基于小學科學教材的STEM項目開發與實踐

張碩司

目前，STEM教育發展迅速，是小學科學教師非常關注的教學研究領域。如何在一線教學中真正開展STEM教育是亟需攻破的難題。

2017年版《義務教育小學科學課程標準》中明確指出，小學科學課程是一門綜合性課程，要讓學生綜合運用不同領域的知識和方法去理解自然現象和解決實際問題，并強調探究式學習的方式方法。一定程度上，科學課程可視作STEM教育的雛形。STEM教育是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，它將科學、技術、工程與數學有機地融為一體，有利于學生創新能力的培養。

目前的小學科學教材是以大單元的形式組合和呈現課程的概念框架和活動框架，活動性較強，有一系列典型的科學探究活動及其科學的探究步驟，以深化學生對科學概念的理解、培養科學探究能力和科學態度，如研究電磁鐵磁力大小的實驗。科學探究活動是STEM項目中不可或缺的一部分。因此，小學科學教材內容是很好的STEM實踐材料，科學教師可以根據教材的內容來開發STEM項目，并在科學課堂上進行教學實踐。下面，以“設計制作保溫箱”項目為例進行闡述。

一、基于教材的STEM項目教學內容的改編

STEM的主要特點是“跨學科整合”“基于問題的學習”“基于項目的學習”“真實情境下的活動中學習”“合作解決問題”“學習者在探究中自主建構知識”。因此，教師首先要在教材中選擇一個可以整合成項目來開展的內容。

“設計制作保溫箱”項目內容選自教科版五年級下冊第二單元“熱”。本項目圍繞“如何設計保溫性能好的保溫箱”開展。學生首先通過科學實驗來探究“不同的材料的保溫性能”，再通過工程設計與技術制作，完成保溫箱的原型制作，并通過測試與重新設計，改進保溫箱，最后定型評價。而且，在科學探究中，學生利用可編程硬件“micro：bit”和溫度傳感器來設計個性化溫度計代替傳統的紅水溫度計。

二、基于教材的STEM項目教學目標的確立

2017年版《義務教育小學科學課程標準》是教師確立教學目標的依據。教師確定開發的教材內容后，要找到課標對應的領域內容和學段目標，以此確定本項目的教學目標。教師確定教學目標時，也能借此確定各個學科在本項目實踐中的作用。

“設計制作保溫箱”的教學目標是讓學生通過做中學，學會應用跨學科的知識和方法，并以此培養科學探究能力、創新能力、工程思維和計算思維。項目教學目標分解如教學目標分解表所示。

三、基于教材的STEM項目教學活動的實踐

“設計制作保溫箱”項目的實踐活動主要分成以下四部分。

1. 創設真實情境，提出問題

學生在真實情景中的問題驅動下進入項目學習。教師展示外賣騎手的相關資料，創設情境使學生關注“外賣箱”，并提出問題“外賣箱里食物的溫度是怎樣發生變化的”，然后教授“熱傳遞”的科學知識（教材上的知識點）;再介紹市場上保溫箱的結構和材料，最后提出問題，進入項目式的主題學習：“一個好的保溫箱有什么特點”“如果讓你設計一個保溫箱，你要采用什么結構和材料”。

2. 科學探究與數學應用活動

通過科學探究方法和數學方法尋求“不同材料的保溫性能有什么不同”這個問題的答案。學生針對這個問題，根據自己的經驗，作出假設，選取實驗所需材料，然后小組討論如何用控制變量法來設計對比實驗方案。小組長匯報實驗方案，大家點評，找出亮點，對不恰當的地方提出修改意見，最終確定實驗方案。

每個小組使用“Micro：bit”和溫度傳感器進行編程設計個性化防水溫度計，然后用該溫度計進行科學探究實驗。學生用數據圖表記錄數據，并生成折線圖來呈現數據，再分析實驗數據，得出結論，判斷結論與假設是否一致。

3. 工程規劃與技術制作活動

明確學生任務“設計并制作一個保溫性能好的保溫箱”。學生通過工程設計并動手制作，完成制品，通過做中學，提升創新實踐的能力。首先，小組討論“如果讓你們小組設計一個保溫箱，你希望它有什么優點”“如果讓你們小組設計一個保溫箱，你希望采用什么結構和材料（里和外都描述清楚），理由是什么”等問題。然后完成設計方案。注意根據設計方案，在成本范圍內選擇合適的材料。

學生根據自己小組的設計方案，利用已選的材料和工具，協作完成保溫箱原型的制作。接著進行原型測試，分析測試結果，并討論出產品的優點與不足，修改設計方案。學生根據修改后的設計方案對保溫箱原型進行修改，修改后再次進行測試，最后定型。

4. 知識拓展與創意設計活動

在這個活動環節，可以讓學生走進社會，把知識與社會生活聯系起來，如采訪外賣騎手和用戶，了解保溫箱的用途和需求;參觀保溫箱制造廠，了解保溫箱的制作流程和工藝。還可以根據需要，請學生發散思維，在自己小組的保溫箱基礎上改進，設計一個富有創意或多功能的保溫箱，如加上定時提醒功能。

四、基于教材的STEM項目學習評價的設計

設計評價量表，橫向對比實驗班和對照班學生的思維和能力的變化。針對實驗班的學生，還要設計主題相關基礎知識測驗試卷、PMIQ學習反思表、學習任務完成能力多元評價表。

有的教師在實踐STEM項目時，會因為過于關注技術制作和創意設計，而忽視了科學基礎知識的學習。所以要設計一個主題相關的基礎知識測驗試卷來檢測學生對科學知識的掌握程度。PMIQ學習反思表可以幫助學生更好地反思自己的學習狀況，已學懂的知識、沒學懂的知識、還想繼續關注的知識、仍存在疑問的知識。學習任務完成能力多元評價表是對學生在這個項目實踐過程中表現的評價，其更關注學生的學習過程。

經過課程開發實踐，筆者初步得出以下結論：第一，開發基于教材的STEM項目，可讓教師在自己的日常教學中使用STEM課程的理念與方法，利于STEM教育在一線教育中真正普及。第二，改編成基于問題的項目式學習可以讓科學課變得更加有趣、高效。將內容整合成項目教學后，學生的學習目標非常明確，他們的學習動機也會增強;同時知識的聯系緊密性更強，更有利于學生建立知識體系。第三，技術與工程設計思想的融入，用書本的知識來解決現實中的問題可以加深學生對知識的理解和應用，提高了課堂所學內容在現實生活中的實用性。第四，學生有更大的展示空間，發揮自己的創意。學生的創新思維、工程思維、計算思維、解決問題的能力和動手實踐能力都得到了更多方位的鍛煉。

注：本文系廣東省STEM課題“小學STEM課程體系構建與模式研究”（課題編號：2018GDSTEM003）的研究成果。

責任編輯 黃博彥