生有效開展項目設計。此環(huán)節(jié)重在合理設計方案、進行有效指導。成果展示、評價交流環(huán)節(jié)需要教師為學生搭建展示成果的舞臺，各小組間進行評價交流，不斷完善作品。此環(huán)節(jié)重在作品展示、多元評價。

二、基于STEM 教育理念的小學科學教學實踐應用

基于STEM 教育理念設計的教學活動要體現(xiàn)出多樣化的教學方法、綜合性的知識內(nèi)容、項目化的學習方式、多元化的評價方式，注重對學生問題意識、動手實踐能力、問題解決能力的培養(yǎng)，使學生在動手探究的過程中提高綜合素養(yǎng)。

（一）選擇教學內(nèi)容

“太陽鐘”是蘇教版科學教材四年級下冊第2 單元“地球、月球與太陽”中的第4 課，它是地球與宇宙科學領域的重要教學內(nèi)容。在傳統(tǒng)教學中，教學方法主要以講授法、探究法為主，教師將日晷的計時原理和結(jié)構(gòu)以講述的方式傳授給學生，學生雖然掌握了相關知識，但沒有經(jīng)歷思考的過程，主動學習意識較差。教學過程中，教師缺乏對日晷結(jié)構(gòu)和原理的分析，學生并不能展開深度探究，無法體會到知識應用的價值，更無法培養(yǎng)科學核心素養(yǎng)。“太陽鐘”主題具有綜合性、實踐性、探究性等特點，開展STEM 教育可以激活學生的科學思維，在跨學科學習的探究過程中全面提升綜合素養(yǎng)。

（二）確定學時

主題探究實踐活動是一個長周期的教學活動，本次STEM 教育實踐活動需要7個學時。其中，地球自轉(zhuǎn)的狀態(tài)、北京時間、真太陽時、正南方向、地理緯度等理論知識的學習以學生自主探究的方式開展，引導學生利用網(wǎng)絡及建立模型開展探究，用2 個學時。教師引導學生進行成果匯報與交流，使學生初步理解日晷的制作原理等，用1 個學時。在學生獲得了對日晷的初步認識后，成立探究實踐小組，每組6 人，共7 組，然后分組開展日晷裝置的工程設計，其中包括設計、完善方案的匯報交流等活動，用2 個學時。小組動手實踐，制作日晷作品，用1 個學時。最后，展示與評價日晷作品，用1個學時。

（三）分析教學目標

教學目標除了常規(guī)的三個維度外，還要體現(xiàn)STEM 教育理念的教學目標，具體列出科學、技術(shù)、工程、數(shù)學四個方面的目標要求。針對五年級學生的學習特點、認知規(guī)律和學習基礎，設計恰當?shù)慕虒W目標，可以為學生主動發(fā)現(xiàn)問題、創(chuàng)造性地解決問題指明方向。STEM 教育理念下的課堂有別于其他常規(guī)課，要突出科學知識應用、動手實踐創(chuàng)作、工具技術(shù)使用、工程圖紙設計、數(shù)學實際應用等活動設計。在教學設計時，教師還要考慮為學生提供充足的探究資源。

在學習“太陽鐘”一課時，學生在制作日晷前，要明確日晷的原理、結(jié)構(gòu)、樣式，了解制作晷盤、晷面、晷針、底座等的材料，知道地球自轉(zhuǎn)的狀態(tài)、北京時間、真太陽時、正南方向、地理緯度等常識；在動手制作時，會用適當?shù)墓ぞ弋嫵鲋睆缴源笠恍┑膱A形，會用剪刀、量角器、直尺、膠水、錐子、指南針等工具，制作、黏合日晷的各個部件；在測試時，能對照制作任務方法及要求展開調(diào)試，并能做出合理的調(diào)整和優(yōu)化。本課具體的教學目標設計詳見表1。

表1 “太陽鐘”一課教學目標

（四）教學評價設計

在教學中，教師可采用多元化教學評價，從不同維度對學生的學習能力進行綜合性評價，可以用過程性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合的方式，提高學生的科學核心素養(yǎng)。過程性評價是教師對學生在STEM教育實踐活動中的參與態(tài)度、探究能力、合作意識、交流能力、加工處理能力、繪圖能力、設計能力等各維度表現(xiàn)進行綜合性評分。總結(jié)性評價是教師對學生提交的作品從實用效果、展示效果、耐用程度、美觀程度等方面進行綜合性評分。

（五）具體教學過程

本課是基于STEM 教育理念的教學設計，因此要包含科學、技術(shù)、工程、數(shù)學四個方面的維度，從科學的角度提出問題“日晷的計時原理是什么？日晷的晷面為什么要傾斜擺放？”從技術(shù)的角度探究“怎樣確定日晷的晷面與地面的夾角？”從工程的角度利用合適的材料制作計時準確的日晷，從數(shù)學的角度設計日晷晷面的形狀、計時刻度并分清正南方位。通過創(chuàng)設真實的情境，學生能在科學探究和工程設計制作的過程中主動獲取科學知識、掌握探究方法、領悟科學精神。

1.觀察發(fā)現(xiàn)，提出問題

教師可以通過創(chuàng)設各種問題情境，引發(fā)學生深入思考，提出有價值的探究問題，如播放古人觀察太陽東升西落的動畫，引導學生找出旗桿影子的變化規(guī)律，學生會發(fā)現(xiàn)旗桿影子均速地由西向東移動。教師啟發(fā)學生思考：你能猜測出古人是怎樣計時的嗎？在學生交流后，教師出示日晷的教學模型，讓學生觀察日晷的特點，引導學生從工程師的角度思考，提出問題：日晷的晷針為什么不是垂直地平面，而要傾斜一定的角度？這個傾角到底是多少度？

2.科學探究

教師引導學生根據(jù)“作出假設—制定計劃—驗證假設—表達和交流”的環(huán)節(jié)對晷面傾角的問題展開深度探究。在作出假設階段，教師將日晷的晷面平放在操場上，學生會發(fā)現(xiàn)日晷上顯示的時間與標準時間相差半個小時左右，而當晷面與地面呈現(xiàn)一定的角度后，日晷的計時再次準確起來。這時，教師出示地球儀，引導學生觀察地軸。學生會發(fā)現(xiàn)地軸是傾斜的，地軸與赤道面是垂直的。通過對比觀察，學生激活了科學思維，展開了大膽猜測：日晷的晷面與赤道面平行，晷針與地軸平行，晷針與地平面的夾角等于當?shù)氐木暥?。隨后，教師引導學生制定計劃，用數(shù)學方法驗證晷針與地平面的夾角與當?shù)鼐暥鹊年P系，并用模擬實驗的方法再次進行驗證，再通過交流深度理解日晷的晷針與地平面這個傾角。

3.工程設計

進入工程設計環(huán)節(jié)后，教師要對學生的活動進行適當指導和調(diào)控，使學生在確定完善的優(yōu)選方案后，根據(jù)工程設計的思路進行日晷設計。晷針與地平面的傾角等于當?shù)氐牡乩砭暥?，這個角度是否準確是制作日晷的關鍵。各小組可以根據(jù)自己的方法設計日晷的外形，準確測量出這個角度。各小組沿著“確定問題—設計方案—制定標準—設計原型—效果測試—改進完善—發(fā)布成果”的思路開展日晷裝置的設計與制作。

4.成果展示，評價交流

小組成員可以分工負責匯報的內(nèi)容，介紹日晷的工作原理、使用方法、測試結(jié)果、制作過程和注意事項。在小組成員進行日晷作品展示交流時，其他小組和教師要根據(jù)作品評價單進行打分（見表2）。教師要對學生的作品進行總結(jié)，指出作品的優(yōu)點和設計制作過程中存在的問題。

表2 日晷作品評價單

STEM 教育將科學、技術(shù)、工程、數(shù)學四個學科有機整合，加強了各學科間的聯(lián)系，能夠調(diào)動學生的探究熱情，培養(yǎng)學生的綜合素養(yǎng)?？茖W教師要深刻領會學科核心素養(yǎng)的要求，積極開展STEM 教育實踐，將立德樹人的根本任務切實落實到課堂教學活動中。