促進學生建構科學概念的STEM活動設計

楊聰

研究背景

近些年，STEM教育是全球科學教育改革中炙手可熱的話題。美國2013年頒布的（《新一代科學教育標準》將工程和技術明確地寫進了科學教育中。如何在科學課堂中合理地運用STEM教育，是每一個科學教師都希望解決的問題。

在當今的科學教學中，課堂的關注點已經由原來單一的知識傳授轉變為以探究為主的學習方式。在探究式科學學習中，學生通過對已收集到的證據進行思考和邏輯推理生成概念，使自己能夠更好地理解周圍世界。學生掌握一個科學概念，實質上就是掌握同類事物的共同特征，中高年級的科學教學中如何指導學生將具有共同關鍵屬性的一類對象、事件、情境、需求、性質等的科學概念融合，建構成科學的大概念，則是我們需要深入研究的課題。

STEM教育活動中融合了科學、工程、技術和數學4門學科，以整合的教學方式幫助學生在活動中建構理解，掌握解決問題的技能，并能夠靈活地運用到日常生活中去。因此，設計一個適合學生研究的STEM活動顯得尤為重要，這樣可以促使學生在解決實際問題的過程中，自發地對已有經驗提取和再內化，加強有效的部分概念，修改有問題的部分概念，在評價和交流過程中，逐步建立正確的概念認知。

活動主題設計思路——以“設計保溫杯”為例

喚醒兒童的前概念

在幫助兒童建構科學概念時，我們得先知道學生現有的知識結構、他們感興趣的一些內容，以此為基礎喚醒孩子的前概念。由于學生日常積累的認知概念可能是膚淺的，或者是錯誤的，活動設計前，需要了解學生原有生活的經驗和概念。

在開展“設計保溫杯”的教學設計之前，對我校四五年級學生對保溫杯的認知情況進行了調查，結果顯示孩子們認為好的保溫杯應該具有美觀、輕便、保溫效果好、攜帶方便、結實、功能多這些特點（如圖1），而談到如何讓保溫杯的保溫效果更好時，孩子們想到許多想法（如圖2）。

調查反映出，大部分學生認為在杯子夾層中添加泡沫、棉花、塑料等材料會起到很好的保溫作用，但是問他們選用什么材料最好，大部分學生說不出來；調查還顯示出，大部分學生在思考時，僅僅考慮保溫效果好就可以了，而忽略了實際中可能存在的其他問題，如杯子的重量會不會增加、外形是否美觀、成本是否增加等。

根據調查統計（如圖3），發現孩子在4年級科學課中，有過對“熱”的單元的學習，在生活中也有相關經驗，但是對保溫這一概念還不清晰，或者有許多片段式的小概念，還沒有融合成一個科學大概念，并且運用的概念也很難和生活實際現象相聯系。

設計需要解決的問題

Dyasi教授在培訓活動中指出，開展STEM活動時一個清晰的、學生感興趣的且富有挑戰性的問題非常重要。在“設計保溫杯”課程中，我們圍繞學生的前概念，設計出3個階段的主題活動。

·設計一個保溫杯

這一階段的目標是通過觀察生活中的保溫杯和保溫的物品，能夠借助生活經驗。描述出影響物體保溫效果的因素；小組合作設計一個保溫杯，并介紹保溫杯的原理；再次修改自己小組的保溫杯設計。

·如何將自己設計的保溫杯制作出來

這一階段的目標是在設計的基礎上思考制作保溫杯的可行性和需要準備的物品，制訂工作計劃。

·檢測保溫杯的效果

這一階段的目標是介紹自己保溫杯的制作過程，從多個方面相互檢測和評價彼此保溫杯的實際效果。

制訂活動中的學科維度

制訂活動中的學科維度是設計STEM活動的重要步驟，也是體現STEM綜合活動設計思路的有效方法。圖4顯示出在“設計保溫杯”課程活動中所涉及的科學與工程實踐、跨學科概念及學科核心概念，這使得課程目標、方法和過程都一目了然。

在課堂中的教學方法

建立適合學生學習的“學習場”

讓學習活動真正發生，需要構建適合學生學習的學習場，就是營造學習的氛圍。而設計有深度參與性的話題則是學習場的核心。那么最好的話題就是學生認為有意義，與學生生活密切相關的問題。例如“設計保溫杯”主題活動，一開始就從學生的需求出發，“冬天即將到來，大家都會使用保溫杯，什么樣的保溫杯好呢？”這樣的話題是學生生活所需要的，也是STEM活動的特點之一。

設計核心問題，引導學生深入思考

科學概念往往隱身于現象的背后，以物質或能量為載體，通過相互作用產生的現象呈現出來。在科學的STEM活動中，教師應該如何引導學生透過實際現象把握其背后的科學概念呢？第一，可以讓孩子們自己提出自己的觀點，在討論中歸納出相關科學概念。第二，教師圍繞核心概念以追問的形式，提出問題。舉例如下。

教師：剛才大家從多個角度評論了彼此設計的作品，現在我們再來看一看，大家設計的保溫杯，都有哪些共同的目的？

學生：都為了讓保溫杯更加保溫。

教師：什么是保溫呢？

學生在提出自己的設計觀點后，讓他們歸納這些觀點的相同點，學生則能抓住“保溫”這個核心概念，進而教師可以請學生解釋什么是保溫，再一次引發學生對核心概念的思考，將前概念調動起來。

以小組合作方式完成方案設計

美國加利福尼亞大學索諾瑪分校校長保爾認為，在課堂教學中，對話性思維和辯證性思維是活躍知識、重建概念的方法，而合作學習可以促進學生之間的思維互動，幫助他們更好地構建相關概念，避免以自我為中心的思維局限。

在設計方案這一環節中，不少教師可能會擔心孩子是否有能力進行設計。21世紀初期，美國斯坦福大學設計學院和德國波茨坦大學設計學院研究表明，設計思維并不一定是由專門的設計學校培養出來的，設計專業以外的普通人也擁有設計思維的天資和潛力，只是需要經過恰當的引導和訓練。而對于兒童和青少年這個年齡階段的學生來說，他們的思維塑造處于黃金時期。因此，在STEM活動課程教學中，引導學生共同對一個計劃進行合理設計，制訂研究方案，在學生設計活動時，學生自發幫助彼此，發現錯誤想法，搭建支架，促進彼此轉變錯誤的想法，提高學生思維能力的同時，也幫助學生建立起正確的概念認知。舉例如下。

師生談話：如果讓你設計并制作一個保溫效果好的保溫杯，你會怎樣設計？

（學生合作進行）

為學生創造展現小組設計方案的平臺

在科學教學中，學生設計活動之后，需要讓學生充分介紹自己的設計思路，在相互交流中讓學生充分質疑，達成共識。相互交流的過程，不僅是學生思維顯性化的過程，更是學生思維精細化發展的需要。舉例如下。

（將課前大家的設計作品掛在墻上）教師提問：我們每個小組都對保溫杯進行了設計，我們請他們來介紹一下自己的設計思路，你也可以對他們的方案提出一些建議或可行的想法。

為了充分展示學生的作品，教學中，不僅將學生設計的原版作品貼在教室周邊，還為每組打印了相關設計的副本圖片，讓每個學生了解每一件作品。這樣在對每件作品的充分了解基礎上，學生交流起來也有理有據。為了讓方案更精細化、可行化，在學生相互介紹和評價了彼此作品之后，提醒學生進一步修改自己的設計作品，為制作保溫杯做好鋪墊。

引導學生合理設計制作方案，在過程中引發學生對跨學科概念.核心慨念和自己的技術能力進行反思，并解決相關問題

在STEM活動中，問題作為核心，而解決問題的過程往往要運用許多領域的概念知識，還要運用多種解決的技術能力。在學生準備活動方案時，往往會在交流過程中發現原有的知識能力不足以解決現在遇到的問題，會產生認知的需求。學生會自主地尋求新的知識，或者對原有知識產生質疑，從而重新建構原有的概念。舉例如下。

師生談話：剛才大家已經設計好自己小組的保溫杯，接下來你準備怎么去制作這個保溫杯？你們可以相互交流，指定一個可行的制作方案。

（學生討論）

教師提問：你們在制訂計劃的時候遇到了哪些困難？準備怎樣解決？

學生匯報：材料問題——不知道哪種材料保溫效果最好。

檢測問題——如何才能知道自己制作的杯子保溫效果好不好？

顏色配比問題——不同的組員對顏色搭配有不同的意見。

技術問題——怎樣切割泡沫？保溫絲怎么做？可顯示溫度計怎么做？真空環境怎么制造出來？

可見，在制訂方案過程中，學生會遇到許多自己沒有接觸過或者自己尚不知道的問題，引導學生查資料或者進行探究活動，自主解決這些相關問題，這種方法可以促使學生主動學習、積極思考。活動的開展像吸鐵石一樣緊緊地吸引學生的注意力，充分調動學生學習的主動性，讓學生形成主動學習的內驅力，調動學生積極思考建構科學概念。

設計合理的評價方法，幫助學生歸納出核心概念

學生在方案的制訂、保溫杯制作及最終測試時，數學方法顯得尤為重要，在過程中學生運用測量、建模、計算等方法收集相關數據，在歸納過程中提高其思維的嚴謹性。通過相互評測，結合自己的活動方案和最后結果，學生能夠將在過程中的片段概念進行整合，從而形成新的大概念及概念聯系網。舉例如下。

師生談話：在前段時間的學習和制作中，大家都已經制作出自己小組的保溫杯，怎樣評價每個小組的保溫杯呢？

學生： （1）哪個組保溫杯做得漂亮。

（2）哪個組保溫效果好。

（5）哪個組的既輕便，又結實。

在這一環節中，學生能夠想出許多評價方法，可以讓孩子們先使用自己的評價標準點評，而后教師依然要抓住核心問題“保溫”這一核心概念。在教學過程中，大部分孩子都會以誰做的保溫杯保溫效果好作為評價依據，教師在此基礎上進一步引導學生相互檢測，收集數據，用數據說話，找出最棒的保溫杯，并再次點評，幫助學生歸納其保溫效果好的原因。

相關思考

開展STEM活動中.數學.工程.技術和科學之間的相互關系

學生在進行STEM活動時，要引導學生針對需要解決的實際問題，組成研究小組，指定活動方案。這也是工程學中的核心思想，將作為整個活動的主線；而在活動整個過程開展中，數學思維、數學方法則貫穿整個活動，為活動的開展提供依據；科學則在活動開展中提供理論依據和研究方法，為活動的開展提供直觀載體和理論依據；技術為整個活動的開展提供保障。

開展活動所需要的條件

第一，提供給學生一個輕松的學習氛圍。

第二，在對學生前概念調查統計后，應該為學生提供能夠完成活動的材料和設施。

第三，幫助學生建立一個深厚的基礎知識和一個強大的概念框架，使他們能夠組織信息，并將其轉化為可用的知識。

開展STEM活動中教師的作用

教師作為活動的組織者，可以和學生一同完成活動的設計、制作、交流、評測的整個過程，并且在此過程中，教師盡可能讓孩子自己提出問題并嘗試解決；在討論和交流過程中，教師也可以作為參與者，適時評價學生作品，引導學生正確評價別人的作品。因此。活動中的教師也是活動的參與者，與學生共同作為活動的主人，共同進行整個教學活動。但是教師因其特殊身份，在學生遇到問題時，還要作為引導者，引導學生運用合理的方法解決問題。