基于STEM教育理念的“教學(xué)+活動(dòng)”項(xiàng)目式設(shè)計(jì)的探索

李定宇

STEM教育以多學(xué)科整合項(xiàng)目化的特點(diǎn)以及以創(chuàng)新實(shí)踐能力為培養(yǎng)宗旨的目標(biāo)在國(guó)際上廣受關(guān)注，在我國(guó)，各個(gè)地區(qū)也以不同的方式展開了不同程度的STEM教育的嘗試與改革。基于我國(guó)基礎(chǔ)教育在內(nèi)容上重理論輕實(shí)踐、重結(jié)果輕過程，缺乏工程、技術(shù)類知識(shí)的授予與熏陶，造成學(xué)生普遍缺乏創(chuàng)新精神、實(shí)踐創(chuàng)造能力不足的現(xiàn)狀，在小學(xué)階段，基于STEM教育理念的“教學(xué)+活動(dòng)”項(xiàng)目式設(shè)計(jì)有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四方面知識(shí)和可能涉及的其他學(xué)科知識(shí)來分析和解決實(shí)際問題的能力。

科學(xué)是小學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科課程，是面向全體學(xué)生的素質(zhì)教育內(nèi)容;社團(tuán)作為拓展學(xué)生學(xué)科知識(shí)的空間，面向有科創(chuàng)興趣愛好的部分學(xué)生;科創(chuàng)活動(dòng)是科技創(chuàng)新類的競(jìng)技活動(dòng)，面向特長(zhǎng)生。“教學(xué)+活動(dòng)”項(xiàng)目指向?qū)W科教學(xué)、社團(tuán)教學(xué)、科創(chuàng)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，科學(xué)學(xué)科教學(xué)是基礎(chǔ)，社團(tuán)教學(xué)側(cè)重于不同學(xué)科知識(shí)的拓展，科創(chuàng)類活動(dòng)則著重競(jìng)技試練。“教學(xué)+活動(dòng)”項(xiàng)目設(shè)計(jì)可以解決教學(xué)與活動(dòng)脫節(jié)、知識(shí)碎片化的弊端，以項(xiàng)目的形式層層深入，幫助學(xué)生建立知識(shí)主線上的聯(lián)系，既面向全體學(xué)生普及科學(xué)教育，又為科創(chuàng)特長(zhǎng)生搭建成長(zhǎng)的支架，形成一個(gè)承上啟下的整體。

一、科學(xué)學(xué)科知識(shí)整合—基于問題的學(xué)習(xí)方式

2017年教育部印發(fā)的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提到“倡導(dǎo)跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式”。小學(xué)科學(xué)是一門基礎(chǔ)性、實(shí)踐性、綜合性課程。小學(xué)科學(xué)課程的設(shè)計(jì)要從學(xué)生發(fā)現(xiàn)身邊的現(xiàn)象出發(fā)，通過學(xué)習(xí)認(rèn)清事物發(fā)展的規(guī)律，在內(nèi)容上包含物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)、技術(shù)與工程四個(gè)領(lǐng)域[1]。《小學(xué)科學(xué)（粵教科技版）》教材主編馬學(xué)軍認(rèn)為，科學(xué)教學(xué)是教師指導(dǎo)和幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的問題，探索科學(xué)現(xiàn)象，揭示其中隱藏的科學(xué)規(guī)律，并將其應(yīng)用于生活實(shí)際，自主地建構(gòu)科學(xué)知識(shí)，形成良好的思維習(xí)慣，獲得初步的實(shí)踐能力，習(xí)得科學(xué)方法，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神的活動(dòng)[2]。STEM教育理念為小學(xué)科學(xué)教學(xué)的設(shè)計(jì)與整合提供了一個(gè)探索視角（見圖1）。

《小學(xué)科學(xué)（粵教科技版）》教材四年級(jí)下冊(cè)第17課“設(shè)計(jì)與制作：風(fēng)帆小車”將工程的處理問題與設(shè)計(jì)的過程引入科學(xué)課堂，側(cè)重于建立科學(xué)和工程中重要概念的聯(lián)系，是基于小學(xué)科學(xué)課程開發(fā)科學(xué)探究、工程技術(shù)實(shí)踐的課例。

（1）基于現(xiàn)象，運(yùn)用已有知識(shí)解決新的問題。學(xué)生利用“設(shè)計(jì)風(fēng)帆小車”獲得對(duì)材料的理解以及運(yùn)用“風(fēng)與物體的相互作用”的相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)風(fēng)帆小車，解決新的問題。

（2）協(xié)作探究，在平等溝通的基礎(chǔ)上勇于質(zhì)疑。學(xué)生在嘗試風(fēng)帆小車設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)探究。在學(xué)生嘗試設(shè)計(jì)過程中，教師要保留學(xué)生的困惑和疑慮，引導(dǎo)學(xué)生勇于質(zhì)疑，直到他們可以精準(zhǔn)判斷。

（3）精準(zhǔn)判斷，用測(cè)量工具或數(shù)學(xué)方法進(jìn)行量化。學(xué)生通過分組探究，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，利用對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從而減少誤差。教師在設(shè)計(jì)中滲透科學(xué)實(shí)驗(yàn)原則，盡可能控制其他條件不變，測(cè)量不同風(fēng)帆小車行駛的距離。

（4）創(chuàng)造提升，在操作的過程中整合各領(lǐng)域知識(shí)。科學(xué)課堂整合工程技術(shù)的工程設(shè)計(jì)（確定需求—設(shè)計(jì)—制作—測(cè)試—改進(jìn)）、物質(zhì)科學(xué)（如材料屬性的探究）、數(shù)學(xué)（如幾何圖形的面積問題）等領(lǐng)域知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，分別探究影響風(fēng)帆捕捉風(fēng)能的效果的各種因素。

二、科技社團(tuán)教學(xué)整合—面向體驗(yàn)的學(xué)習(xí)方式

科技社團(tuán)教學(xué)作為科學(xué)課堂教學(xué)的拓展模塊，以科學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，深入挖掘科學(xué)知識(shí)的深度并整合聯(lián)系其他領(lǐng)域，增加社團(tuán)教學(xué)的廣度。科技社團(tuán)教學(xué)是科學(xué)教學(xué)的“進(jìn)階版”。社團(tuán)教學(xué)設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)單地將這些領(lǐng)域的知識(shí)點(diǎn)拼湊在一起，而是有目的、有方法地將其系統(tǒng)地組合成項(xiàng)目。在社團(tuán)活動(dòng)教學(xué)中，教師通過問題的提出及由淺入深的關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)設(shè)置逐步引導(dǎo)學(xué)生解決問題。學(xué)生作為活動(dòng)主體，通過教師的引導(dǎo)發(fā)揮自主能動(dòng)性，主動(dòng)對(duì)感興趣的問題（項(xiàng)目）進(jìn)行探索，嘗試解決問題和建立模型，對(duì)自己所收集的證據(jù)進(jìn)行分析。社團(tuán)基于學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)，合理設(shè)置活動(dòng)項(xiàng)目的難度、廣度和深度，以任務(wù)、討論、對(duì)話、探究的形式作為教學(xué)主旋律。下面以“STEM造夢(mèng)空間”社團(tuán)項(xiàng)目為例進(jìn)行說明。

（1）基于問題進(jìn)行科學(xué)探究。以“影子的智慧—物體成影與皮影的制作”活動(dòng)為例。教師提出問題：影子是怎樣形成的？影子的大小為什么會(huì)變化？皮影戲是怎樣利用影子的形成規(guī)律進(jìn)行表演的？還能用影子的形成規(guī)律來做什么？影子的形成對(duì)我們來說是否百利而無(wú)一害？在科學(xué)課堂教學(xué)中，學(xué)生們只學(xué)習(xí)了影子的基本概念和成影因素，在社團(tuán)活動(dòng)中則可以通過設(shè)置問題驅(qū)動(dòng)深度挖掘，讓學(xué)生帶著這些疑問開展對(duì)影子與皮影戲的探索。

（2）基于現(xiàn)象進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)。以“如何解決一次性紙杯的浪費(fèi)問題？”活動(dòng)為例。從紙杯的材料構(gòu)成、降解等方向著手，結(jié)合技術(shù)手段合理利用材料解決結(jié)構(gòu)連接問題，結(jié)合工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確定設(shè)計(jì)、執(zhí)行、反思與修正的思維過程，結(jié)合人文素養(yǎng)提升設(shè)計(jì)作品的美觀性、藝術(shù)性，結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)保證圖形的對(duì)稱性。本次“紙杯回收利用”活動(dòng)促使學(xué)生設(shè)計(jì)出了許多回收處理方案，創(chuàng)造出了一批關(guān)于紙杯的小制作、手工藝品。

（3）基于項(xiàng)目進(jìn)行工程實(shí)踐。以“水過濾裝置”活動(dòng)為例。教師提出問題：如果飲用水被污染了，如何凈化？任務(wù)要求學(xué)生采用較容易獲得的部件來設(shè)計(jì)過濾裝置，能夠讓渾濁的水變成清水。教師先引導(dǎo)學(xué)生參與討論，研究怎樣使渾濁的水變清;再引導(dǎo)學(xué)生畫一個(gè)濾水器的原型，接著引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)并完成濾水器制作;最后引導(dǎo)學(xué)生展示與優(yōu)化作品，設(shè)計(jì)說明書，確定最終作品。

三、科創(chuàng)活動(dòng)項(xiàng)目整合——基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式

科創(chuàng)活動(dòng)指與科技創(chuàng)新相關(guān)的賽事或展示評(píng)比活動(dòng)，參加科創(chuàng)活動(dòng)可以讓學(xué)生將在科學(xué)課堂和社團(tuán)教學(xué)中學(xué)到的知識(shí)予以遷移應(yīng)用、創(chuàng)新，在這個(gè)過程中，可以優(yōu)中選優(yōu)、再次升華，形成精英作品。賽事的氛圍、比賽的規(guī)則可以強(qiáng)化學(xué)生的體驗(yàn)，提供培養(yǎng)問題解決能力的試練機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和深度學(xué)習(xí)能力。在活動(dòng)項(xiàng)目的訓(xùn)練上，教師圍繞一個(gè)競(jìng)技的目標(biāo)設(shè)計(jì)一系列的問題，促進(jìn)學(xué)生參與到小組中開展研究，明確方案的標(biāo)準(zhǔn)和限制，并應(yīng)用科學(xué)概念去解決所遇到的問題。以青少年科技創(chuàng)新大賽作品“車與運(yùn)動(dòng)”為例。

（1）發(fā)現(xiàn)問題，提出問題。項(xiàng)目來源于參加車輛模型比賽的學(xué)生在車輛的制作與控制中，對(duì)車輛轉(zhuǎn)彎、變速的原理提出疑問。這個(gè)問題的解決有利于他們了解車輛結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，更好地制作與控制小車，因此展開了小車轉(zhuǎn)彎、變速的探索。

（2）集體討論，提出方案。在集體討論環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生確立了“齒輪模擬汽車變速器的基本原理探究”和“四驅(qū)車與其他小車轉(zhuǎn)彎過程比較的探究”兩個(gè)研究主題。學(xué)生通過資料的收集了解了汽車運(yùn)行的規(guī)律和齒輪連動(dòng)的特征，經(jīng)過集體討論得出可以利用齒輪和軸模擬車輪尋找轉(zhuǎn)動(dòng)與連動(dòng)的關(guān)系的結(jié)論，解決了汽車速度變化與齒輪大小的關(guān)系（變速器的雛形）的問題，并根據(jù)同一根軸上車輪速度一致的現(xiàn)象，思考如何協(xié)調(diào)兩個(gè)車輪的不同速度來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎（差速器的雛形）。

（3）設(shè)計(jì)模型，搭建原型。當(dāng)學(xué)生理解了齒輪與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，腦中形成了搭建變速器、差速器的基本模型的影像之后，教師引導(dǎo)學(xué)生確立第二階段主題“齒輪創(chuàng)意搭建解釋汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的探究”，聚焦變速器、差速器基本模型的搭建。學(xué)生嘗試根據(jù)猜想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原型，利用齒輪、泡沫板和軸來搭建模型。

（4）測(cè)試原型，優(yōu)化作品。教師和學(xué)生重新審視問題的制約因素和目標(biāo)，對(duì)變速器、差速器原型的運(yùn)行進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)齒輪咬合不緊密、軸插入泡沫板容易松動(dòng)等問題，通過工具的補(bǔ)充、材料的替換等迭代過程確定了最終成品。

（5）總結(jié)反思，表達(dá)展示。教師將以上探究的過程歸納為科技實(shí)踐活動(dòng)方案，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生將過程記錄為科學(xué)研究論文，將創(chuàng)造的模型制作為小發(fā)明。教師和學(xué)生帶著作品積極參與展評(píng)活動(dòng)，在青少年科技創(chuàng)新大賽、模型制作比賽和少年兒童發(fā)明評(píng)選等活動(dòng)中獲得了不錯(cuò)的成績(jī)。

基于STEM教育理念的“教學(xué)+活動(dòng)”項(xiàng)目式設(shè)計(jì)迎合多元課程的融合學(xué)習(xí)和核心素養(yǎng)教育的需要，提供了主動(dòng)學(xué)習(xí)的“環(huán)境+過程+經(jīng)歷”一體化設(shè)計(jì)，搭建了以“知識(shí)+技能+素養(yǎng)”為主題的多元化“學(xué)習(xí)+體驗(yàn)+評(píng)估”項(xiàng)目體系，使學(xué)生能夠感受到現(xiàn)實(shí)生活提出的復(fù)雜挑戰(zhàn)，這樣能夠幫助學(xué)生提高問題解決能力、合作探究能力和溝通交流能力等。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2017：2.

[2] 馬學(xué)軍. 將孩子們引向何處[J]. 湖北教育—科學(xué)課（小學(xué)版），2009（5）：1.

本文系東莞市教育科研“十三五”規(guī)劃2019年度立項(xiàng)課題“基于STEM教育下小學(xué)社團(tuán)活動(dòng)項(xiàng)目開發(fā)與應(yīng)用研究”（編號(hào)：2019GH060）的研究成果。

（作者單位：廣東省東莞市寮步鎮(zhèn)西溪小學(xué)）

責(zé)任編輯：孫昕

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