STEM理念在初中科學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

李小東

【摘 要】科學(xué)實驗教學(xué)的核心就是培養(yǎng)學(xué)生自主探究能力、實驗操作能力及解決問題的能力。STEM教學(xué)理念與初中科學(xué)實驗教學(xué)目標(biāo)相符，既可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)意識、問題意識、問題生成能力，還可以有效提升學(xué)生的科學(xué)實驗學(xué)習(xí)與實踐能力，為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)提供了良好的保障。本文就STEM理念在初中科學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行實踐性探究。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)實驗；STEM教育理念；初中；教學(xué)應(yīng)用

【中圖分類號】G633.91 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）02-0265-02

初中科學(xué)是一門以科學(xué)知識、科學(xué)實驗為基礎(chǔ)的重要學(xué)科之一，而大部分的科學(xué)規(guī)律均是通過實驗演繹而得出的。因此，科學(xué)實驗課也成為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思想、邏輯思維能力的重要載體。如何有效提高初中科學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量與效率也自然成為了科學(xué)教師所關(guān)注的焦點課題之一。本文就STEM理念在初中科學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行實踐性探究。

一、STEM理念的內(nèi)涵

STEM教育理念是由科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四學(xué)科構(gòu)建的一種新型整合性教學(xué)理念，其主要是強(qiáng)調(diào)對科學(xué)技術(shù)人才的培育，尤其對創(chuàng)新人才、實踐人才的復(fù)合型人才的培養(yǎng)[1]。目前，教育界對STEM教育的內(nèi)涵雖未達(dá)成共識，但“學(xué)科整合”已成為該教育理念的標(biāo)志性特點之一。STEM教育理念側(cè)重學(xué)科知識之間內(nèi)在的聯(lián)系，其應(yīng)用目的就是幫助學(xué)習(xí)者掌握如何把科學(xué)知識、數(shù)學(xué)知識等來解決實際的技術(shù)、工程等相關(guān)的問題。因此，美國教育界則將STEM教育視為提升國家競爭力的核心戰(zhàn)略之一，其最終目的就是在教育教學(xué)中強(qiáng)化對學(xué)生的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練，以此來培養(yǎng)更多的高科技人才，進(jìn)而維持本國的競爭力。我國正處于經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵階段，國家對創(chuàng)新型人才的需求也隨之增加，面對國家對創(chuàng)新人才、復(fù)合型人才的需求，STEM教育理念也逐步得到了我國教育專家、學(xué)者的重視與認(rèn)同[2]。

二、STEM教育理念在我國初中科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我國很多一線教師也曾嘗試著將STEM教育理念引入到教育教學(xué)之中，并從多維視角對其進(jìn)行了理解與實踐應(yīng)用，如一些一線教師通過項目方式、任務(wù)方式等將STEM教育理念引入到教學(xué)實踐之中，并得到了良好的教學(xué)效果。但是，由于STEM教育理念的科學(xué)課程設(shè)計、實踐均缺乏統(tǒng)一的理論性指導(dǎo)，這也導(dǎo)致很多初中科學(xué)教師在應(yīng)用STEM進(jìn)行教學(xué)時，也出現(xiàn)了一些問題，如課程設(shè)計不合理、教學(xué)實踐缺乏有效性等。

我國初中科學(xué)教材是結(jié)合學(xué)生對科學(xué)知識的需求及學(xué)習(xí)規(guī)律等編制的，因此，其在科學(xué)實驗內(nèi)容的編制上更加突出了科學(xué)實驗的實踐性、知識性、科研性。但是，很多科學(xué)教師在科學(xué)實驗教學(xué)時，過多側(cè)重理論知識的講授，雖然個別科學(xué)教師也將STEM教育理念融入到了科學(xué)實驗教學(xué)之時，但因?qū)嶒灲虒W(xué)設(shè)計缺乏合理性，也未能有機(jī)地將其他學(xué)科知識內(nèi)容加以整合，進(jìn)而導(dǎo)致很多科學(xué)實驗內(nèi)容、教學(xué)內(nèi)容均無法達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力、實踐創(chuàng)新能力的目的，最終出現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量低下的問題。

三、STEM教育理念在初中科學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用策略

STEM教育理念是將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多學(xué)科內(nèi)容加以有機(jī)地整合，以培養(yǎng)學(xué)生自主探究、合作以及既有知識綜合應(yīng)用能力。但是，由于初學(xué)生既有的學(xué)科知識、自主探究能力、分析研究能力有限，因此，教師在運用STEM教育理念進(jìn)行科學(xué)實驗教學(xué)時，也要采用相應(yīng)的教學(xué)策略、教學(xué)方法來提升“教”、“學(xué)”質(zhì)量。

1.合理設(shè)計STEM教學(xué)流程。

STEM教育理念強(qiáng)調(diào)立足于各學(xué)科之間的整合視角來教學(xué)，其涉及的學(xué)科、知識內(nèi)容相對較多，因此，教師必須合理設(shè)計STEM在科學(xué)實驗教學(xué)中的流程，且在設(shè)計過程中，還要充分考慮如何通過各學(xué)科的整合來引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，并在解決項目或是解決實際問題過程中能夠培養(yǎng)學(xué)生實現(xiàn)多學(xué)科知識之間的自主整合與實踐應(yīng)用，進(jìn)而達(dá)到培養(yǎng)、提升學(xué)生科學(xué)實踐能力、創(chuàng)新能力以及科學(xué)素養(yǎng)的目的[3]。

STEM教育理念下科學(xué)實驗教學(xué)流程的設(shè)計是保障科學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)。因此，教師在STEM教育理念下進(jìn)行科學(xué)實驗教學(xué)時，必須合理設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)流程。筆者在浙教版科學(xué)八年級上冊《模擬潛艇沉浮的實驗》的制作實驗教學(xué)時，則采用了以下流程來進(jìn)行：

流程一：情境整合（創(chuàng)設(shè)多學(xué)科應(yīng)用情境，激發(fā)學(xué)生探究欲）：引用學(xué)生比較感興趣的航空母艦、潛艇在水中的情境，引出問題，使學(xué)生能夠自主思考、探究重物在水中“沉浮”的基本原理。

流程二：基于問題或是項目學(xué)習(xí)（提出問題）：為什么數(shù)萬噸重的航空母艦可以在海中安全航行呢？為什么數(shù)萬噸重的潛水艇可以在水中自由起浮呢？它們是如何做到的呢？

流程三：分組研究問題或是項目（開放式教學(xué)，開發(fā)學(xué)生探究潛能）：一是引導(dǎo)學(xué)生（或小組內(nèi)自主探究）討論航空母艦為什么能夠在水中安全航行、潛水艇為什么可以在水中自由沉浮？二是設(shè)計、交流自己的“模擬潛艇沉浮的實驗”設(shè)計方案。

流程四：核心學(xué)科知識的構(gòu)建（科學(xué)實驗的目的和主要內(nèi)容）：如何運用現(xiàn)有知識（多學(xué)科知識）、生活中現(xiàn)有材料去完成“潛艇自由沉浮”的實驗。

流程五：內(nèi)容整合或?qū)嶒灧桨刚希ㄔO(shè)計解決問題或?qū)嶒灥姆桨福和瓿蓪嶒灧桨傅脑O(shè)計以及材料（應(yīng)用最少、最簡單的材料）的收集；制作出可以自由沉浮的“潛艇”，并進(jìn)行自主的相關(guān)實驗。

流程六：實驗結(jié)果討論與交流（知識交流、分享）：就相關(guān)實驗結(jié)果或不足等進(jìn)行交流、討論、知識或?qū)嶒灱记傻姆窒怼Ｍ瑫r，還要就“潛艇沉浮”實驗中的科學(xué)知識（浮力、重力、質(zhì)量、密度等）、數(shù)學(xué)知識（浮力、重力等的計算）等的應(yīng)用進(jìn)行討論與交流，以促進(jìn)、提升學(xué)生多學(xué)科、多技能的應(yīng)用意識與能力。

流程七：是否實現(xiàn)科學(xué)實驗教學(xué)目標(biāo)，教師應(yīng)及時進(jìn)行教學(xué)總結(jié)、反思。

筆者在將STEM教育理念應(yīng)用于初中科學(xué)實驗教學(xué)過程中，均采用上述教學(xué)流程來進(jìn)行，同時，也會結(jié)合科學(xué)實驗內(nèi)容采用不同的教學(xué)模式、情境模式等，以突出科學(xué)實驗的開放性、動態(tài)性、實踐性以及綜合性[4]。

2.明確STEM實驗教學(xué)目標(biāo)。

雖然，初中科學(xué)實驗教學(xué)中涉及的知識面相對較廣，但難度并不大，但教師在應(yīng)用STEM教學(xué)過程中也要明確實驗教學(xué)目標(biāo)，使學(xué)生能夠在實驗過程中明確自己實驗的目的，進(jìn)而才能真正提高實驗方案設(shè)計的有效性與合理性。如在《模擬潛艇沉浮的實驗》科學(xué)實驗教學(xué)時，筆者首先進(jìn)行了教學(xué)目標(biāo)的確定，見表1。

3.合理設(shè)計STEM教學(xué)內(nèi)容。

科學(xué)實驗是科學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容之一，其教學(xué)內(nèi)容涵蓋了大量的實驗方案設(shè)計、實踐操作內(nèi)容，且會涉及到諸多學(xué)科知識，如數(shù)學(xué)、化學(xué)、技術(shù)、物理等。雖然，初中科學(xué)教材中很多科學(xué)實驗內(nèi)容均能夠與STEM教育理念相契合，但是并不說明所有的科學(xué)實驗內(nèi)容均能采用STEM教育理念。加之STEM教學(xué)理念是基于“項目”或“問題”或“任務(wù)”的基礎(chǔ)之上，因此，科學(xué)教師在實施STEM科學(xué)實驗教學(xué)過程中，也要結(jié)合學(xué)情、學(xué)生既有學(xué)科知識、實踐操作能力等來開展，并為學(xué)生選擇一些適合于實施STEM教學(xué)的科學(xué)實驗內(nèi)容，進(jìn)而才能促使學(xué)生在科學(xué)實驗的學(xué)習(xí)、實踐、解決問題的過程中，能夠有機(jī)地將不同學(xué)科的知識融入到科學(xué)實驗之中[5]。在《模擬潛艇沉浮的實驗》實驗教學(xué)時，筆者為學(xué)生設(shè)計了主要的實驗教學(xué)內(nèi)容：

一是實驗教學(xué)的導(dǎo)入。利用航空母艦、潛水艇在水中的安全行駛引入“潛艇”的實驗課題。使學(xué)生通過航空母艦、潛水艇運行的視頻，主動思考影響兩者“浮沉”的基本原理和方法。同時，借助情境導(dǎo)入來激發(fā)學(xué)生求知欲，增加學(xué)生實驗興趣，提高學(xué)生科學(xué)實驗的參與度。

二是浮力和重力。讓學(xué)生自主設(shè)計或體驗浮力、重力，如將泡沫放在水中、實心鐵球放在水中或是回想自己游泳時的感受等。同時，觀察學(xué)生是否能夠在親身體驗中運用不同學(xué)科的知識去思考、設(shè)計本次實驗的方案，并對學(xué)生提出的問題進(jìn)行適時、適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)或解答。

三是進(jìn)行實驗設(shè)計。讓學(xué)生結(jié)合實驗要求自主設(shè)計相應(yīng)的“沉浮”方案。該教學(xué)環(huán)節(jié)，筆者旨在引導(dǎo)、鼓勵學(xué)生運用不同的思維方設(shè)、不同的科學(xué)方法進(jìn)行實驗設(shè)計。

四是驗證和分享。筆者在組織學(xué)生完成相關(guān)的“模擬潛艇沉浮”的實驗設(shè)計與驗證后，筆者會鼓勵學(xué)生利用自己既有的多學(xué)科知識及課前收集的相關(guān)實驗資料，進(jìn)行自主（或是小組合作）實踐性實驗與體驗，使學(xué)生能夠在自己的實驗結(jié)果上借鑒他人的實驗設(shè)計方案，進(jìn)行實驗方案的優(yōu)化和創(chuàng)新，以培養(yǎng)學(xué)生工程意識。

最后，筆者還會組織學(xué)生就實驗結(jié)果、設(shè)計技巧、制作等進(jìn)行討論、分享。通過討論和分享來促進(jìn)學(xué)生之間的知識交流，并對培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰Α⑦壿嬎季S能力、驗證能力、科學(xué)思辨能力均具有重要的現(xiàn)實意義。

4.STEM教學(xué)模式下的交流與分析。

初中科學(xué)實驗中（如《模擬潛艇沉浮的實驗》實驗），往往會其會涉及到不同的科學(xué)知識、數(shù)學(xué)知識、數(shù)據(jù)計算等，教師在設(shè)計教學(xué)內(nèi)容時，教師在實驗教學(xué)中既要充分考慮到學(xué)生的科學(xué)知識水平、數(shù)學(xué)知識水平以及綜合計算能力等，避免出現(xiàn)過多的、超出學(xué)生既有知識、理解能力等教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)而才能在激發(fā)學(xué)生實驗學(xué)習(xí)、實踐興趣的基礎(chǔ)上，激發(fā)其科學(xué)探究欲。教師也要鼓勵學(xué)生在實驗前、實驗中、實驗后進(jìn)行知識的交流與分享。如實驗材料、實驗方案、實驗技巧等方面的交流，也可以是實驗結(jié)果驗證過程的交流等等。筆者認(rèn)為，STEM教學(xué)理念是一種高效的整合性教育理念，教師應(yīng)幫助學(xué)生掌握STEM理念下解決問題、提高實驗質(zhì)量的方法與流程，以提高實驗教學(xué)質(zhì)量。筆者在實驗教學(xué)過程中都會鼓勵學(xué)生就不同科學(xué)實驗中欲解決的核心問題、實驗方案設(shè)計、實驗所涉及到的各學(xué)科知識、實驗技巧、實驗操作細(xì)節(jié)等各方面內(nèi)容進(jìn)行交流、分享，以幫助學(xué)生不斷提高自身在科學(xué)實驗過程中的實踐能力、解決問題能力，使學(xué)生能夠在知識交流、分享過程中，獲取更多的相關(guān)知識。另外，學(xué)生在知識交流與分享過程中，也能夠激發(fā)學(xué)生探究、實踐的熱情，并在驗證彼此實驗內(nèi)容、實驗方案過程中促使其不斷完成新知識的建構(gòu)與內(nèi)化，這對全面提升實驗教學(xué)質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。

STEM教育理念應(yīng)用于初中科學(xué)實驗教學(xué)過程中，教師要還充分重視教學(xué)評價的重要性，并通過科學(xué)、有效的教學(xué)評價來進(jìn)一步推動STEM教育理念的實施效果。筆者在教學(xué)實踐中，既會對學(xué)生在科學(xué)實驗學(xué)習(xí)、操作過程中的學(xué)習(xí)態(tài)度、探究能力、釋疑能力、實驗方案等內(nèi)容進(jìn)行客觀的評價，還會在評價的過程中引導(dǎo)、鼓勵學(xué)生通過及時對自己在科學(xué)實驗中的收獲進(jìn)行及時的總結(jié)，并將自己的總結(jié)結(jié)果、心得與其他同學(xué)進(jìn)行分享與交流，以促進(jìn)學(xué)生在彼此的知識交流與分享過程中完成知識的建構(gòu)，最終實現(xiàn)以教學(xué)評價來促進(jìn)STEM教育理念在實驗教學(xué)中的應(yīng)用效果。

四、結(jié)語

STEM教育理念在初中科學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，教師必須要結(jié)合學(xué)生各學(xué)科的既有的知識水平、知識理解能力以及實驗操作能力來進(jìn)行。同時，教師也要明確STEM教育理念下的教學(xué)流程、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容，以來提高科學(xué)實驗的實踐性、知識性、科研性，使學(xué)生真正能將既有的多學(xué)科知識應(yīng)用到科學(xué)實驗之中，并在提高科學(xué)實驗學(xué)習(xí)效率的同時，也能夠不斷提升自身的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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[2]彭聰，王晶瑩.美國STEM教育實施策略的研究[J].首都師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016（3）.

[3]黃曉，李揚.論STEM教育的特點[J].江蘇教育研究，2014（15）.