基于STEM教育理念的小學科學課程教學設計

［摘 要］ 培養未來科技創新后備人才是當前我國小學科學課程的重要任務。STEM教育理念作為當前科學教育界較受重視的跨學科教育模式，其核心特征是契合我國小學科學課程的課程特征。基于STEM教育理念的小學科學課程教學設計應遵循科學性原則、情境性原則和可行性原則。基于STEM教育理念的小學科學課程設計應先認真研讀課標要求，厘清教學內容，然后依托教材進行大單元教學設計，再進行基于STEM教育理念的課堂教學設計。基于STEM教育理念的小學科學課程教學設計對當前我國的小學科學教育是一項非常大的挑戰，師資水平、教學材料是否齊全、教育部門的政策等都是影響課程教學設計的重要因素。

［關鍵詞］ STEM教育理念；小學科學課程；教學設計

［基金項目］ 2022年度海南省教育科學規劃課題“基于《義務教育科學課程標準》的海南省小學科學課程改革研究”（QJY20221011）

［作者簡介］ 吳小霞（1979—），女，山東泰安人，碩士，瓊臺師范學院理學院教授，主要從事小學科學教育研究。

［中圖分類號］ G622.41 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2025）-07-0029-04 ［收稿日期］ 2024-01-31

STEM（science， technology， engineer and mathematics）是20世紀80年代初期，美國為應對科技發展瓶頸、科技人才培養不足而推行的國家戰略。1986年，美國國家科學委員會在相關政策文件中首次使用STEM一詞［1］。隨著21世紀國際局勢的復雜化，科技創新人才的培養成為各國增強自身競爭實力的關鍵。美國對科技創新人才培養的思考使STEM教育成為當前科學教育界備受重視的跨學科教育模式。

21世紀的科學技術發展日新月異，科學技術對社會的推動作用已成為人類共識，培養創新后備人才已成為當前教育界的主要任務。進入21世紀以來，我國也非常重視科技創新后備人才的培養。2001年，教育部發布《全日制義務教育科學（3～6年級）課程標準（實驗稿）》，將我國小學長期使用的“自然”科目改為“科學”，規定小學科學課程是一門以培養科學素養為宗旨的科學啟蒙課程。2017年，《義務教育小學科學課程標準》規定小學科學課程是一門基礎性課程、實踐性課程、綜合性課程［2］。2022年，《義務教育科學課程標準》規定義務教育科學課程是一門體現科學本質的綜合性基礎課程，具有實踐性［3］。從“科學啟蒙課程”到“綜合性基礎課程”的定位變化，反映出科學課程的地位顯著提升，也表明教育界普遍認可小學科學課程在創新后備人才培養中的作用，STEM教育理念為我國小學科學課程培養創新后備人才提出了可供參考的建議。

一、STEM教育理念的核心特征

STEM教育并非簡單的科學、技術、工程與數學四門課程的組合，然而STEM教育與這四門學科的教學又緊密相連，以整合的教學方式使學生掌握必備的知識和技能，并靈活運用其解決現實世界中的相關問題。因此，STEM教育最核心的特征就是學科綜合性，即學科知識之間應建立彼此關聯的橋梁，建立科學相關知識的關聯性。自然世界事物之間的聯系因為分科研究而不利于人類揭示新的發現，這也成為理工科教育的弊端。實際上，人類歷史上出現的偉大的科學家都不是只習得了某一學科的相關內容，而是多種學科的集大成者。

STEM教育雖涉及工程與技術領域的相關內容，但并非一定要做出某一個產品，盡管STEM教育的誕生具有一定的功利性。因此，STEM教育的第二個核心特征就是強調讓學生動手實踐，即學生通過知識的學習利用教師提供的材料進行初步設計和制作，或者說STEM教育強調學以致用。在知識爆炸的21世紀，單一知識的學習難以使學生適應社會的快速發展，在真實情境中靈活運用所學才能激發其創作靈感。

STEM雖然是科學、技術、工程與數學四門自然科學課程的簡稱，但STEM教育還包含美術、音樂、社會、語言等人文藝術課程。因此，STEM教育的第三個核心特征就是強調藝術與人文屬性。科學技術是把雙刃劍，在人類漫長的發展歷程中，科學技術既為人類謀福利，也曾給人類帶來災難，STEM教育必須重視“人格”塑造。

二、STEM教育理念契合小學科學課程性質

我國的小學科學課程涉及物質科學領域、生命科學領域、地球與宇宙科學領域以及技術與工程領域等方面的內容，是一門綜合性課程。STEM教育理念最核心的特征就是強調學科的綜合性，這與我國小學科學課程的綜合性不謀而合。

我國的小學科學課程一直強調科學探究，認為科學探究既是科學學習的方式也是科學學習的目標，是一門實踐性課程。2022年頒布的《義務教育科學課程標準》突出了科學觀念、科學思維、探究實踐以及態度責任四個核心概念。STEM教育強調讓學生動手實踐，這與我國小學科學課程的實踐性異曲同工。

我國的小學科學課程強調在認識科學本質及規律的基礎上，理解科學、技術、社會與環境之間的關系，養成科學態度與社會責任，具有一定的人文屬性；STEM教育理念還涵蓋美術、音樂、社會、語言等人文藝術，也具有藝術與人文屬性。

英、美等發達國家將科學課作為其小學課程體系的核心課程。我國小學科學作為核心課程的課程地位至今還未得到確認［4］。科學課在我國小學的課程體系中一直屬于副科，師資及教學硬件設施的配備遠遠不及語文、數學等核心課程。然而，小學科學的課程屬性對教師專業素養具有較高的要求，同時需要某些教學材料輔助教學，導致部分地區的小學科學課開設形同虛設。如何上好科學課，如何給國家培養科技創新后備人才是小學一線科學教育面臨的巨大挑戰。

STEM教育在西方發達國家已發展了幾十年，有著非常豐富的經驗可供借鑒，如何將其吸收轉化為適應我國國情的小學科學教育刻不容緩。因此，基于STEM教育理念進行小學科學課程的教學設計是應對這一挑戰的基礎。

三、基于STEM教育理念的小學科學課程教學設計

（一）教學設計的原則

1.科學性原則。教學設計是為教學活動制定藍圖的過程，是教師依據教學對象的特點和教師自己的教學觀念、經驗、風格，運用系統的觀點與方法，分析教學中的問題和需要，確定教學目標，建立解決問題的步驟，合理組合和安排各種教學要素，為優化教學效果而制訂實施方案的系統的計劃過程。

我國小學科學課程的教學對象是6～12周歲的兒童，《義務教育小學科學課程標準》將其分為1～2年級、3～4年級和5～6年級三個學段。小學科學課程教學設計必須充分了解每一個階段兒童的學習心理特點，依據教學對象的特點構建教學內容。因此，科學性是進行基于STEM教育理念的小學科學課程教學設計的首要原則。首先，教師必須在學生認知基礎上構建教學內容，搭建物質與能量、結構與功能、系統與模型、穩定與變化四個跨學科概念的聯結，實現學習進階，避免超出學生的認知范圍。其次，教師對教學目標的確定要科學合理，小學科學應面向全體學生，立足核心素養，《義務教育小學科學課程標準》定位于科學觀念、科學思維、探究實踐以及態度責任四個方面，尤其是對學生科學思維的培養是新課標著重提出的。因此，基于STEM教育理念的教學設計需要在了解學生和教學內容的基礎上，科學設定教學目標。最后，教師對教學活動的安排要科學合理。小學一節科學課的時間是40分鐘，一節課的探究活動可以安排2～3個，每一個活動的開展時間要合理分配。

2.情境性原則。STEM教育就是將教學置于真實的情境中，把抽象的學科知識轉化成生活中遇到的具體問題，通過體驗并感受學習的過程，從而使其獲得豐富的認知。因此，情境設計應是基于STEM教育理念的小學科學課程教學設計的重要原則。我國的小學科學教育長期以知識為本位，忽略科學知識在真實情境中的應用，培養的理論型人才“知道卻不會用”，這對我國創新型后備人才的培養極為不利。基于STEM教育理念的小學科學教學應以小學生熟悉的、具體的、生活化，即尺度小的情境作為開啟學生探究學習的起點，讓其發現問題、提出疑問、經歷科學探究的過程，體驗探究的樂趣。

《義務教育科學課程標準》規定的課程內容涉及13個學科核心概念，54條學習內容，其中與小學相關的有46條學習內容。按照大單元教學理念，可以將大單元的內容設置在一個大的具體的情境內，每一堂課都是其中的一個小情境。

3.可行性原則。我國小學科學課程開設時間不長，各地顯著的經濟條件差異也反映在各個學校教學硬件設施上，尤其是城鄉之間的顯著差異。小學科學課程的實踐性要求配備足夠的教學材料讓小學生動手操作。因此，基于STEM的小學科學教學設計必須遵守可行性原則，具體表現在教學內容的可行性、教學過程的可行性和教學制作的可行性。

首先，作為全國通用的教材，有些教材中出現的教學內容可能不會在本地出現，對此教師可依據《義務教育小學科學課程標準》的要求，將教材中的這部分內容轉化成本地中常見的內容，即符合教學內容的可行性。其次，教學過程，即教學活動的具體運作過程，是關系教學效果的關鍵，教師在教學設計時應充分考慮每一環節的關聯性，做到有效可行。最后，STEM理念的教學可根據實際情況設計制作，充分考慮學生的實際情況和教學材料的獲取情況，保障課程正常開展。

（二）教學設計的一般思路

1.認真研讀課標要求，厘清教學內容。2022年頒布的《義務教育科學課程標準》是實現新時代為黨育人、為國育才、全面建成社會主義現代化強國目標的重要支撐。因此，認真研讀課標要求、厘清教學內容是有效實施基于STEM教育理念的教學設計的關鍵。小學科學課程內容涉及物質的結構域性質等13個核心概念，通過學習理解物質與能量、結構域功能、系統域模型、穩定與變化四個跨學科概念，在此基礎上開展基于STEM教育理念的教學設計。

2.依托教材進行大單元教學設計。學科核心素養是學科教育之本，是指學生學了本學科之后逐步形成的關鍵能力、必備品格與價值觀念，學科核心素養的出臺要求教學設計要從設計一個知識點或課時轉變為設計一個大單元。小學科學課程的核心素養也是課程育人價值的體現，包括科學觀念、科學思維、探究實踐和態度責任［5］。在研讀《義務教育科學課程標準》后，教師可依據教材對整個學期的教學內容確定本學期的大單元數，了解彼此之間的邏輯關系，分析學生已有的認知基礎和學校已有的課程資源，確定本單元開展STEM教育所需要的教學材料。

3.基于STEM教育理念的課堂教學設計。良好的教學設計是教學實施的基礎。基于STEM教育的課堂教學設計是開展STEM教育的關鍵。一節基于STEM教育理念的課堂并非科學、技術、工程與數學的全面結合，可以是科學與技術的結合、科學與工程或科學與數學的結合，只要達到本堂課的教學目標。可以將大單元教學置于某一合適的真實情境中，其中的每一節課都是這一真實情境的場景之一，充分發揮教師引導者角色的作用，引導學生發現問題、提出問題并借助教師提供的資源解決問題，同時注意培養學生學會使用本節課科學觀念的能力、科學思維的能力等核心素養。

（三）開展STEM教學設計的基本要求

不難看出，基于STEM教育理念的小學科學課程教學設計對當前我國的小學科學教育是一項非常大的挑戰。師資水平、教學材料是否齊全、教育部門的政策都是影響課程教學設計的重要因素。

1.科學教師具備較高的科學素養。科學教師具備較高的科學素養，是開展STEM教育的前提。然而，當前我國小學科學教師缺口較大，學歷有待提高，教育基礎設施城鄉差異較大，限制了小學科學STEM教育的開展。有研究顯示，理工類專業背景的小學科學教師對STEM教育的理解更加到位。因此，可在小學科學教師的職前培養中增設STEM相關課程，職后教師培訓應加強不同學科教師的合作交流，促進教師的學科整合。

2.有足夠的教學材料支撐。教學材料準備齊全是基于STEM教育理念的小學科學課程教學設計的重要保障。有研究顯示，專用教室或實驗室等基礎設施在STEM教育實施過程中更為重要。小學科學課程的實踐性要求小學生經歷探究實踐的科學過程，分組教學要求每名學生都參與到學習過程中，教學硬件設施保障成為關鍵。

3.教育部門的大力支持。首先，以問題解決為導向的基于STEM教育理念的小學科學課程設計對教學時間的安排不好把控，學校應適當調整課時安排，使學生有充足的時間完成任務。其次，教育部門應大力支持科學課程軟件、硬件配置，提高科學教師待遇，增加專職專業科學教師比例，尤其是吸收一些有理工科背景的碩士研究生。最后，教育相關部門應重視小學科學課程，提高小學科學課程的課程地位。

四、總結

21世紀的人才之爭必然是大國博弈之關鍵。作為培養未來科技創新人才的小學科學課程正迎來其快速發展的歷史時期，STEM教育是其應對全球科技發展瓶頸、科技人才培養不足而推行的國家戰略。STEM教育核心特征包括學科綜合性、動手實踐性以及藝術與人文屬性。我國小學科學課程具有綜合性、實踐性和基礎性等特征。STEM教育理念契合我國小學科學課程的課程特征，并為我國小學科學課程培養創新后備人才提出了可供參考的建議。因此，本文從當前我國小學科學教育實情出發，提出了基于STEM教育理念的小學科學課程教學設計要遵循科學性、情境性和可行性原則，并提出了教學設計的一般思路。基于STEM教育理念的小學科學課程教學設計正是我國當前小學科學課程培養科技創新后備人才的積極探索。

參考文獻

［1］ 周東岱，樊雅琴，于穎，等.基于STEAM教育理念的小學課程體系重構研究［J］.電化教育研究，2017，38（8）：105-110，128.

［2］中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標準［M］.北京：北京師范大學出版社，2017：1-6.

［3］中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準［M］.北京：北京師范大學出版社，2022：1.

［4］林靜，石曉玉，韋文婷.小學科學課程中開展STEM教育的問題與對策［J］.課程.教材.教法，2019，39（3）：108-112.

［5］崔允漷.學科核心素養呼喚大單元教學設計［J］.上海教育科研，2019（4）：1.

Instructional Design of Elementary Science Curriculum Based on STEM Education Concept

WU Xiao-xia

（School of Science， Qiongtai Normal University， Haikou， Hainan 571127， China）

Abstract： Cultivating future scientific and technological innovation reserve talents is currently the important task of the elementary science curriculum in China. As the most highly valued interdisciplinary education model in the current science education field， the STEM has the core features that align with the characteristics of elementary science curriculum in China. The instructional design elementary science curriculum based on STEM education concept should follow the principles of scientificity， situational awareness， and feasibility， which should first carefully study the requirements of the curriculum standards， clarify the teaching contents， and then rely on textbooks for large unit instructional design， followed by classroom teaching design based on STEM education concepts. However， the instructional design of elementary science curriculum based on STEM education concept poses a significant challenge to current primary school science education in China. The level of teaching staff， the completeness of teaching materials， and the policies of the education department are all important factors that affect the instructional design of science curriculum.

Key words： STEM education concept; elementary science; instructional design