科技類校本課程“STEM化”的實踐與思考

葉笛

[摘 要]為探索科技類校本課程“STEM化”的有效途徑，總結歸納了STEM教育應具備的核心特征，提出如何將現有科技類校本課程進行改版優化，形成具有鮮明STEM特征的課程資源，并以科技類校本課程“創意航天”中的“水火箭”主題為例，說明優化改進的措施和方法。

[關鍵詞]校本課程；STEM教育；跨學科教學

隨著課程改革的不斷推進和深化，STEM教育正以其不同于分科教學的跨學科整合課程的方式受到極大關注。我國的STEM教育仍處于初級階段，課程資源嚴重不足，而花費大量資金引進國外的原版STEM課程資源，又難免“水土不服”。為了解決課程資源不足的問題并實現STEM教育的本土化，筆者嘗試把傳統的科技類校本課程打造成具有鮮明STEM特征的課程資源，并開展了相關實踐研究，總結歸納了一些行之有效的方法和措施。

一、明確STEM教育的核心特征

綜合國內學者對于STEM教育的研究，可將其核心特征歸納為以下九個方面。一是跨學科，這是STEM教育最重要的核心特征，它意味著教育的重點不在某個特定學科上，而是將重心放在特定的問題上，強調綜合利用多門學科的知識來解決問題。二是趣味性，STEM教育重視分享和創造，強調使學生能夠從分享和創造的過程中獲得樂趣與成就感。三是體驗性，強調學生以動手、動腦的方式參與學習活動，在這種體驗式的過程中，不僅獲得“陳述性知識”，還習得蘊含在項目問題解決過程中的“程序性知識”。四是情境性，STEM教育不直接傳授學生學科知識，而是鼓勵把知識還原于生活，常以生活中面臨的實際挑戰作為問題情境，激發學生綜合運用多種知識解決實際問題。五是協作性，特別強調通過團隊成員之間的互相幫助和互相啟發進行群體知識建構，往往采用小組合作方式，共同搜集、共享、分析或處理信息，提出多種假設并展開驗證，評價也更多地針對團隊而非個人。六是設計性，要求學習產出環節要包含設計作品，通過設計促進知識的融合與遷移，通過作品外化學習的結果，外顯習得的知識和能力。設計作品的質量可以體現學習者的創新思維、靈活運用技術和綜合運用知識的能力水平。七是藝術性，強調在工程設計過程中體現美感，提高作品的藝術性。八是實證性，這不僅是STEM教育的一個特征，更是科學區別于其他學科的重要特征，強調基于證據驗證假設，以實事求是、嚴謹務實的科學態度來開展研究。九是技術增強性，STEM教育強調學習者要具備一定的技術素養，要求習得并較熟練掌握技術手段，從而利用技術實現創意，將構想形象化，創造制作形成實物作品[1]。

傳統的科技類校本課程往往只強調某一類技術的傳授，或者根據某一載體以特定內容和固定方式開展動手實踐活動，雖然也具有活動內容有趣、鼓勵學生小組合作、指導學生動手制作等特點，但往往不能完全涵蓋以上所提及的STEM教育的特征，在跨學科融合、基于現實問題的情境創設以及技術增強性等方面有明顯的缺失。

二、挖掘科技課程內容中值得放大的關鍵點

并非所有的課程內容都適合開發為STEM課程。這就需要教師重新審視課程內容體系，從中挖掘值得大做文章的關鍵點。由于STEM課程離不開工程設計，因此在整個課程內容中，可首選涉及動手制作的活動作為值得進一步開發的內容。以“創意航天”校本課程為例（曾榮獲首屆全國校本課程設計大賽特等獎），是比較成熟的科技類校本課程，從整體內容框架上可以看出其具有完整的系統性和連續性（見表1）。

為了在此基礎上開發出能夠促進學生全面發展的STEM課程，必須勇于突破常規，打破原有課程體系的固有模式。從表中內容可見，第一章主要是“講解有關航天科技的常識和基礎知識”，并不適合改版為STEM課程資源。而第二章中的“運載火箭”“航天飛機”“人造衛星”“宇宙空間站”等有關航天科技領域中的實體內容就比較適合轉化成STEM課程資源。因為，這些內容涉及具體的模型制作，可與工程設計結合起來。其中“飛天利劍——運載火箭”部分就擴展衍生出了STEM課程“水火箭”的內容框架（見表2）。

三、創設趣味情境，將體驗活動任務化

傳統的科技類校本課程往往以具體的套材作為載體開展相應的制作活動，較少創設趣味化的情境。而STEM課程更強調在具有趣味性的情境中去解決真實的問題，以問題或任務為驅動，來完成項目作品或形成解決方案。因此，將課程中的具體教學內容融入一個有趣并有意義的情境中，是STEM教學活動的必要前提。

以“水火箭的制作”活動為例，傳統的授課方式是：教師向學生展示一枚水火箭模型，然后講解水火箭的結構和各部分的作用，接著指導學生用飲料瓶等材料仿制一枚水火箭，最后帶領學生到戶外發射模型。而作為STEM課程則不然，需要教師根據學生的認知特點創設一個有趣的情境，如一個外星人入侵地球的故事，并匹配相應的視頻短片來渲染氣氛。

【創設情境】——“精準打擊”

隨著科技的飛速發展，人類對空間的探索不斷加深，我們終于發現地球不是宇宙中唯一存在生物的星球。在與地外文明接觸的過程中，也暴露了地球在宇宙中的坐標位置。終于不幸降臨，一群外星生物先遣隊入侵地球，在世界各地建立起要塞據點。我們必須要趕在外星生物大部隊到來之前摧毀這些要塞據點，才能挽救人類，保衛地球。勇士們，為了我們共同的家園，馬上拿起你的武器實施精準打擊吧！

學生在觀看了外星人入侵地球的科幻電影短片后，被這個充滿神秘感的故事情節所吸引，在旁白的召喚下，激發了保衛家園的責任感和使命感，使接下來的水火箭制作活動充滿了奇幻色彩和趣味性。盡管情境的創設是虛構的，但需要完成的任務是真實的，即“如何實施精準打擊”。這一任務激發了學生的能動性，使他們能夠積極思考并踴躍參與。

四、制造認知沖突，激發問題意識

開門見山直奔主題式的導入，常無法激發學生的問題意識。在創設了有趣的挑戰情境后，學生們躍躍欲試。此時，教師應從問題入手，引發學生的認知沖突，促使學生開動腦筋，通過搜索已有的知識或學習新知識嘗試解決新問題。例如：教師不急于向學生呈現水火箭的模型成品，而是先組織學生以小組合作的方式到戶外嘗試發射單只飲料瓶，看能否擊中預定目標。在一番努力和嘗試中，學生總是無法將飲料瓶發射到預定區域。由此開始思考：“為什么單只飲料瓶無法做到精準打擊呢？”同時，學生也通過觀察飲料瓶的飛行軌跡來積極尋找原因。接下來，教師再讓學生展開小組討論“如何改進飲料瓶的結構才能達到精準打擊”。學生們根據自己的體驗和觀察到的現象總結出單只飲料瓶在飛行過程中存在的缺陷，思考如何通過改良其結構使飛行姿態更加穩定、飛行軌跡更加可控。最終，學生討論得出“增加流線型的箭頭有利于減小空氣阻力”“增加尾翼可以使箭體飛行姿態更加穩定”等重要結論。前期花費大量時間所進行的鋪墊看似多余，實則不然，它充分激發了學生自主探究的意愿，體現了STEM課程體驗性和協作性的特征。

五、以解決問題為驅動，綜合運用各學科知識

STEM教育提倡打破學科界線，實現跨學科融合，充分調動各學科“有用的”知識來解決實際問題。學生長期接受分科教學，在大腦中存儲了很多個單一學科獨立的知識單元，很少有機會將各學科知識進行整合運用。以科技類校本課程為基礎的STEM課程可以給學生搭建綜合運用各學科知識的平臺和機會。例如，學生已經歸納并勾勒出了水火箭的構造雛形，教師便可順勢利導向學生介紹水火箭的制作方法。在制作過程中，學生并不是單純模仿，而是邊加工、邊思考，隨時需要解決制作過程中出現的新問題。在實施制作加工之前，學生還必須先掌握一些常見工具的使用技巧（即STEM中的“T”——技術），工具的使用技巧會影響水火箭成品的質量和最終發射的效果，如用美工刀切掉飲料瓶的底部，用剪刀將切口邊緣修剪光滑等。教師則有必要傳授安全使用工具的方法。而“如何將飲料瓶的橫截面的圓周進行三等分”“什么尺寸的尾翼更適合水火箭飛行”這樣的問題，就需要運用數學知識來解決（即STEM中的“M”——數學）。在改良飲料瓶結構的過程中，學生必須要知道箭頭、箭體、尾翼等各部分的作用，并理解“結構決定功能”這一科學觀念（即STEM中的“E”——工程）。而在水火箭發射前的調試中，還涉及對水火箭前端進行配重從而合理調整模型自身的重心與壓心的相對位置，需要學生學習相關的物理學知識（即STEM中的“S”——科學）。這樣，以解決問題為驅動，便可以將知識的學習和運用融入到具體任務中，大大激發學生調用知識解決實際問題的能力。在遇到已有知識無法解決的問題時，學生也將更加積極主動地獲取新知識，并在此過程中形成新的知識建構。

經過改版所形成的STEM課程豐富了原有的教學模式。以“精準打擊”這一活動內容為例，可總結歸納出如圖1所示的基本教學環節。

從圖1可以發現，“創設情境”“初步體驗”和“觀看學習”這三個環節是在主體學習活動之前的預熱和鋪墊。相比于傳統教學，明顯增添了許多鮮明的STEM元素。而結尾處的“實踐檢驗”和“分享總結”兩個環節也更加凸顯了STEM教育理念。

通過對原有“創意航天”科技類校本課程中“水火箭”一課的改版和優化，可歸納總結出校本課程“STEM化”的有效措施為：先挖掘原課程中與“工程設計”相關的活動內容，再緊扣STEM教育的核心特征擴充教學活動的基本環節；從“創設情境”到“任務驅動”，從“實踐檢驗”到“分享交流”，始終以“解決問題”為主線，激發學生調用各學科知識或學習新知識，以達到提升綜合運用跨學科知識解決問題的能力。STEM教育課程資源不僅給學生提供了將各學科知識融會貫通的機會，還將知識的學習與解決實際問題相融合，達到了學以致用的目的。

參考文獻

[1]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究.2015（4）：15-17.

（責任編輯 郭向和）