基于設計的小學STEM項目

吳歡 鄭丹 江赟

● 課程介紹

武漢經濟技術開發區實驗小學對創客和STEAM教育的理解和探索始于2015年，隨著市級和國家級課題的先后立項，我校對其已進行了四年多的實踐和探索。課題組教師從信息技術、科學組拓展到學科全覆蓋，教師們對課程的理解也逐步加深，開發了《物聯網創新科技》《小木工》《小小建筑師》《制作紙板樂器》等系列課程，并在教學實踐中不斷迭代、更新。

近年來，我國明確把生態環境保護擺在更加突出的位置，生態文明建設是關系人民福祉、關乎民族未來的大計，是實現中國夢的重要內容。我校從2017年開始也加大對學生的生態文明教育，并在2018年圍繞“關注生物的多樣性，美化我們的家園”這一主題，從學生的真實生活和發展需要出發，關注生物與環境，開發了基于設計的小學STEM項目群——《“智·美”生態課程》（如下頁表1），將生活情境中發現的問題轉化為活動主題，以項目為載體，通過跨學科學習，保護學生與生俱來的好奇心，使他們成為有一定的解決問題、合作交流能力，具備良好的社會責任感、創新意識、信息素養，能夠終身學習的全球公民。本文將重點介紹四年級上冊的STEM項目“建設我們的校園氣象站”。

1.選題特色

基于小學生的年齡特點及小學階段學科知識水平，我們將小學階段的STEM項目定位于“初學者”層級。學生在開展《“智·美”生態課程》中的小紅鷹濕地項目、生態種植項目研究時發現，需要及時監測周邊環境的PM2.5、溫度、土壤濕度等氣象數據，由此，學生提出是否能建設一個自己能隨時進行相關數據監測的氣象站。科學教師結合小學四年級科學課《天氣》的相關內容，邀請信息技術、美術教師和學生成立“建設我們的校園氣象站”項目組，并設計形成基于項目學習的維度框架。

2.設計思路

校園氣象站的建設涉及基本氣象知識的了解、氣象傳感器的認識、編程技術的運用、氣象站的外觀設計和氣象站的使用等不同方面。確定相關學科的具體目標如下。

科學方面：了解基本的大氣知識，知道溫度、濕度、風向、風速、降水量等的基本含義。

技術方面：能夠識別并運用溫濕度、風向、風速、噪聲、空氣質量、氣壓、雨水傳感器。

工程方面：能夠小組合作完成校園氣象站的功能設計、選址和建造。

藝術方面：能夠完成氣象播報網頁的UI設計、氣象站的外觀設計，氣象小主播能夠完成氣象播報。

數學方面：能夠統計和分析數據，并繪制氣溫折線圖和氣溫柱狀圖，總結天氣變化的規律。

為了更好地幫助學生完成項目，我們制作了完整的項目學習指導手冊（如圖1），設計了詳細的項目計劃。

3.實施方案

近年來，在STEM課程開發和實踐的過程中，我校和華中師范大學合作，逐漸形成了“樂·創”教育背景下基于設計的STEM教學模式（如下頁圖2）：以學生為中心，分為理解挑戰、習得新知、新的挑戰、展示分享和評價反思等環節，其中項目中分解出的多個小任務在“新的挑戰”這個環節迭代循環完成。教師承擔的是輔助者、引導者、組織學習和指導評價的角色，教師活動主要包括確定主題，呈現挑戰;講授新知，描述任務;建立標準，提供支架;監督觀察，適時指導;組織學習，引導合作;評估成果，教學反思。“建設我們的校園氣象站”這個項目以設計思想為紐帶，將科學、技術、數學、藝術、讀寫等其他學科內容綜合運用、串接起來，成為一個完整的學習項目。

（1）理解挑戰

學校生態種植園和小紅鷹濕地的動植物生長，對周邊環境氣象監測有需求，四年級學生科學課正在學習《天氣》，科學教師面向全體四年級學生征集有意向者組成項目組，一起建設我們的校園氣象站。

（2）習得新知

圍繞校園氣象站需要實現的功能，確定監測的氣象要素，認識溫濕度、風向、風速、降水量、紫外線強度、PM2.5等氣象傳感器，并學會用可視化編程的方式將傳感器采集到的數據在屏幕上顯示出來，讓大家可以直觀地了解當前的氣象狀況。

（3）新的挑戰

通過分小組制作氣象站模型，深化學生對氣象知識的了解和傳感器的使用;通過課上、課后對校園各個角落的實地考察，交流溝通、達成共識后確定氣象站的建設位置;通過對校園氣象站的功能、外觀和播報頁面的UI設計，分小組展示交流后，確定我校小紅鷹氣象站的最終設計;在教師的幫助下，完成校園氣象站的施工。

（4）展示分享

展示分享貫穿項目的始終，無論是氣象站模型的設計和成品分享，還是校園氣象站的選址、功能、外觀和播報頁面的UI設計等環節，我們都讓學生進行充分地討論、交流和分享，用“智慧”點燃“智慧”，相互學習、共同提高，同時培養學生的表達溝通能力和團隊協作能力。

（5）評價反思

教師利用軟件對學生進行累積評價，結合學分和學生投票，學期末頒發“VIP學員”證書，下學年的社團有優先選課權利;生生之間除了表格評價，還有相互提問和口頭評價;華中師范大學作為第三方長期進行課堂觀察，結合學生項目學習的前后測情況，對我校師生給予評價和課程研究建議。師生、生生和第三方的三維立體評價，促進師生進行反思和共同成長，并推進項目更有效地開展。

● 課程實施的典型課堂案例

1.用問題推進項目進展

整個項目圍繞“如何建設我們的校園氣象站”這個大問題進行，當中又分解成很多小問題：氣象站建在哪里？需要實現哪些功能？外觀設計有什么要求？頁面需要顯示哪些數據？……教師并不會直接拋出答案，而是帶著學生一起去尋找最優解決方案。例如，在解決“氣象站建在哪里？”這個問題時，教師先讓學生思考并查詢氣象站對選址有沒有特殊要求，課下小組成員一起逛逛校園，并完成學習任務單（如圖3）;然后，在課上讓小組成員上臺分享自己的選址及其理由;最后，教師再帶著大家一起到校園里每個角落都逛一逛，綜合考慮后，大家一起確定氣象站的最終建設地點。氣象站要建在空曠、四周沒有遮擋的地方，車棚、后花園、天臺等地點被排除，大家把地點定在了時間廣場靠近小紅鷹濕地的一塊空地，因為這里是學校的中心地帶，相對來說比較空曠，四周沒有遮擋，可以為小紅鷹濕地里的動植物提供氣象支持。其實操場也是個不錯的選擇，但是學生考慮到打籃球、踢足球的學生可能會不小心把球砸到氣象站，造成氣象站損壞，因此在操場建設氣象站不合適。學生在這樣的討論和交流中，逐漸學會全面思考和解決問題。

2.用評價促進習慣養成

學生一直對項目學習持有較高的熱情，甚至常常下課了，還在研究和討論，久久不愿離開教室。可是一旦發現已經下課好久了，他們就會直接離開教室，導致教室桌椅擺放、器材和學習任務單整理不到位，教師要花很長時間進行處理。同時，在一些小組中存在學習任務分布不均勻的問題，有的學生一個人差不多完成了所有的學習任務，而有的學生幾乎不參與。另外，大家都很愿意表達自己的觀點，但是在傾聽方面還有所欠缺。為了培養學生良好的學習習慣，提高課堂效率，我們設計了如上頁表2所示的表格——《STEM項目學習學生行為評價表》，評價表既不太復雜，也不占用太多時間，能給予學生比較全面的評價。

在每次課程結束前幾分鐘，教師會提醒學生整理自己小組的物品。待大家整理完畢，再給2分鐘時間讓組長就組員本節課的行為表現給予評價：是否能夠安靜傾聽、小聲討論、大聲發言;是否完成了本節課組員協商后分配的學習任務;是否團結友愛、顧全大局;是否發生不文明的舉止;是否整理好自己使用過的器材，擺放好自己的桌椅板凳。若有做得很好的地方，值得繼續保持，就拿出來供大家學習，并記錄在“今日閃光點”上，再將該記錄單貼在該學生的記錄本上，累計評價。對各小組長的評價，有時候是教師進行評價，有時候會隨機抽選一名組員進行點評。

評價表的實施，讓課堂更有序、更有效率，學生也不僅僅關注學習任務，還會關注小組每個成員的學習狀態，會安靜地傾聽別人的發言，會去關注小組的器材歸還和衛生問題……學生的習慣得到了全面的培養。

● 課程實施的教學效果及反思

1.教學效果

本項目每個小組除了設計制作完成了一個簡易氣象站模型，還以山川、河流、城市和校園為主題，設計和制作了不同情境下的功能性氣象站模型，同時完成了校園氣象站的建設，為小紅鷹濕地和生態種植園提供氣象服務。項目組四名成員參加了第三屆全國中小學生創·造大賽——AI地球分項賽，獲得了金獎和全場唯一的最佳團隊協作獎（如圖4）。學生通過項目的學習，對氣象有了更深入的理解、認識，動手能力、編程能力也得到了提高。更重要的是，學生在項目推進過程中遇到的種種問題，也都在教師的指導下，通過交流協作，慢慢摸索、嘗試得到了解決，問題解決能力得到了顯著的提升。

2.教學反思

校園氣象站項目以現實問題為基點，將多學科、多個應用領域的知識和技能巧妙地融合在一起，引導學生動腦思考、動手實踐，進而促進學生思維品質、創造能力的綜合發展。通過項目的研究，我們有以下兩點思考：

第一，在項目真實性與教學內容基礎性之間找到平衡。在項目實施時，科學、數學和程序設計等知識都有一定的難度，教師要考慮學生的年齡特點、身心發展規律和已有的知識儲備，不能讓學生跨越較大的梯度來學習和研究。

第二，在課時有限性與探究耗時性之間找到平衡。在氣象站項目實施過程中，由于受到課時的限制，需要引導學生充分利用課內外時間。學生在課上可以完成項目功能說明和解決方案的撰寫，在課余通過小組合作來完成項目，遇到問題可以向教師、家長或同學求助。

綜上所述，基于STEM理念的氣象站項目是教育改革和時代發展的產物，其所具有的整合性、實踐性、趣味性等要切合學生的學習需求，讓內容容易習得，讓思維具有可見性，幫助學生向他人學習，促進學生自主學習和終身學習，為孩子們實現夢想打下堅實的基礎。

點? 評

武漢經濟技術開發區實驗小學圍繞“關注生物的多樣性，美化我們的家園”這一主題，從學生的真實生活和發展需要出發，針對不同年齡段學生的特點和能力水平，分年級開設了一系列STEAM項目學習課程。將生活情境中發現的問題轉化為活動主題，以項目為載體，通過跨學科學習，培養了學生的創新意識和解決問題的能力。

1.激發學生的求知欲，提高學生學習動力

學生在參與小紅鷹濕地項目和生態種植項目中，發現隨時監測周圍環境數據非常必要，而學校并沒有相關監測設備，由此，學生提出是否能建設一個可以隨時進行相關數據監測的氣象站。當課題與真實世界緊密聯系時，學習就變成學生自己“想要知道”，而不再是脫離實際的“需要知道”。知識變成了鮮活、有趣且有意義的東西，而不再是印在書本上死記硬背的東西。好奇，是一切學習的前提，是學習的內在驅動力。這就是選題與真實世界相聯系、與學生生活實際相聯系的意義。

2.學科融合，培養學生跨學科思維

建設校園氣象站，需要具備哪些知識呢？教師對需要進行的科學、技術、工程、藝術、數學五個方面的知識準備進行了透徹分析，學習目標明確、合理，這也是開好STEAM課程的基礎。STEAM課程應該從工程設計切入，以實踐為明線，以各學科核心概念、核心知識為暗線，它的基礎是學科課程，它的表現是完成項目活動，而不能舍本逐末。如果活動中沒有滲透學科知識，沒有明確的學科學習目標，那么學生的學習就是零碎的、盲目的、不成體系的，該課程也就不能稱之為“STEAM課程”。另外，學生的學習準備很重要，如果學生在動手開展項目前，沒有學習相關的知識，那么這樣的課程就變成了懵懵懂懂的操作課，沒有理論基礎，也就失去了實踐的意義。

3.分享交流，評價方式多元化

展示分享貫穿項目的始終，讓學生進行充分地討論、交流和分享。評價方式采用師生、生生和第三方的三維立體評價，促進師生進行反思和共同成長。過程性評價應該融入課程中，在探究學習的每個環節設置評價。建議可以考慮引入發展性教育評價，分析學生的特點和不足，并提出改進建議，促進學生逐步提高、全面發展。

校園氣象站項目，總體上說，理論框架完整，課程設計科學。本項目用現實中真實存在的問題激發學生求知欲，啟發學生思考，以問題解決驅動學習，學科教學目標明確，學習準備充分，注重分享交流，評價維度多元化。本項目做到了學科融合，培養了學生的設計思維、創新意識和跨學科解決問題的能力。

（點評人：2019年度全國教師信息素養提升交流活動評委/天津市教育科學研究院 黃天澤）