用STEM理念改造小學科學教學

徐杰

STEM教育（即科學、技術、工程與數學教育）是近十幾年來國際科學教育發展新趨勢，也深深地影響了我國的科學教育。STEM教育不是簡單的S+T+E+M的教育，而是圍繞需求或項目，運用科學、技術、工程和數學的知識，綜合形成學生的STEM素養。在教學實踐中，我們可以在以下幾方面實現改造小學科學教學。

單學科到多學科的轉變

在教學《種油菜》一課時，統計飽滿油菜種子的顆粒數，滲透數學統計學中概率與常態分布的知識;教學《今天刮什么風》一課時，讓學生感受“風”并續寫科學小詩，展示學生的語言描述和表達能力;教學《觀察小動物》后，對蚊子在什么樣的環境中最活躍進行研究，從而找出消滅蚊子的可行性方法;教學《土壤與生命》后，組織學生明確主題，搜集資料，設計、制作、修飾、發布電子小報，既抒發了對土壤媽媽的感激之情，又綜合運用了多學科知識、方法、能力。

當然，語文教師可以把春天變成“最美的課程”，帶領學生在種花、賞花、吟詩、寫詩的基礎上，廣泛閱讀關于花卉的系列科普圖書，認識花的成長周期、果實的構造和種子的特點，通過圖文結合的觀察筆記，深度體驗生命的狀態和意義，由衷感嘆“科學真美”;數學教師可以帶領學生研究高空墜物，將力學與數學計算完美結合;美術教師可以將繪畫與幻想結合起來，指導學生制作葫蘆畫、衍紙等，體現美學與創造學的有機結合。學生撰寫的研究論文《圩角河中藻類的調查》《捕捉空氣中的微生物》《蚊子的故事》《銀杏樹為什么不結果》等，分別獲得省、市一等獎。我們還與種植養殖、天文觀測、科學體驗、創新大賽等活動結合起來，讓學生在實踐中應用知識，獲取更多的“活”知識，為他們將來的發展進一步創造條件。這種從單學科到多學科的轉變和突破，是知識活化的一種基本途徑，很好地體現了STEM理念的運用和發展。

多學科到跨學科的轉變

STEM教育的學習過程圍繞解決真實情境中問題產生的學習活動，也只有在親身經歷問題解決中“真刀真槍搞科學”，真正體驗“希望、失望、成功、失敗、決策、優化”，不斷修正、完善認知、觀點，形成經驗積累和理念提升。

“建橋梁”是STEM中的經典項目。由于自然環境各異，所處的地理位置各異，橋梁的設計包括施工工藝、施工材料、施工流程都會不同。比如“港珠澳大橋”在實現“橋體最重、隧道最長、跨度最大、技術最復雜、工程規模最龐大”等記錄的同時，也把創造性地解決真實問題表現得淋漓盡致。這正是激勵學生不斷探索、勇于創新的魅力所在。而打撈“南海1號”宋代沉船也是一個很好的案例，因為它給水下考古工作者提出了前所未有的巨大挑戰。采取什么樣的施工方法、施工工藝、施工流程，才能保護好有可能被損壞且價值無法估量的“南海1號”沉船呢？考古工作者、科技工作者圍繞多個方案開展可行性論證，通過跨部門協同創新，歷經了上百次的模擬實驗之后，最終采用了“整體打撈”沉船出水，給世人生動地展示了海上絲綢之路的風采，也對我國古代造船工藝、航海技術研究以及木質文物長久保存提供了最典型標本。從多學科到跨學科是一個龐大科學體系組成的新興學科。很顯然，唯有圍繞解決真實情境問題發生的實戰化項目學習，才能使學生運用多門學科知識，在學習中與周圍世界和現實生活發生聯系，進而提升發現問題、分析問題和解決問題的能力，增強創新精神。

跨學科到超學科的轉變

所謂超學科，就是不受學科限制，各學科知識、方法、能力、工具都可以貫通運用。STEM教育強調主題下的大概念以及大概念下的跨學科技能，如文學素養、思維能力、研究能力、合作能力、決策能力等。因此，STEM教育可以幫助我們實現從跨學科到超學科的轉變和突破。

例如，“造紙橋”這類課的教學重點是制造一座紙橋，學生根本沒有機會體驗限定條件下的優化（迭代）設計過程。為了實現從跨學科到超學科的轉變和突破，筆者借鑒工程框架思路改造教材，設計了連續課時的超學科課程。我們把“造紙橋”的工程設計，融合了對不同形狀結構是如何影響承載力的項目學習，確定的需求就是設計“可跨越50cm寬的‘山谷、能承受至少1500g重量”的紙橋。各組學生經過頭腦風暴之后，再聚焦承重力，逐一探究拉索、拱形、圓筒、風力、地形、地貌等結構對承重的影響。通過測試不同拱度紙拱的承重能力，優化（迭代）設計作品;之后，確定了承重、材料、外觀、創意等評價指標，評價各小組的作品。學生通過科學探究、工程設計，從建立科學理解到優化設計，都充分體現了科學與工程的雙向聯系。同樣，在制作糕點的基礎上，深入了解其科學原理，幫助“特需人群”設計一款糕點（給蛋白質過敏的患者食用），引導學生從小小科學家向小小工程師的轉變，使之成為一個有價值的STEM項目，一個超學科的項目學習案例。類似的還有，把“立體種（養）植”“智能化菜園”“舞臺泡泡秀”等這些故事情境轉化在STEM教育中，真正做到學習過程靈活開放、方案設計豐富多樣。在這樣的教學中，學習脈絡的枝蔓向外生長，聯結點更豐富、可能性更大。

因此，我們要用STEM理念改造小學科學教學，設計“跨學科”的問題、“超學科”的問題、“跨學科”的項目、“超學科”的項目，最大限度地實施了人的教育，培養和造就大批適應新時代需要的有STEM素養的人才。

【本文系江蘇省教育科學“十三五”規劃2016年度重點資助課題《基于STEM理念的小學科學課程及“創想夢工廠”系列課外實踐活動開發與研究》（課題編號：B-a/2016/02/08）研究成果之一】

（作者單位：江蘇省海門市海南小學）