學習者為中心的STEM課程設計

包士娟 孟延豹

前言：

包士娟老師應筆者的要求提供了這篇文章，筆者事先提醒了包老師，這是一個教學APP的專欄，所以希望她提供的文章主要講這方面的內容，但包老師文章來了，筆者通讀一遍，卻沒有看到教學APP的介紹，也沒有看到關于應用的各種心得，再仔細看了一回，筆者又不禁欽佩，其實整篇文章中都是教學APP的影子。包老師的整個課程的進程都是在在線的論壇環境下進行的，她一如既往地還在繼續用她習慣的CCtalk做直播，設計圖紙中利用了設計軟件，備課時用了思維導圖軟件，為了課程設計還做了微視頻，學生自主學習中大量利用了網絡技術，包括搜索、視頻制作、博客寫作等。包老師的課程中，信息技術已經成了一種存在，她在整個課程設計的思考中沒有為了用技術而用技術，而已經是一種習慣性的應用，這讓我想起了中國傳統武術中對高手的一句評價：有形有意都是假，拳到無心方見奇。

蘇教版小學五年級語文教材下冊中《水》一文讓學生在閱讀中體悟到了水的重要性及其人文意義。筆者從科學教師的角度出發，創設STEM學習課堂——DIY水凈化器項目，帶領學生走進真實生活，通過整合科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）四大學科領域知識，完整經歷一次發現和解決生活中的真實問題的實踐過程，更具現實意義。

課程內容總體構思

奧蘇泊爾說過，“影響教育最重要的因素是學生已經知道了什么”。五年級學生對水的物理認知主要停留在其液、固、汽三態上。如何讓生命之水變得更加潔凈，學生需要通過“DIY水凈化器”這個學習項目來加深體驗，圖1即是該課程實施的思維導圖。

課程準備

學生的問題往往來源于他們對周邊事物的好奇心，當已有經驗與情景產生沖突的時候就會有新的問題產生。研究表明，具備新穎性、復雜性、不確定性和沖突性的事物都能夠引發孩子的好奇心，促使孩子去探索和研究。在實施“DIY水凈化器”STEM課程學習過程中，筆者注重突出學生的主體作用，引導學生經歷發現問題、提出問題、研究問題、解決問題的全過程，試圖在課程準備階段就把學生帶進課程當中。

1.課前考察，創設問題情境

帶領學生到學校附近的澄塞河進行考察，“了解身邊的水”。通過拍照、采集水樣等方式來收集資料。同時產生問題：自來水廠是如何凈化河水的？合格水的標準是什么？怎樣判斷我們取到的這些水樣是否達標？等等。

2.社會調查，了解相關產品性狀

學生在教師的指導下，通過調研市場上的凈水器產品，了解凈水器的凈化原理和凈化效果。這個環節，家長可以出面協助。通過調查取證，學生們發現問題：各類不同價格的凈水器凈水效果不同，同時也產生了要“自己造凈化器”的想法。

3.問題研討，點燃探究熱情

問題產生：生活中哪些東西可以用來凈化水？怎樣才能達到較好的凈化效果？什么樣的結構能保證凈化效果？……此時的主要活動內容，便是讓學生圍繞制作水凈化器這件事，通過寫問題帖、頭腦風暴、小組交流討論等方式依次提出問題，篩選、整理有價值的問題。

4.文獻研究，儲備基礎知識

此環節主要活動內容是通過網上搜索、圖書館閱覽等多種方式，搜集與水凈化相關的知識。通過網絡在線學習，學生們了解到了全國水資源分布圖、水的作用與危害、水的三態變化、水的凈化方法等知識。我班一名學生還在無意中查到了山東一家凈水器公司的電話，并將自己的問題告知了對方，對方非常誠懇地解答了問題。電話采訪，讓我們獲得了研究的第一手資料。

項目實施

活動1：水凈化原理我知道

活動內容：邀請水廠專家進課堂講解水凈化知識。

活動目標：知道自來水的處理流程，知道水凈化的方法和所使用的材料。

“DIY凈化器”的整個項目學習過程都應體現學生主體的作用，這有利于改變課程實施過于強調接受學習、死記硬背、機械訓練的現狀，倡導學生主動參與、樂于探究、勤于動手的學習方法和態度，培養學生搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力。講座當天，江南水務的吳先生給學生們介紹了長江水如何變成自來水的河水處理過程，并重點講解了過濾和吸附兩種水凈化的方法。原來，過濾就是用濾紙等將大的顆粒物質擋在目標區以外，而吸附是指利用多孔物質將水中的小顆粒物質存留于濾料中。于是，“過濾和吸附的主要作用是什么”“過濾和吸附的主要原理是什么”“生活中哪些材料可以用作過濾和吸附的材料”等問題迎刃而解。

活動2：水凈化實驗大比拼

活動內容：通過實驗掌握水凈化材料的排放順序、凈化效果及水質檢測技術。

活動目標：會使用PH試紙，會控制對比實驗中的變量，探究不同材料的過濾效果。

本環節的重點學習活動是水凈化實驗，在實驗實施之前，學生必須要了解：什么樣的水才是合格的？帶著問題，學生自主閱讀了《生活飲用水標準》，懂得了合格飲用水須達到以下標準：①無毒，無害，無異味；②均衡的礦物質和微量元素；③PH值成弱堿性。那如何檢測水樣是否合格呢？筆者向學生介紹了使用PH試紙測量水樣酸堿度的方法，并給出了一份水樣檢測實驗單（如下表），引導學生掌握了PH試紙的相關使用知識。學生分組使用PH試紙檢測三個水樣的酸堿度，每份水樣測量三次并填表。

此外，學生還了解了濁度計的結構及使用方法，并仿照表1的樣式檢測了三個水樣的濁度。水體的氣味和味道可以通過鼻子聞、口嘗來檢驗，人們常常根據水的氣味，推測水中所含的雜質和有害成分。水的色度也可以通過觀察法來檢測。

有學生嘗試用專家講座中提到的過濾和吸附的方法來凈化水質。他們用大石子、小石子、沙子、活性炭、過濾棉等材料來做實驗，檢測使用哪種材料能夠達到凈化要求，并設計實驗方案（如下頁圖2）。通過實驗，學生們發現，沙子是過濾水中大部分雜質的重要材料，但是需要2厘米厚的沙子才能有效地過濾水中的雜質，放沙太少效果不大。但是，接下來學生們又想到了第二個問題：只放一層凈水材料肯定是不夠的，如果要放多層的話，這些材料的疊放順序又該是怎樣的呢？于是學生開始設計實驗方案，展開了如圖3所示的實驗2，用來考證疊放順序對凈水效果的影響。學生把過濾材料依次放入容器即礦泉水瓶中，從底部往上分別為：第一層放入2厘米厚的碎石，防止沙子流至容器底部；第二層倒入2厘米厚的沙子；第三層是活性炭。把污水從容器頂部倒入，污水依次流經活性炭、沙子、碎石層，再從底部流出。這一階段的學習，學生通過猜想、制訂方案、動手實驗驗證、再次發現問題、再次實驗驗證、調試等環節，最終解決了問題。

在實驗研究的過程中，學生發現，廢水中的一些有機物如酚、苯、洗滌劑等很難被分解，但活性炭可以吸附這些有機物。而石英砂可以過濾掉水中的懸浮物，讓水變得更清澈。

活動3：水凈化器的設計、制作、調試

活動內容：引導學生自主設計圖紙，小組合作完成水凈化器作品。

活動目標：能繪制簡單的水凈化器設計圖紙；能按照設計圖制作簡易的凈水器并進行調試；通過迭代，不斷優化自己的凈水器產品設計。

STEM項目學習給予學生更多的機會自由討論，設計與實施自己的問題解決方案，再測試檢驗實驗效果并加以調試。從理論到實踐，制作一個凈水器需要思考幾個問題：使用哪些材料？用多少？有的準備多了，有的準備少了，沒考慮耗材情況……學生在反復實驗、調試的過程中，深刻體驗到了科學探究的趣味：通過設計對比實驗搜集數據，學會了監測水質的變化；通過繪制曲線圖分析數據，了解到了不同材料在相同厚度情況下的過濾效果；通過計算，綜合考慮過濾效果和價格等因素，學會了控制制作成本……最后學生在調查報告中詳細介紹了自己的成果獲取過程。

活動4：水凈化器發布會

活動內容：邀請專家進課堂召開水凈化器發布會，學生相互交流作品制作中的點滴收獲并總結制作經驗。

活動目標：及時梳理制作調試過程的成功經驗與失敗教訓，能用合適的方式表達有關水凈化的知識和自己的研究成果。

作品是知識建構的外在表現。通過創作作品，建構、重構學生的理解，讓學生個人的理解可視化，并在展示過程中增進理解力，這是我們召開水凈化器發布會的初衷。水凈化器發布會既是對一段時間以來學生學習成果的展示，也是對學生綜合能力的一次檢驗。發布會上，我們請來了江南水務的專家參與點評、互動；學生按小組發布自己制作的水凈化裝置，談成功感受，與師生分享自己的作品制作經驗。正如沈子鈺同學在分享中所說：這次活動他不僅知道了水凈化的原理，還懂得了團隊合作的重要性，一個產品的創新不是一次就能設計和制作成功的，而是需要多次反復嘗試。

課程評價

項目學習是以典型產品為載體展開的知識與技能的學習，是做中學的一種學習方式，培養學生自主探究能力，指引學身終身學習，自我發展?；陧椖康膶W習，不僅要求對小組成果進行評價，而且還要強調對個人學習過程進行評價，做到形成性評價和結果性評價相結合。

1.形成性評價

成長記錄袋是從國外引進的一種新興評價方式，是根據教育教學目標，有意識地將各科有關學生表現的作品及其他證據收集起來，通過合理地分析與解析，反映學生在學習與發展過程中的優勢與不足，反映學生在達到目標的過程中付出的努力與進步，并通過學生的反思與改進，激勵學生取得更高的成就。我們的項目學習成長記錄袋，主要用來記錄和展示學生學習的過程和成果，比如記錄學生的活動日記、家長的評價建議、教師的觀察日記等。

2.結果性評價

針對該項目的實施過程，筆者從同行處借鑒創作了“DIY凈水器”評價表，量化評價學生的作品，作為教師對學生小組作品的結果性評價。

課程反思

1.基于真實問題的學生主體實踐活動

STEM課程最大的特點就是以學習者為中心，解決生活實際問題。教師通過創設情境，帶領學生實地考察了解身邊的水，通過觀察水質、拍攝照片、采集水樣等方式來收集樣本資料，提出了問題，并帶著問題請江南水務的專家進課堂講解水凈化知識，有了水凈化的科學知識，學生們又開展了對實驗材料和凈化效果的實驗探究活動。而作為一個動手制作的活動，學生們又經歷了設計、制作、修改等實踐活動。江南水務專家還二進課堂，為作品進行點評和優化。學生始終站在課程中央，主動參與，是活動的積極實踐者。

2.四大領域課程的有機整合

DIY水凈化器項目是科學、技術、工程、數學學科融合的課程。本活動中，科學領域的學習內容有：用吸附、過濾的方法去除水中不溶性的雜質、知道用PH試紙測試水的酸堿性。技術領域的學習內容有：使用PH試紙檢測水樣酸堿度、探究不同材料的過濾效果、能根據需要借助技術制作水凈化器。工程領域的學習內容有：繪制水凈化器設計圖、按照設計圖紙制作凈水裝置并進行測試、通過迭代不斷優化凈水器。數學領域的學習內容有：通過設計對實驗數據表格記錄實驗數據、通過計算綜合考慮過濾效果和價格等因素控制制作成本。

3.促進學生的深度學習

深度學習是指在教師的引領下，學生圍繞具有挑戰性的學習主題，全身心投入并且積極參與、體驗成功、獲得發展的一種有意義的學習過程。深度學習更關注學習者對學習意義和知識的協同建構。學生將水凈化知識用于制作水凈化器的過程中，不斷驗證實驗材料對凈化效果的影響，不斷嘗試的過程就是知識建構的過程。

在實驗探究階段，學生的批判性思維、問題解決等綜合能力在反復實驗中得以培養和發展。學生通過選擇材料、實驗操作、設計修改水凈化裝置，顯著提升動手能力。作品發布會當天，小組成員分工合作，有的策劃展示流程，有的制作PPT，有的做解說員，同學之間充滿了為完成共同任務的決心，展示交流環節讓學生理解并詮釋了合作的真諦。

總之，在DIY水凈化器項目學習中，筆者見證了學生的成長，STEM教育讓學生的學習更主動，更有意義。

后記

筆者有一個越來越篤定的認識，整體課程設計中應用各種信息技術的方式，相比單獨對一個個教學APP進行功能解讀、技能傳授的傳統信息技術培訓方式，更容易讓老師們體會信息技術與教育教學深度融合的形式和內涵，并且更容易讓老師們將所學自覺地應用于日常的工作中，因此筆者選擇了這篇文章，希望能給大家的日常工作提供一些有益的幫助。