基于STEM教育理念下小學科學教學設計的應用

曾曉華

摘要：《義務教育小學科學課程標準（2017版）》（以下簡稱新課標）首次提出STEM教育理念應用于小學科學教育。小學科學課是一門實驗課，要求動手實操和教學的情節、內容相輔相成，恰好就是STEM教育最好的實踐平臺。根據學生的能力特點，設立不同的教學目標，采用不同的教學手段進行課堂教學，才能真正實現有效的STEM特色課堂，培養學生的工程思維。

關鍵詞：STEM教育理念；小學科學；工程思維（解決問題的思維）

一、背景介紹

新課標中將科學的學習提前至一年級，并明確將小學科學課程界定為“一門基礎課程”，可見小學科學課程已經成為與語文、數學相當的課程了。新課標中首次提出了STEM教育理念。STEM是科學（science）、技術（technology）、工程（engineering）、數學（mathematics）的簡稱，是當今世界各國提倡的新科學教育理念。STEM教育的核心就是解決問題的思維，也就是工程思維。STEM 教育中強調教育工作者不再過于關注學科界限或者將重點放在某個特定學科，而是將重心放在解決特定的工程問題上，強調利用科學、技術、工程或數學等學科的知識共同解決問題，實現跨越學科界限、從多學科知識綜合應用的角度提高學生解決問題的能力。與傳統科目語文、數學不同，小學科學課是一門實驗課，要求動手實操和教學的情節、內容相輔相成，恰好就是STEM教育最好的實踐平臺。下面結合科教版六年級上冊第二單元形狀與結構5.《做框架》（以下簡稱《做框架》）的整個教學過程，淺談STEM理念在小學科學課堂教學設計中的應用，為將STEM整合融入我國科學教育、改善科學教育課程設計提供一個參考視角。

二、教學實錄

環節1.借用前概念調研提出工程問題，落實工程問題

前概念調查問卷

1.下面屬于框架結構的是（ ）

[A B C]

2. 你認為下列屬于框架結構的特點是（ ）

A.有許多拱形

B.只有四邊形結構

C.中間都是鏤空

3.你認為以下幾種圖形哪種最穩固（ ）

A.長方形 B.三角形 C.梯形

4.老師邀請你們小組挑戰班級立體框架設計建造大賽。請你們小組討論怎樣才能搭建一個最強的框架？需要解決什么樣的科學問題和工程問題？還有什么需要注意的？

工程目標：用木條建造一個形狀不限的立體框架，使用框架承托重物。

工程限制：26根木筷，30根橡皮筋

工程挑戰：承重同樣的大小材質相同的課本，比比誰的框架承重數量最多。

設計意圖：對學生的前概念進行摸底，同時根據基本概念的摸底，教師可針對本班情況及時作出學習活動的調整。問卷的第二部分從基本調研直接跳到項目要求，開課就提出項目要求，引導學生用解決問題的思維去思考。在思考的同時，需要解決的問題便一一浮現，例如，“什么是框架結構”“哪種框架結構好”“要用什么搭建”“搭建技術要點是什么”……一開始就提出需要解決的問題，學習的目的更明確，有利于提高課堂效率。

環節2.在學習搭建技術的過程中突破搭建技術（T）難點

微課《如何連接木條》布置為課前前置學習，課堂上重溫一遍后即時對學生目前的掌握情況進行統計。學生自由投票，教師統計結果。如大部分同學還沒掌握，則現場一起再學習。如大部分學生掌握則可以進入下一部分（個別同學未掌握，可以向小組其他同學學習，也可以由教師進行個別輔導）。

設計意圖：在前概念摸底時，學生已經發現要解決的問題就是怎么搭建（T），和搭建的哪種結構更穩固（S），需要成本控制（M），才能解決整個工程（E）問題。而在第二個環節微課《如何連接木條》學習，就解決了該工程問題搭建的技術（T）難點。

環節3.在動手實踐過程中探究學習科學重點知識（S）

1.通過埃菲爾鐵塔和小丑電線塔尋找框架結構共同點，給出框架結構的定義。

2.請同學們分別搭建一個三角形和一個四邊形框架，并測試驗證這兩個框架哪個更穩固。

3.請學生為四邊形設計加固方案。

4.探討加固四邊形中斜杠的作用

學生探討四邊形的加固方案并展示，并討論分析哪種方案更好并嘗試解釋原因（使四邊形會變成兩個三角形）。

設計意圖：科學學習的本質之一就是發現事實，通過對比研究得到工程問題中科學概念“框架結構”（S）的定義，通過在動手實踐探究中發現斜杠在四邊形加固過程的作用，使學生理解為什么斜杠可以使四邊形變穩固的同時，加深對科學概念“三角形具有穩定性”的理解，解決工程問題中的科學知識（S）。同時“三角形具有穩定性”也是四年級數學（M）的課程內容。

環節4.在設計中運用數學知識（M）控制工程成本

挑戰立體框架設計建造大賽

1.設計并繪制立體框架的搭建方案。

工程目標：用木條建造一個形狀不限，能夠承托書本這類重物的立體框架。

工程限制：26根木筷，30根橡皮筋

工程挑戰：承重同樣的大小材質相同的課本，比比誰的框架承重數量最多。

設計意圖：了解工程目標，根據工程限制，運用科學（S）和技術（T）進行設計，解決工程問題，結合數學知識（M）控制工程成本，設計一個合理的立體框架的工程搭建方案。

環節5.完成工程建造（E），并挑戰承重

小組合力搭建立體框架，教師巡堂，個別輔導。

各小組來進行框架承重挑戰——“比比誰的框架才是真正的承重之王”

學生上臺展示小組工程成果，并挑戰。學生和教師隨機點評。

設計意圖：動手搭建立體框架是《做框架》的工程目標。以工程建造的成果作為學習結果，也是STEM教育的另一大特色，也是整合多學科學習與評價的切入點。評價過程中不僅要關注學生對學科知識的深度理解，科學性解釋及其遷移運用，還要關注學生的勞動意識、技術運用、人文積淀、審美情趣等素養。評價多元化，可以是學生的自我點評，學生之間的相互評價，還有教師的點評。

環節6.分享與感悟

學生分析分享做框架的秘訣，感悟在整個工程問題解決過程中的收獲。

設計意圖：根據浙江省小學各學科教學建議中有關小學科學教學的第13條“探究不是唯一的學習模式”，我認為分享與感悟也是很好的學習模式。通過分享，引導學生加深“三角形具有穩定性”的理解，引導學生將關注點從建造框架的興奮回歸到建造立體框架的過程，感悟如何解決問題，獲得解決問題的能力。

三、教學反思

傳統科學課堂的教學方法單一，造成了有的學生喜歡科學但討厭科學課的尷尬局面。STEM教育具有整合性、體驗性、探究性、合作性等特征，通過實踐給學生帶來親身體驗，對培養學生的創新精神和實踐能力起到積極的作用，是符合小學生學習特點的教育方法，也給小學科學課程改革提供了新的思路。

STEM教育倡導的工程思維被視為創新必備的邏輯思維能力，也是國外一直以來研究的重點。從教育的角度而言，解決問題的思維應該覆蓋到每一個教育階段，應該從小進行有意識的培養和構建，幫助學生從小就理解和體會個人、事件和社會的關系，獲取解決問題的能力，從而未來可以迎接各種復雜的問題和挑戰。

理念決定行動，正確的教學理念產生合理有效的教學行為，引領正確的教學設計。本課的教學設計結合從科學、技術、工程、數學四個方面開發適合學情的教學活動，從工程問題的提出到工程的完成，全課6個環節可分成兩個課時進行，引導學生高階思維與積極情感的投入，解決復雜的工程問題，訓練學生的觀察力、語言表達能力、小組合作精神和動手能力思維，從而全面提升學生的知識、能力和科學素養，很好地體現了STEM的教育理念。

在將STEM教育引入小學科學課堂的同時，要注意小學不同年級的學生特點，有側重點的進行教學，不能局限于STEM教育項目的形式，而是要根據學生的能力特點，設立不同的教學目標，采用不同的教學手段進行課堂教學，才能真正的實現有效的STEM特色課堂，培養學生的工程思維。

參考文獻：

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