STEM理念指導下小學科學課堂設計的實踐探究

凌啟煜

STEM理念課堂有別于傳統課堂，它的任務定義模糊，卻有著明確定義的結果，即解決問題，以問題驅動來展開教學。STEM教育給一線教師帶來的挑戰主要有：（1）項目內容太大，需要一定的人力和物力，一線教師獨立開展存在困難。（2）學習歷時久，日常的科學課堂無法承載。（3）選擇學習主題存在難度。如何跳脫出STEM教育的常規模式，嘗試簡單地將STEM理念融入教學？筆者將結合自編內容《放大鏡支架》，從以下五方面進行設計介紹：

1 關聯知識，確立教學目標

學生對哪里的實際問題能夠產生共鳴？無疑是那些發生在課堂上的問題。

科學課堂上會有不少小組實驗活動，不同能力水平的學生會暴露出各種問題，不同年齡段的學生也會表現出不同的能力水平。在三年級學生觀察螞蟻過程中，有些學生把螞蟻弄丟了;有些學生沒能正確使用放大鏡的功能等。這樣的課堂問題背后暴露出了學生在觀察螞蟻時存在問題或困難。同時，在科教版五年級《光》單元中涉及到“凸透鏡能把光線會聚到一點”這個知識點，六年級《微小世界》單元中涉及到放大鏡知識點以及放大鏡組合成簡易顯微鏡的知識點。筆者將這一系列知識進行串聯，將如何解決該問題變成STEM理念學習的目標，設計了適用于六年級學習的自編內容《放大鏡支架》。

2 創設情境，生成學習目標

兒童具有一種天生的、強烈的了解世界的愿望。皮亞杰認為，兒童生來具有的好奇心是驅使他們探究事物的基本動力。當給學生提供與原有知識或原有經驗不同的挑戰性環境時，他們的認知平衡結構被打破，從而驅使他們去解決面臨的認知沖突。

在《放大鏡支架》一課中，為了營造真實的問題情境，筆者引用視頻資料，通過學生間對話描述三年級學生在觀察螞蟻時遇到的困難：（1）手拿放大鏡時，不方便記錄觀察結果。（2）放大鏡晃動，不能很好地進行觀察。（3）螞蟻亂爬，需要限定環境。筆者將學生整理所得的“困難”以表格形式得以呈現，引導學生初步設想“產品”的理想雛形。在這一環節中，目的是讓學生達成共識，在討論過程中生成共同的學習目標，為接下來的設計定方向。

3 關注思維，激發頭腦風暴

學生在學習過程中會出現現有問題與原有知識經驗產生矛盾的點，這個點就是值得深挖的思維點。我們的課堂需要給學生足夠的思考空間，包括橫向與縱向，小組內或班級內進行頭腦風暴是有效的途徑之一。在學生的爭論過程中，他們著手思考如何論證自己的想法是正確的。在這個過程中，學生提出了兩個關鍵點：“用什么放大鏡”與“如何讓放大鏡‘浮起來”。問題的提出，證明了學生對于“產品”的設計有了一定的方向，開始對于制作材料進行篩選，同時也接下來的設計中可能遇到的問題進行了猜想。

接下來，學生在你問我答的過程中解決了上述兩個關鍵點，并選定制作材料為放大鏡和透明塑料杯。學生們對于幾款杯子都進行了比較，發現一些透明塑料杯直徑太大，不能支撐住放大鏡，小的透明塑料杯卻可以。在一致確定使用小的透明塑料杯后，學生以小組為單位進行設計，各組的設計圖呈現的結果往往不同，主要表現為放大鏡放置的高度不同。學生們看到這樣的結果也表現出了訝異，這時大家意識到對放大鏡的高度是不是存在要求，有學生就提問到：放大鏡應該放多高呢？

這一刻學生的求知欲望是非常強烈的，他們渴望知道關于放大鏡放置高度，想證明自己的設計是正確的。這時，筆者協助學生回顧放大鏡可以匯聚光線到一個點的知識，引出“焦距”、“物距”概念，使學生知道當“物距”小于“焦距”時，可以發揮放大的作用。經過實際測量，學生們發現塑料杯高度太低，并不合適，于是之前選定小的透明塑料杯作為制作材料的決定被推翻。此刻，學生對于“產品”設計有了全新的認識，了解了其中所蘊含的科學原理，對于制作材料的選擇有了更為全面的考量。受到固定思維的影響，學生對于制作材料的選擇一直圍繞杯子，于是筆者引導道：“塑料杯不能滿足我們要求。生活中，有沒有哪些物品和塑料杯接近，同時高度更高，有調節的空間？”有學生面露得意地回答道：“我知道了，農夫山泉水瓶正好，拿出了瓶子。你們看，上面小下面大，大小都能調節，是不是完美！”

經過一系列的推敲和論證，“產品”制作的材料最終決定了下來。在這一環節中，設計的核心在于關注學生的每一句話，嘗試著用問題梳理、實物展示等方法為學生解決“困境”，保證他們討論的流暢性，并始終圍繞學習目標。

STEM教育是關于解決實際問題，具有真實性。當問題的難度略高于他們現有的知識水平，往往更能激發學生的積極性。在學生討論過程中出現停頓或激烈爭論時，教師需要格外留神，因為這時學生思維遇到了困難。面對這樣的狀況，教師除了在教學設計時做足預設外，還需要準備相應的材料，使得學生不必憑空猜想，以免產生天馬行空的設計。

4 落實細節，融入STEM理念

工程設計步驟是每一節STEM課的核心。在小學階段，學生對于設計還比較陌生，設計是需要教師提供有力的支撐，學習單就是方法之一。筆者按礦泉水瓶1：1比例繪制了學習單，同時標注了高度和寬度，方便學生對于礦泉水瓶的設計和改造。在設計過程中，雖然圖片是平面的，可塑料瓶是常見之物，學生較為容易進行空間轉化。由于圖片和實物是同尺寸的，學生可以在圖片上直接進行模擬裁剪。確定裁剪位置是需要學生通過測量知道放大鏡的內直徑和外直徑，對應到礦泉水瓶的直徑。此外，學生在前面學習到“焦距”的概念，也需要一并考慮進去。這就要求學生對于自己的設計進行全面的思考。

在設計過程中，學生腦海中的產品模型逐漸清晰，這為后面的個性化設計打下了基礎。有些小組站在使用者的角度開始進行思考：[組內討論1]：我記得三年級的時候，老師要求我們觀察螞蟻的頭、胸、腹三部分，還有足。我們都是從上面看，能不能從下面看呢？[組內討論2]：視頻里，小妹妹用尺子量螞蟻長度，螞蟻哪里會配合，她太天真了。師：那你們有沒有什么辦法可以讓螞蟻一放上去就能知道多長呢？生1：放一把尺子在底下就好了。師：其他人覺得呢？生2：它爬到尺子外面就不行了。生3：底下全是尺子就好了呀！師：大家可以想想數學課上老師是怎么教大家比較長方體的大小的？生1：一立方厘米的正方體。哦！我知道了，全部畫出一厘米的格子就好了。（興奮狀）生3：螞蟻又沒有這么長，我覺得一毫米就夠了。

學生們一開始制作的是“產品”的基礎模型，可學生完全不會滿足于完成一件毫無新意的“產品”，他們認為自己完全可以設計出更適合解決三年級學生觀察螞蟻的“產品”。有了這一驅動力，學生開始站在使用者的角度思考設計，回顧自己在觀察螞蟻時遇到的具體問題，有針對性的改造“產品”。于是，有的小組設計了兩個支架，方便觀察螞蟻腹部;有的小組設計了可以放置兩個放大鏡的支架;有的小組在支架上增加了刻度紙，可以直接測量出螞蟻的長度和寬度。當學生們開始思考如何讓自己的“產品”更具特色、更受低年段學生喜愛時，STEM的設計理念才真正得以落實。

5 多元評價，鼓勵學生登臺秀

評價是STEM教育的重要環節之一，它檢查了學生的設計，同時也給他們展示設計的平臺。在《放大鏡支架》一課中，“產品”優劣的評定有著一套詳細的標準，小組成員相互試用“產品”進行互評。有了“產品”展示，各小組爭相上臺介紹自己“產品”設計的亮點和巧思，還有小組特意創作了宣傳標語。同時，有了評定細則，臺下的學生會對展示的“作品”提出具有正對性的問題，如“你們如何確定兩個放大鏡之間的高度”等問題。在這個環節中，每個學生都變成了嚴謹的裁判員，圍繞產品標準對每件產品進行了全方位的檢驗，給予公正的評分。STEM理念的的融合，使得科學課堂變得妙趣橫生，學生真正地成為了課堂的主角。

或許STEM項目課程太“宏偉”，但打造融合樂STEM理念的科學課堂定是力所能及的。當在教學中努力踐行新理論、新知識，通過精心設計課程，把新理論逐步滲透到每一次、每一步的教學活動中，科學課堂將煥發新生。

（作者單位：浙江省杭州市蕭山區赭山小學）