STEM教育理念在小學科學教學中的實踐與探索

在教育改革不斷深入的大背景下，STEM教育憑借其跨學科性、實踐性和創新性等特點逐步成為基礎教育的一個重要發展方向。小學科學課程教學是促進學生科學素養發展的途徑，其與STEM教育理念有天然的契合性。為了解決小學科學教學中存在的學科分離和知識灌輸現象，促進學生綜合能力的發展，促進科學教育質量的提高，本文對STEM教育理念在小學科學教學中的實踐進行探究。

一、STEM教育和小學科學教學的契合度分析

在當前教育改革深化的大背景下，作為一種將科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）融合在一起的跨學科教育觀念，STEM教育與小學科學教學有著非常高的契合性[1]。

就教育目標而言，小學科學教學的目的是培養學生學習科學的濃厚興趣，讓學生懂得科學探究的基本知識與方法，能用科學知識解決問題，從而促進學生科學素養的發展；STEM教育也致力于激發學生探索多學科知識的欲望和培養學生解決實際問題的能力，二者在目標上是高度統一的。比如，在小學科學教學中，教師會教授學生關于植物生長的知識，這實際上是一種傳播科學知識的方式。在STEM教育中，學生在學習植物生長的科學原理的同時，需要借助一定的技術手段，如利用傳感器對植物生長環境中的溫度和濕度進行監控；基于工程思維，設計出適宜植物生長的容器；結合數學知識，測量植物生長的高度，計算植物生長的速度等。這種整合多學科內容的學習模式能夠更好地促進學生綜合素養的發展。

從教學內容來看，小學科學涉及生命科學、物質科學、地球和宇宙科學等諸多領域，自身也有一定綜合性。STEM教育注重打破學科界限，整合不同學科知識。以“傳播聲音”一課的教學為例。從科學知識學習的角度來說，學生應該通過學習，知道聲音的傳播需要的介質和聲音在不同的介質里傳播的速度是不一樣的；從技術學習的角度來說，學生要能做一個簡單的土電話來探索聲音是怎樣在固體中傳播的，其中涉及材料選擇、制作工藝等方面的知識；從工程知識和數學知識學習的角度來說，學生要思考怎樣設計土電話的結構，使聲音傳播效果更好，并能運用數學知識來分析土電話線長度和聲音傳播質量的關系。不同內容的整合能讓學生更深刻、全面地理解知識。

二、STEM教育理念在小學科學教學中的實踐作用

在小學科學教學中融入STEM教育理念具有積極的作用。一是激發學生學習的興趣與主動性。傳統的小學科學教學更注重知識傳授，基于STEM教育理念的小學科學教學則通過豐富多彩的跨學科實踐活動使學生在解決問題中學習。以“太陽能熱水器的設計與制造”的教學為例，學生需要利用科學知識來理解太陽能如何轉化為熱能，并根據這些知識選擇合適的保溫材料和集熱設備，用工程思維對熱水器進行結構設計，用數學知識對熱量轉化效率進行計算等[2」。這樣富有趣味性、挑戰性的學習能激發學生的好奇心與探索欲，讓學生由被動接受知識變為積極主動學習。二是發展學生的綜合能力。在STEM教育理念與小學科學融合的課堂中，當遇到復雜的問題時，學生需要結合多學科知識與技能來解決問題。例如，在“校園生態系統調查”活動中，學生需要利用科學知識鑒別不同動植物種類，認識生態系統的構成及功能；采用技術手段，如拍照和錄像等方式對調查的過程進行記錄，并利用數據分析軟件對調查數據進行整理；運用工程思維，設計調查路線及采樣方法；利用數學知識，進行物種數量統計、生物多樣性指數的計算等。經過這樣的學習過程，學生的觀察能力、實踐能力、創新能力、數據分析能力等都能得到充分鍛煉。三是發展學生的團隊協作精神。在STEM教育理念下的小學科學教學中，很多項目與任務要求學生通過小組合作的方式來完成。比如，在“修建抗震建筑模型”任務中，小組成員要分工協作，一些成員負責運用科學原理分析建筑結構的穩定性，一些成員采用技術操作工具來構建模型，一些成員用工程思維來搭建整體架構，一些成員用數學知識來進行力學計算、材料尺寸計算等。在這一過程中，學生需要互相交流，互相協調，聽取別人的建議，充分發揮自己的長處，共同完成任務。在團隊合作中，學生在學習與他人合作的方法時，也會認識到團隊力量的重要性，從而形成集體榮譽感、責任感。四是促進學生運用知識。STEM教育注重對知識的跨學科整合和實際運用，在小學科學教學中融入這一思想，能讓學生意識到科學知識不是孤立的學科知識，可將其與技術、工程、數學知識結合起來解決實際問題。

三、STEM教育理念在小學科學教學中的實踐方法

（一）跨學科的主題式課程設計

跨學科主題式課程設計就是小學科學教學與STEM教育理念結合的重要途徑之一，其能突破學科間的壁壘，讓學生圍繞某一專題，融合科學、技術、工程、數學等多門學科知識，在綜合性學習中對知識進行深刻理解與靈活運用[3]。

比如，在“解決城市交通擁堵的方案”這一跨學科課程的學習中，從科學知識學習的角度講，學生要理解交通工具運行的原理，比如汽車發動機工作原理和電動自行車電力驅動原理，理解不同交通工具對環境的影響，比如汽車尾氣排放對空氣質量產生的影響；在技術學習方面，學生要深入探討智能交通系統的各種技術應用，如交通信號燈的智能化控制技術和電子地圖導航技術等；在工程知識學習方面，學生要對城市交通道路布局進行設計，綜合考慮路寬、坡度、彎道，并對停車場進行規劃設計；在數學知識學習方面，學生要能計算各種交通工具的速度和流量，以及分析交通堵塞的相關數據。在教學活動中，首先，教師要引導學生探討城市交通擁堵的相關問題，分析為何在某些特定時段，某一路段經常出現交通堵塞的情況。其次，教師要組織學生分組搜集數據，開展調查。學生可通過查閱書刊、進行網絡搜索和實地觀察獲得信息。在設計階段，學生要應用所學知識繪制交通道路設計圖，標出各類交通設施的位置及參數。在實施階段，學生可運用模型材料構建一個簡易的城市交通模型來模擬各種交通狀況。最后，學生評價與反思其設計與模型，持續改進與完善計劃。在這樣的跨學科主題式課程學習中，各個學科的知識不是孤立的，而是有機地融合在一起的，是一個完整的知識體系。學生在解決實際問題時能綜合運用知識，其創新思維能力、問題解決能力等都能得到提升。

（二）組織和開展項目式學習活動

項目式學習活動是STEM教育理念與小學科學教學融合模式下的一種重要實踐形式，具有十分重要的現實意義，其載體是真實項目，學生要在完成項目的過程中主動對多學科知識與技能進行探究與學習[4]。

以“設計制作校園氣象站”項目式學習活動為例。在項目開始之前，教師可幫助學生明確項目的任務與目標一設計制作校園氣象站，對溫度、濕度、風速等氣象要素進行測量，并且對氣象數據進行精確的記錄與分析。在項目的執行過程中，科學知識的應用至關重要。學生要理解氣象學中溫度和濕度的測量原理以及風產生的原因。在技術知識的學習與運用方面，學生要選擇合適的傳感器對不同氣象要素進行測量，理解其原理及用途，同時掌握數據采集與傳輸技術，能向數據處理設備發送傳感器獲取的數據。在工程知識的學習與運用方面，學生應綜合考慮氣象站的安裝地點、結構穩定性以及防風防雨情況，合理設計氣象站結構。在數學知識的學習與運用方面，學生需要進行數據處理與分析，如計算出一定時間內的平均溫度、濕度，分析其變化趨勢。學生要分組執行項目，每一組承擔不同模塊的任務，如有的小組專注于氣象站的硬件構建和設計，有的小組專注于軟件編程以完成數據的收集和處理，有的小組專注于氣象數據的深入分析和報告編寫等。在項目執行過程中，學生可能會遇到問題，他們需要獨立查閱資料并探討解決方法，教師則應充當引導者與指導者的角色，適時為他們提供恰當的幫助與建議。項目結束后，學生需要展示作品，匯報成果。在這種項目式學習活動中，學生既能掌握多學科知識與技能，又能發展團隊協作能力、溝通能力與自主學習能力。

（三）問題導向，推動探索

以問題為導向，是激發學生探究欲望的一條有效途徑。通過設置富有啟發性、挑戰性的問題，教師可引導學生綜合應用多學科知識去思考、探究，讓學生深刻理解相關知識，增強解題能力[5]。

例如，在“浮力”的教學中，教師可提出問題“怎樣才能使一個原先下沉的物體浮到水面上，并確保它能夠承受特定的重量？”來引導學生思考。該問題涵蓋浮力原理、選材與材料處理、工程化結構設計、重量計算與比例關系等知識。學生需要運用科學知識來分析浮力大小和什么因素有關系，如物體排開液體的體積、液體密度等；試著選用塑料、金屬、木材等密度不同的物質做實驗探究；思考怎樣改變物體形狀，如把金屬片做成中空的盒子的形狀來加大排開液體的體積，使浮力提高；估算物體的質量、浮力的大小以及最大承載力等。在探究的過程中，學生需要不斷地嘗試與完善研究方法，進行實驗、觀察與分析。學生或許能發現改變器物的外形與材質能使器物浮沉狀態發生變化，而后合理設計能承受一定重量的器物。在這一過程中，學生既能掌握物體沉浮的科學原理，又能學會應用多學科知識去解決現實問題，同時發展創新思維與實踐能力。

（四）小組合作，培養團隊能力

在小學科學教學中，小組合作是培養學生團隊合作能力的關鍵途徑，學生在小組合作中需要和別人交流，利用自己的長處，一起解決問題。

以“環保垃圾桶的設計與制造”為例。在這個項目中，教師可以把學生劃分為多個小組，小組成員需明確分工，如：部分學生負責學習垃圾分類與處理等科學知識，并對垃圾桶進行功能設計；部分學生從技術上考慮，選擇合適的材質及制作工藝來保證垃圾桶的耐用性及環保性；部分學生基于工程思維設計垃圾桶外觀及結構，使其便于使用及清洗；部分學生負責用數學知識計算成本，做預算等。在小組內討論時，學生需主動發表意見，展開思考，聽取別人意見并一起解決遇到的困難。例如，學生可能在選材上存在分歧，有的學生認為某一材料造價低廉但環保性略低，有的學生認為其他材料環保性強但造價昂貴。對此，小組成員需考慮各方面的因素并經過討論取得一致意見。做垃圾桶時，學生要互相配合。完成之后，小組成員要一起宣傳推廣，給其他學生介紹自己設計的環保垃圾桶的理念以及使用情況。通過這類小組合作學習，學生的團隊協作能力能得到鍛煉，他們也能學會在小組內發揮優勢，與他人一起完成任務。

（五）情境模擬，增強應用能力

在STEM教育理念下的小學科學教學中，情境模擬對于增強學生的知識應用能力具有積極意義。教師可創設真實情境，使學生在情境中應用多學科知識解決問題，從而強化學生的知識應用能力。

例如，在\"處理自然災害一震后救援和重建\"的教學中，教師可進行情境模擬，要求學生結合震后救援與重建的情境，運用知識解決問題。學生要懂得地震發生的原因、危害和震后次生災害等科學知識；學會應用地震監測技術、救援設備應用技術，如掌握地震監測儀的原理與操作方法以及生命探測儀的應用技術；基于工程思維，思考怎么設計臨時住所及簡易橋梁等，兼顧結構穩定與安全；用數學知識計算救援物資的分配比例、臨時住所面積以及所需要物資數量等。在情境模擬中，學生需要扮演地震監測人員、救援人員、工程師和物資調配人員等不同角色。其中，扮演地震監測人員的學生需利用科學知識與技術手段對地震數據進行監控并及時報警；扮演救援人員的學生需利用救援設備進行搜救；扮演工程師的學生需針對震后地形及需要設計臨時住所及簡易橋梁；扮演物資調配工作人員的學生需要利用數學知識，對救援物資進行合理配置。

綜上，STEM教育理念具有跨學科性和實踐性等特點，能給小學科學教學帶來生機，促進學生科學素養的發展。教師需要進一步深化理論研究，促進教育資源的系統化整合，構建可持續的STEM教育生態，實現小學科學教學從知識傳授向能力培養的全面轉型，為創新型人才的培養奠定基礎。

[參考文獻]

[1］王艷秋.小學科學教材及其使用研究：基于“地球與宇宙科學”領域［D］.揚州：揚州大學，2023.

[2］劉智超.基于核心素養的小學科學教學改進研究［D].重慶：西南大學，2020.

[3］張奕璇.核心素養背景下小學科學高效課堂構建研究[J].學周刊，2021（5）：29-30.

[4］時維銳.STEM理念下的小學科學項目式活動開展與評價路徑探究[J].求知導刊，2024（36）：74-76.

[5］呂亮亮.STEM理念下小學科學教學實踐活動的創設策略［J].天津教育，2024（36）：64-66.