STEM視野下的小學(xué)科學(xué)教學(xué)實(shí)踐

姚佳熒

摘 要：為豐富STEM教育在小學(xué)科學(xué)中的實(shí)踐研究，本文將STEM理念與小學(xué)科學(xué)課程的課本內(nèi)容結(jié)合，開展以STEM視野下科學(xué)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，以期為STEM教育在小學(xué)生根發(fā)芽提供一個(gè)參考視角。本文從STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)與探究學(xué)習(xí)的比較入手，發(fā)現(xiàn)探究學(xué)習(xí)中存在的不足;其次參考STEM教學(xué)中常用的“5E”模型重新設(shè)計(jì)“污水與污水處理”教學(xué)，讓學(xué)生親歷污水處理器的設(shè)計(jì)、制作、測試與優(yōu)化過程，有效提升學(xué)生科學(xué)探究能力。最后通過反思，總結(jié)STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)在小學(xué)課堂實(shí)施的局限性。

關(guān)鍵詞：STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí);探究學(xué)習(xí);教學(xué)實(shí)踐;污水與污水處理

一、問題提出

小學(xué)科學(xué)課程是一門實(shí)踐性課程，探究活動(dòng)是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的重要方式。小學(xué)科學(xué)課程把探究活動(dòng)作為學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的重要方式，強(qiáng)調(diào)主動(dòng)參與、動(dòng)手動(dòng)腦、積極體驗(yàn)，經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，以獲取科學(xué)知識(shí)、領(lǐng)悟科學(xué)思想、學(xué)習(xí)科學(xué)方法。STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)主張以真實(shí)的情景或問題為學(xué)習(xí)背景，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課堂組織方式，它將科學(xué)（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）、數(shù)學(xué)（mathematics）有機(jī)地融為一體，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二者追求共同的目標(biāo)，即讓學(xué)生能夠利用科學(xué)方法和科學(xué)知識(shí)解決某些簡單的實(shí)際問題，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、合作意識(shí)，為今后的學(xué)習(xí)、生活以及終身發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。但在具體教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)相較于STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)，探究學(xué)習(xí)還存在一些不足。

二、基于STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)的小學(xué)科學(xué)教學(xué)實(shí)踐

（一）學(xué)習(xí)任務(wù)分析

目前在國外的STEM教學(xué)活動(dòng)中，5E模式被廣泛應(yīng)用，即吸引（Engagement）、探索（Exploration）、解釋（Explanation）、延伸（Extension）、評估（Evaluation）本課是教科版小學(xué)科學(xué)六年級下冊《環(huán)境與我們》單元第6課，圍繞污水處理為中心，以5E教學(xué)模式為設(shè)計(jì)參考，從了解水污染，了解水污染的處理方式到利用手邊材料自己設(shè)計(jì)一個(gè)可以處理污水的簡單裝置，優(yōu)化再實(shí)踐的過程開展。學(xué)生在逐步探究中，了解水污染、珍惜水資源。

（二）教學(xué)目標(biāo)

STEM指標(biāo) 內(nèi)容

科學(xué)（S） 1.水污染主要是人類的活動(dòng)造成的，知道污水經(jīng)過復(fù)雜的處理才能使用。

2.了解自來水廠凈水流程。

3.知道可以用過濾、吸附的方法去除水中不溶性的雜質(zhì)。

4.知道pH試紙能測量出水的酸堿性。

技術(shù)（T） 1.會(huì)使用pH試紙來檢測水的酸堿度。

2.做污水處理實(shí)驗(yàn)，制作簡單凈水裝置。

工程（E） 1.能繪制簡單的凈水裝置設(shè)計(jì)圖。

2.測試凈水裝置，并能優(yōu)化自己的凈水裝置。

3.增強(qiáng)保護(hù)水資源的意識(shí)和責(zé)任感。

數(shù)學(xué)（M） 1.繪制、記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.通過計(jì)算，綜合考慮過濾效果和價(jià)格因素，從而控制成本。

總目標(biāo) 知道污水主要是人類造成的，是需要復(fù)雜處理才能使用的;能夠掌握處理污水的方式，設(shè)計(jì)并制作出簡單的凈水裝置，增強(qiáng)保護(hù)水資源的意識(shí)。

（三）教學(xué)重難點(diǎn)

1.重點(diǎn)：設(shè)計(jì)并制作簡易污水凈化裝置

2.難點(diǎn)：不斷改進(jìn)簡易污水凈化裝置

（四）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

特殊處理過的空瓶、細(xì)沙子、小石子、大石塊、濾紙、活性炭、紗布、海綿、污水、燒杯、pH試紙、生活污水。

（五）教學(xué)過程

1.吸引：提出問題，激發(fā)興趣

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)主張以真實(shí)情境或問題為學(xué)習(xí)背景。巧用學(xué)生身邊的事例引入新課，讓學(xué)生感受科學(xué)就在身邊，科學(xué)問題存在于生活。以生活情境引入的主要目的在于引起學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。熟悉的但又未知的知識(shí)情境，能激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)，引發(fā)學(xué)生積極思維，使學(xué)生樂學(xué)、想學(xué)。

案例：《污水與污水處理》引入片段

在姚西北地區(qū)，有兩家污水處理廠。我以污水處理廠發(fā)來的求助視頻引入，使學(xué)生處于真實(shí)的生活情境中。

教師：污水處理廠中的污水主要來源于哪里？

學(xué)生：工業(yè)污水、生活污水和農(nóng)業(yè)污水。

教師：污水處理廠遇到了什么困難？

學(xué)生：我們生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的污水越來越多，但污水處理廠的設(shè)備不足，而且沒有足夠的資金去購買新設(shè)備提高污水處理效率。

教師：我們可以怎樣幫助污水處理廠渡過難關(guān)？

學(xué)生：制作一個(gè)成本低，效果明顯的污水處理器。

設(shè)計(jì)意圖：展示真實(shí)的情景，通過污水處理廠的求助視頻，激發(fā)學(xué)生的求知欲和完成使命的動(dòng)力。視頻內(nèi)容讓學(xué)生意識(shí)到污水必須處理后才能排放，思考自己家庭、班級每天產(chǎn)生哪些污水。引入處理污水的必要性。在觀看視頻過程中，不知不覺引入新課，出示任務(wù)，引發(fā)思考，為后續(xù)設(shè)計(jì)凈水裝置做鋪墊。

2.探索：頭腦風(fēng)暴，發(fā)展思維

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)有著模糊的任務(wù)和明確的結(jié)果，至于怎么取得這一結(jié)果的途徑由學(xué)生團(tuán)隊(duì)自己來決定。成功的工程設(shè)計(jì)會(huì)考慮最終的方案應(yīng)該滿足多種制約因素和評估標(biāo)準(zhǔn)。要平衡每一種評估標(biāo)準(zhǔn)的重要性，同時(shí)也要滿足所有的制約條件，這是頗具挑戰(zhàn)的一件事。

案例：《污水與污水處理》討論片段

教師：觀看污水處理廠凈水流程，凈水的基本流程是什么？

學(xué)生：沉淀——過濾——吸附——滅菌——消毒。

教師：有哪些可以借鑒用于我們的污水處理器？

哪些材料可以用來處理污水？分別起到什么作用？

這些材料需要成本多少？

處理后，是否滿足污水排放標(biāo)準(zhǔn)？

學(xué)生：自行自由討論上述問題。

教師：提供詳細(xì)成本數(shù)據(jù)。

裝置共需要金額：

設(shè)計(jì)意圖：連續(xù)問題導(dǎo)引能促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生思考。不同的制約因素有著不同的優(yōu)先級，學(xué)生首先需要考慮污水處理器的實(shí)用性，再去考慮產(chǎn)品的成本因素。兩者可能會(huì)相互排斥，這就需要學(xué)生學(xué)會(huì)權(quán)衡它們的利弊。

3.解釋：聚焦設(shè)計(jì)，交流修改

工程設(shè)計(jì)圖是STEM項(xiàng)目課的一大特色，模型需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙來建立，所以設(shè)計(jì)圖的優(yōu)劣會(huì)直接影響項(xiàng)目的成敗與否。

案例：《污水與污水處理》設(shè)計(jì)片段

教師：以小組為單位，繪制污水處理器設(shè)計(jì)圖，要求注明材料，計(jì)算成本。

學(xué)生：繪制設(shè)計(jì)圖。

教師：組織學(xué)生對自己組的設(shè)計(jì)圖進(jìn)行匯報(bào)交流。

學(xué)生：對各小組的設(shè)計(jì)圖進(jìn)行評價(jià)，并完成PMI小組互評表。

各小組交流展示后重新修改自己的設(shè)計(jì)圖（①設(shè)計(jì)層數(shù)合適，材料取量合適;②過濾層順序要使水流上快下慢;③過濾層要壓實(shí)）。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在此已經(jīng)對污水處理器產(chǎn)生想法，小組內(nèi)初步的畫圖和計(jì)算成本是一個(gè)構(gòu)思的過程，也是討論優(yōu)化的過程。在交流過程中，學(xué)生不知不覺地理解了所學(xué)內(nèi)容。PMI小組互評表的填寫也為后續(xù)重新修改設(shè)計(jì)圖提供了依據(jù)。

4.延伸：建構(gòu)模型，有效溝通

在設(shè)計(jì)過程的每一個(gè)階段，通過動(dòng)手來解決具體問題的學(xué)習(xí)方式時(shí)必須的。模型的建立提供了切實(shí)可行的聯(lián)系，它將學(xué)生的學(xué)習(xí)與抽象的概念聯(lián)系起來。有效而連續(xù)的書面和口頭溝通是STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，要求學(xué)生既能夠面對技術(shù)人員做展示，也能面對外行聽眾做展示。

案例：《污水與污水處理》制作片段

教師：以小組為單位選擇合適的材料制作一個(gè)簡易、成本低、有效的污水處理器。

學(xué)生：根據(jù)設(shè)計(jì)圖，相互合作，合理分工，緊張有序地制作。

教師：組織小組團(tuán)隊(duì)演示簡易污水處理器。

設(shè)計(jì)意圖：動(dòng)手動(dòng)腦是STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)所追求的，學(xué)生也對制作模型興趣最高。模型的建立不但是對設(shè)計(jì)圖的檢驗(yàn)，也是對學(xué)生動(dòng)手能力的鑒定。

5.評估：測試優(yōu)化，激勵(lì)反思

基于測試的結(jié)果，學(xué)生會(huì)優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)方案。這個(gè)過程要求對照問題標(biāo)準(zhǔn)和目標(biāo)，對結(jié)果進(jìn)行分析。在比較自己的預(yù)測和不同的測試結(jié)果時(shí)，學(xué)生應(yīng)該對自己設(shè)計(jì)的長處和缺陷進(jìn)行批判性思考。

案例：《污水與污水處理》測試片段

教師：小組將相同數(shù)量的生活污水放入自制的處理器中。

學(xué)生：觀察水質(zhì)情況，用pH試紙檢驗(yàn)水質(zhì)，根據(jù)污水處理器設(shè)計(jì)評價(jià)量規(guī)來計(jì)算得分。

教師：我們組污水處理器效果不明顯的原因是什么？需要怎樣改進(jìn)？

我們組的污水處理器怎樣改進(jìn)可以不降低效果的前提下減少成本？

在評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)改變的情況下，應(yīng)該對設(shè)計(jì)進(jìn)行什么樣的調(diào)整改變？

學(xué)生：對自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行批判性反思，繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)意圖：當(dāng)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)源于自己獨(dú)特的經(jīng)歷時(shí)，他們的理解程度就會(huì)提高。學(xué)生經(jīng)歷完整的工程設(shè)計(jì)過程，能了解合格水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，從而引發(fā)對水資源的思考，增強(qiáng)保護(hù)、節(jié)約水資源的意識(shí)。

三、STEM視野下的小學(xué)科學(xué)教學(xué)反思

本節(jié)課以“吸引——探索——解釋——延伸——評估”的模式開展STEM教學(xué)。在STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，靈活運(yùn)用各種手段，巧妙結(jié)合小學(xué)科學(xué)的知識(shí)特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，注重學(xué)生思維發(fā)展，培養(yǎng)探究能力，提高評價(jià)交流的水平。但是STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)踐，讓我明白還有很多方面需要提高。

1.時(shí)間方面的限制

目前小學(xué)高段科學(xué)每星期授課3節(jié)，每節(jié)課時(shí)長40分鐘，《污水與污水處理》STEM項(xiàng)目課授課時(shí)長為120分鐘。如何優(yōu)化項(xiàng)目學(xué)習(xí)的流程，使STEM課能在日常教學(xué)課堂中實(shí)施值得我們繼續(xù)研究。

2.課堂秩序的調(diào)控

在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，學(xué)生在課堂上來回走動(dòng)，而不坐在指定的課桌上學(xué)習(xí)。在這個(gè)過程中，為了避免部分學(xué)生游離教學(xué)之外，項(xiàng)目設(shè)計(jì)評估量表的制定和實(shí)施起到關(guān)鍵作用。完善的評估量表督促學(xué)生進(jìn)行小組分工合作。

3.學(xué)生前概念的了解

學(xué)生具有個(gè)體差異性，他們所掌握的知識(shí)或許不同。大班上課的環(huán)境下，教師很難精準(zhǔn)斷定學(xué)生的前概念，因此很難讓每個(gè)學(xué)生按照自己的層次和進(jìn)度去學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

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