淺議小學科學STEM教育中學生創新能力的培養

馬志軍 趙素英

摘要：隨著新課程改革，越來越多創新的教學模式引入我國中小學課堂中，不僅提升了學生的學習興趣，也讓教師的教學質量大大提升。現今的社會是科技的社會，人們對于新科技的依賴程度越來越高，科學、技術、工程與數學領域的結合越來越緊密。STEM教育理念應運而生，STEM教育將這四者有機結合，采用一種跨學科的融入教學模式為小學科學課堂帶來新氣象，啟發學生學習科學的興趣，也在動手實踐中提升學生科學創新能力，這也是小學科學學科核心素養的重要一環。本文以小學科學課程為例，闡明了STEM教育理念，分析了小學科學課堂中開展STEM教育的重要性，并結合課堂實例分析了在小學科學STEM教育中培養學生創新能力的策略。

關鍵詞：教學模式 STEM教育 創新能力

在現今的小學科學課堂中，許多教師依然沿用著傳統的教學方法，教師講，學生聽，一旦涉及到科學實驗，也就是教師在課堂中講解、演示，讓學生完成。這樣的課堂雖然能夠達到教學目標，卻忽略了學生的興趣與創新能力，學生只是機械地完成學習任務，被動地接受知識，在心中還會對教師產生依賴心理，認為這堂課的重點教師一定會講述，所以不需要進行思考。這樣的教學模式一開始學生可能會主動配合教師，但是時間久了學生對科學的興趣不高，無法養成好的科學探究習慣，更別說基于科學進行創新了。因此教師要創新教學方法，在科學教學中運用STEM教育理念，將各學科整合，調動學生的科學積極性，進而提升學生的創新能力。

一、STEM教育理念

所謂STEM，是Science、Technology、Engineering和Mathematics這4個英語單詞首字母的組合，STEM教育是科學、技術、工程和數學的教育。它誕生于20世紀80年代，當時由于美國對科技人才十分缺失，他們試圖通過STEM教育理念培養人才，提升國家競爭力，而后大獲成功，這也說明了STEM教育的有效性。

在教育教學中實施STEM教育，需要從兩方面把控。

一是內容上的綜合。教師在課堂中開展STEM教育時，不能單一地讓學生學習科學，而是要將各學科相整合，能夠運用自己所學的其他學科知識解決實際問題。科學學科本就來源于自然，在許多科學問題中都與其他學科有著內容上的統一。例如“設計制作一個保溫杯”（教科版5年級下冊）課程中，我們需要解決的科學問題“為什么杯子中的熱水會變涼”，與工程學需要解決的問題“怎樣才能夠增強杯子的保溫性能”這2個問題看似不同，實際上卻大有聯系，因為它們的本質都是熱學能量的傳遞，這便是STEM教育的工程與科學相結合。

二是形式上的綜合。在剛剛接觸到STEM教育理念時，許多教師會走進一個誤區，既然STEM教育將不同的學科整合在一起了，那我們為什么還要分學科學習，而不直接一起學習呢？雖然STEM教育是一種綜合性學科學習理念，但是卻并不能取代各學科之間的邏輯性。分科知識有自身獨有的知識性與邏輯性，學生學習時會形成學科思維，而如果沒有分科學習知識，學生在進行知識整合時就無法在腦海中形成知識體系，更別說基于STEM進行創新了。因此教師在科學課程中要巧妙運用STEM教育理念，突出STEM教育的優點，先為學生選擇特定的現實問題，讓學生基于問題開展學科整合，實現形式上的綜合，進而提升學生解決問題的能力。

二、小學科學課堂中開展STEM教育的重要性

1.有利于激發學生的科學興趣

俗話說“興趣是最好的老師”，只有當學生對科學學科產生了學習興趣，才能夠主動參與到科學探究中，提升學生的科學核心素養。因此教師要改變傳統的科學課堂教學模式，將STEM教育融入科學課程當中，從學生的生活出發，尋找一些與學生生活密切相關的問題，讓學生積極參與，快樂學習。例如在教學“造一艘小船”過程中，學生學習了物體的沉浮與排開的水量有關之后，教師嘗試帶領學生用1張A4紙造1艘小船，并測試小船的承載能力。教師試圖將STEM教育理念融入其中，與數學學科相結合，讓學生將數學學習的體積計算運用到小船制作當中，更好地實現學科整合，學習的趣味更濃厚，每一位學生都耐心、細心地制作自己的小船，極大地激發了學生的科學興趣。

2.有助于培養學生的創新能力

創新是時代發展的靈魂，在小學科學核心素養中也重視學生創新素養的培養。STEM教育重視學科之間的交互融合，但筆者認為，STEM教育還應該結合更多的學科，至少還應該與藝術相融合，在STEM中加入“Art”，成為STEAM教育。這個“A”狹義上指美術、音樂等，廣義上則包括美術、音樂、社會、語言等人文藝術，實際代表了STEM強調的藝術與人文屬性。

STEM教育的藝術性強調在自然科學教學中增加學習者對人文科學和社會科學的關注與重視。學生自己通過動手、動腦的形式獲取知識，主動學習，更好地從中創新，提升自己的創新能力。例如在教學“建高塔”這一課時，筆者通過圖片展示各類高塔的外形，讓學生明白建高塔需要滿足上小下大、上輕下重的原理，接著出示任務，用1根胡蘿卜、100根牙簽，在40分鐘內建1個高塔，評價從高度和美觀程度考慮。熟悉的材料，新穎的話題，一下子吸引住了學生，他們馬上全身心地投入到緊張的比賽中去了。有的負責切胡蘿卜，有的負責設計造型，有的討論怎樣充分利用那100根牙簽……當然，在建造過程中也出現了各種意外，如牙簽數量沒有控制，導致最后胡蘿卜剩余;如塔身容易傾斜……學生通過圖紙設計、數學計算材料的利用率，從工程學角度考慮高塔的牢固性，從科學的角度考慮高塔的穩定性，從美術欣賞的角度審視自己的作品，設計出各種造型的高塔，完成比賽項目。通過這樣的項目學習，既培養了學生設計制作的能力，又讓學生在科學實驗中不斷創新，激發想象力，還培養了學生的審美能力。

3.有易于培養學生的科學素養

在新課程改革過程中，我們不僅要求學生掌握學科專業知識，更為重要的是培養學生的科學核心素養。科學核心素養要求提升學生的科學探究能力和團結合作能力。在傳統的科學教學中都是以教師講解知識為主，學生活動的內容很少。而STEM教育需要學生與教師的共同配合，利用各種途徑解決科學問題，教師也可以讓學生以小組的形式合作收集數據，開展實驗。特別是對于一些較為復雜的實驗，教師讓學生以合作的形式開展，能夠極大程度縮短實驗時間，提升實驗效率。小組在合作實驗中也會主動交流，互相學習，每一個小組中都有基礎不好的學生，他們也能夠主動配合小組實驗，希望能夠盡到自己的一份力量。以小組的形式探究實驗，可以提升學生的團隊合作能力，進而提升學生的科學核心素養。

三、小學科學STEM教育中培養學生創新能力的策略

1.從實驗入手，激發學生的探究欲望

小學科學是一門實踐性的學科，實驗是小學生學習科學的主要方式。教師可以通過實驗激發學生的探究欲望，讓學生通過實驗釋放自己的天性。在教學過程中，教師可以結合數學、工程、技術等相關知識，引導學生建立系統的實驗思路，提升學生的探究欲望。例如在學習了“浮力”這一課后，學生已經知道了物體的浮力與排開的水有關。在此基礎上，教師可以結合技術與工程的知識，指導學生設計制作一件關于浮力的作品。在課堂初始，教師可以讓學生先觀察教師制作的浮沉子，分析浮沉子的工作原理。當擠壓礦泉水瓶時，瓶內的壓力增大，浮沉子內的水位上升，浮沉子下降;當松開礦泉水瓶時，浮沉子內的水位下降，浮沉子上升。讓學生根據工作原理，設計制作一個屬于自己的浮沉子模型。學生根據實驗原理，使用身邊的原材料，制作了不同樣子的浮沉子，有的學生利用曲別針和吸管制作了浮沉子，還有的學生利用筆蓋制作出了浮沉子，學生的不同想法給浮沉子帶來了不同的改變，讓學生的個性與特長得到了充分的發揮。

2.與生活結合，培養學生的創新能力

著名心理學家皮亞杰曾說：“教育的首要目標在于培養有能力創新的人，而不是一味地模仿前人已經做過的事情。”這充分說明了創新對于培養學生科學素養的重要性。小學生本就想象力豐富、好奇心強，對于科學有著自己心中的理解。因此在小學科學教學中，教師運用STEM教育理念將技術、工程、數學與科學相結合，可以在學生學習科學課程的基礎上提升創新能力。例如在教學“像火箭那樣驅動小車”這一課時，筆者為了讓學生更好地理解反沖力原理，帶領學生走出教室，來到操場中，引導學生自己動手制作紙火箭，通過紙火箭的制作初步探索火箭的奧秘。制作紙火箭的準備材料很簡單，只需要紙、雙面膠及事先準備好的壓縮空氣就能夠讓火箭飛起來。讓學生以團隊的形式每個小組設計制作1枚紙火箭，涂上自己喜歡的顏色并命名。當每個小組都完成了紙火箭的制作后，操場上多了許多五顏六色的火箭，這些顏色代表著學生熱情洋溢的笑臉，以及團結合作的結果。當小組組員踩下作為動力的空氣開關后，剛才還在地面上的紙火箭瞬間就飛升到空中，有二三十米高，大家的熱情被點燃。“你們還有沒有什么辦法能夠改進紙火箭，讓火箭可以飛得更高？”類似這樣的問題激發了學生的創新能力，小組成員熱情高漲，積極地討論可以通過怎樣的技術改進讓自己的火箭發射得更高、打破班級記錄。這樣的課堂與生活緊密結合，使學生學習科學知識不再拘泥于文本，而是從生活中思考，從生活中創新，不斷激發智力，提升創新水平。

3.與各科整合，提升學生的科學素養

STEM教育要系統地融合科學、技術、工程、數學等領域的知識與技能，因此教師在教學中要注重于各科知識的整合，如數學、勞技等，通過知識整合的方式引起學生更加深入的思考與探索。科學的探究不僅需要科學的知識，還需要數學課的分析、勞技課的動手能力，只有通過各科的整合，才能全方位地提高小學生的科學素養。

例如在教學6年級“杠桿的科學”一課時，需要學生理解杠桿原理，并且能夠明白遠離支點的物體會產生更大的力。在這節課的學習中，教師可以通過與數學學科整合的方式，幫助學生更好地理解杠桿原理。在這一課中，有一個利用杠桿尺探索杠桿原理的環節，這個環節要求學生記錄鉤碼數與鉤碼到支點的距離。教師結合數學學科知識，讓學生探索鉤碼數與鉤碼到支點的距離之間的關系。學生在探究過程中，最容易發現的就是在兩邊的鉤碼數相同的情況下，兩邊的鉤碼到支點的距離也相同，而且不管距離有多遠，都是保持平衡的狀態。接著教師可以引導學生思考鉤碼數與鉤碼到支點的距離是否存在某些數量上的關系。學生通過觀察數據，能夠很快從一些特殊的數據中觀察到：鉤碼×鉤碼到支點距離=另一邊的鉤碼×鉤碼到支點的距離。在學生觀察出這個數學模型后，教師要先讓學生用自己記錄下來的其他數據驗證這個想法是否正確，培養學生科學思維的嚴謹性。當學生通過自己實驗驗證成功后，就會感到十足的成就感。在這樣的引導下建立的知識，比直接告訴學生更具有教育意義。在學生了解了杠桿原理之后，教師還通過結合勞技課的方式，讓學生利用杠桿原理設計制作1個能夠稱量50克物體重量的小桿秤。這樣的活動將學生從以往的知識學習引入到設計制作當中，讓學生運用多元化的知識完成設計制作的過程，從而提升學生的科學核心素養。

四、結語

在小學科學課程教學中，能夠運用STEM教育理念的方面還有很多，教師通過實驗入手、與生活結合，以及與學科整合，引導學生一步步來到科學世界的大門，運用自己的思維開啟科學世界的殿堂，在STEM教育理念下啟迪心靈，學會實踐，學會團結，學會運用不同學科的知識解決實際問題。當然，教師在運用STEM教育理念時要貼合學生生活實際，讓學生從生活中思考，更好地培養創新能力，進而提升學生的核心素養。

參考文獻

[1]陳澤強.融合STEM教育理念的小學Scratch教學的探究與思考.中國信息技術教育，2018（2）

[2]羅德清.如何構建具有STEM教育特色的科學室場.小學科學（教師版），2018（2）

[3]萬婉霞，吳雪暉.STEM視角下的“趣味”科學教學探究.小學科學（教師版），2018（1）

點評

隨著當代科學的不斷發展和教育的日趨現代化，作為基礎教育階段的科學教育，一些新的理念諸如STEM教育理念等也在不斷融入，并將進一步豐富我國科技創新人才早期培養的模式。本文作者正是根據上述觀點，依托自身在科學教育實踐中的探索，研究和總結出在小學科學教育中應用STEM教育模式，培養學生科學素養和創新能力的具體案例和相關策略，值得廣大科學教師和科技輔導員在培養科技創新后備人才過程中予以參考或借鑒。

如果作者能夠更為深入地理解STEM教育理念，并進一步規范科學素養、科學核心素養和創新能力等概念，以及加強文章整體的邏輯關系，將使本文不僅具備實踐性，也會顯著提升學術性。

——翟立原（中國青少年科技輔導員協會理論工作委員會副主任委員，第26屆全國青少年科技輔導員論文征集活動評審委員會主任委員）