基于STEM教育理念課程開發舉隅

周愛萍

【摘要】基于STEM教育理念，在“學生發展核心素養”框架中，聯系課堂教學實際，對STEM教育課堂如何實現“過程與結果并重”展開深入研究。本文以廣州市江南外國語學校開展的STEM課程教學實踐“航天時代”之《水火箭實驗》為例，探索STEM教育核心特征：跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性、技術增強性等，并以此為據，摸索出了一套具有校本特色的STEM教育教學實施方案。

【關鍵詞】STEM課程;實施策略;核心理念;過程與結果

加強對學生四個方面的教育是STEM課程的重點。一是科學素養，即運用科學知識來理解自然界并在這一過程中參與影響自然界的過程;二是技術素養，即使用、管理、理解和評價技術的能力;三是工程素養，也就是對技術工程設計與開發過程的理解;四是數學素養，即學生發現、表達、解釋和解決多種情境下的數學問題的能力。可以看出，科學、技術、工程和數學知識進行簡單疊加不是STEM教育的過程，STEM教育的過程是將原本分散的四門學科內容進行了一個有機融合，從而使得四門學科形成整體，進而使得學生學習的零碎知識變成互相聯系的統一整體，培養學生創新能力。

STEM教育理念的核心特征體現在如下幾方面：

第一，STEM教育的目標是提升學生的科學精神和創新能力，要有批判思維和邏輯思維，即不輕易相信任何觀念，懂得運用理性思維去思考問題、使用多種不同的方法去研究問題。故此，學生可以通過科學實驗、現場觀察等方法去尋找解決問題的答案。在這一過程中，潛移默化地培養了學生勇于承擔責任的意識和良好的勞動意識。

第二，STEM教育以尋找問題的解決方法為學習任務，進行任務驅動學習，進而培養學生的創造能力和面對問題時能夠解決問題的能力。很多人把創造力等同于“產生一些奇思妙想”，這種解釋是不完整的。其實，先仔細觀察是創造力的一個很重要的方面，也就是先思考所面對的是什么，然后再去發揮自己想象，接著設計一個方案出來，到這一步時不能就此打住，還要分析所設計出來的每個方案的優點和缺點，同時可以思考和嘗試把幾個方案的優點組合起來，做出更加新穎的方案。

創造力不是一勞永逸的奇思妙想，而是長期進行觀察、反饋和更新的一個過程。學生在這個過程中，要學會和懂得如何確定目標、怎么獲得資源、如何建立路徑、解決問題。此外，為了解決遇到的問題，學生要以任務為導向，在去完成任務的過程多加留意觀察，尋求合理的證明，給出科學的解釋，最終使得跨學科學習活動得以延續。

第三，STEM教育讓學生在學習的過程中發現并整理出與解決問題相關聯的不同學科的知識，并進行整合。在這個過程中提升了學生的規劃能力，協調能力，研究能力，交往能力等等。

因此，STEM教育項目的完成應該為學生提供一個融匯貫通，鍛煉溝通能力的機會。當學生完成任務做出成果后，教師要積極地鼓勵學生把自己的成果作品介紹給大家。通過這一個環節可以看出如何獲取知識、如何運用知識、是否能夠與人溝通協作等等，將是人們在未來生活中需要具備的核心能力。

以下是筆者在廣州市教育研究院《學校的STEM課程的教學實施策略研究》項目的實施過程。在廣州市江南外國語學校開展的STEM課程“航天時代”教學實踐時，筆者以《水火箭實驗》課程為例，聯系課堂教學實際，對STEM教育課堂如何實現過程與結果并重開展了深入研究，且摸索出了一套具有我校特色的STEM教育教學實施方法與方案，以期為同行提供借鑒。

一、學情分析

初一級的學生在注意力、記憶力、邏輯思維能力等多方面都已經進入一個快速發展時期。隨著知識的積累和生活經驗的豐富，學生對科學、技術、學科的認識正逐漸形成自己的認知框架。課堂中，教師要鼓勵每個學生積極參與到STEM的活動中去，在活動中得到鍛煉和學習的機會。此外，在教學時，由于每個學生都有自己的特點，教師要把每個學生的差異性納入自己的思考范圍，對不同層次的學生給予不同的指導，充分尊重學生的主體性。

二、教學手段與技術準備

隨著社會的發展，多媒體在教育教學中占據越來越重要的地位。多媒體在教學中的使用，為學生的學習和發展提供了良好的學習環境和學習用具，將教師教的過程和學生學的過程融為一體。這不僅激起學生的學習興趣，還幫助學生理解學科知識的內容，掌握學科的重、難點。本節課教學手段主要采取借助多媒體電腦、網絡等，開展多層次、多樣化、開放式的教學，以達到優化課堂教學的最佳效果。

技術準備：樂課網教育互動學習客戶端、電腦、PPT課件、圖片、視頻。近年來，筆者一直尋找一種快捷的、所有同學可以參與的評分工具，隨著本校教學采用樂課網教學平臺，這個問題得到較好解決。

三、教學目標

1.認知，技能，過程，方法

（1）培養收集處理信息，自主獲取知識的能力。

（2）通過實驗研究與觀察、運用數學思想和技巧、選擇策略，培養解決問題的能力。

（3）通過親自設計，親自試驗，提升安排和組織資源的能力;使用工具和技術的能力;設計與制作的能力、操作與發明創造的能力等。

（4）通過提交研究報告，提升規劃能力，協調能力，研究能力，交往能力，管理能力，表達能力，以及團隊合作精神。

2.情感態度價值觀目標：

培養環保意識、資源意識、人本意識、社會責任感、合作意識，以及良好的個人品質。

四、實施過程

STEM課程不僅要重視學生學習研究的結果，還要重視培養學生活動過程中的良好習慣。所以，STEM教育教學主要采取“過程+結果”的方式進行STEM課程的學習效果評價設計。故而，教師不僅要注重學生的學習成果，還要更多地注重學生求知、探究和努力的過程。STEM教育在評價內容上著重體現綜合性，其中包括了對學生知識學習情況的評價;對學生學習態度、興趣等方面的評價。此外，也包括對學生動手操作、獨自創造、獨立性思考等能力的評價。

所以在教學活動的組織過程中，應該充分尊重學生的自主性。老師通過扮演引領者的角色來鼓勵學生主動研究、自由發揮，且在教學中設計了讓學生盡可能、充分地自主體驗研究、設計與表達的過程。學生用腦思考，篩選問題，自主設計研究計劃與解決方法。最后師生一起研究探討，共同定出評價方式方法，并充分運用STEM課程的特點，嘗試主動性、開放性、合作性、信息技術與學科整合教學模式進行教學。

（一）教材重組：為STEM教育活動編制教材，我們深入研究、探討、分析了美國STEM課程教材《設計航天器》，并對美國STEM課程教材《設計航天器》與我校傳統校本課程《水火箭實驗》教材作了重組，進而編組校本STEM課程講義《航天時代》，且通過自學課件、微視頻和實驗器材，將知識點內容整合于一體開展STEM教學，展現其內容的跨學科，趣味性，科學性，技術性。這為我校開展STEM教育打下了夯實的基礎。

（二）分組活動：STEM課程主要以分組活動的方式進行，全學期每個班以小組為單位完成活動任務，本課程制作水火箭分組方案，原則上每小組人數不能太多，考慮到實際情況，每個小組至少4人至多5人。

（三）一次評價：通過水火箭實驗，形成研究報告。（滿分30分）

一次評價評分標準：

（1）水火箭實驗的目的是為了改良水火箭的飛行效果，因此我們制定的客觀標準，是水火箭飛行距離，飛得越遠成績越好。（滿分20分）

（2）學生提交的研究報告，數據與結論的科學性。（滿分10分）

STEM課程《水火箭實驗》活動的開展，由每小組自主選擇研究課題，教師擬出如下研究課題供學生選擇，同時，容許學生自己自主擬定自己喜歡研究的課題。規定每個課題必須完成三組以上的數據才能形成研究結論。

（1）水火箭長短對飛行距離的影響

形成結論：

（2）水火箭水量對飛行距離的影響

形成結論：

（3）水火箭容量對飛行距離的影響

形成結論：

（4）水火箭發射角度對飛行距離的影響。

形成結論：

（5）水火箭尾翼形狀硬度對飛行距離的影響。

形成結論：

（6）其它：（容許學生自己自主擬定自己喜歡研究的課題。）

形成結論：

（四）二次評價：（滿分70分）

第一個環節：教師與學生討論，共同制定評價標準，然后，每一小組填寫STEM課程分組活動自評互評表，明確水火箭實驗二次評價評分標準：

1. 難度（滿分10分）

（1）課題需要制作或準備的水火箭數量：一個水火箭得7分，兩個水火箭得8分，3個水火箭得10分。

（2）課題只需要制作一個或兩個水火箭的，如果在尾翼或箭身設計上有創造性專門設計的，可酌情加分。

2. 分工、團隊合作精神及部門協調能力（滿分10分）

（1）本組至少親自制作一個水火箭，與其他小組合作共準備三個水火箭的，可得8分以上。與其他小組無任何互動的，得分不能超過8分。

（2）現場解說本組分工合作情況，例如指出誰是主創，誰是設計，誰是美工等。有圖有真相（照片或視頻）的可以酌情加分。

3.材料利用，節約與環保（滿分10分）

課堂展示自己的作品，對相關環節作出現場說明，說出你的評分理由。

4.淺談你對作品原理的認知（必填）（滿分10分）

現場解說。然后自行打分。

5. 設計思路，作品的科學性及美觀實用度（可附頁）（滿分10分）

（1）課堂展示自己的作品，對相關設計作出現場說明，說出你的評分理由。

（2）出示設計圖紙進行解說的可得9分以上，沒有設計圖紙的不得超過9分。

6.拓展、探究心得或研究論文（可附頁）（滿分10分）

要求說出自己接下來的研究計劃：第一，是否寫論文;第二，準備或已經參加那種類型的科技活動。有這兩項活動之一的可得9分以上，否則不能超過9分。

7. 班級值日員檢查評分：愛護設備器材與整潔衛生情況。

第二個環節：展示評價

1.以小組為單位自評：每個小組上臺作自評報告，教師適當評價指導。

STEM課題《水火箭試驗二次評價》分組展示活動要求：

（1）每小組派一個同學或兩個同學上臺作自評報告，也可以全體同學一起上。展示自己的研究課題，展示自己的作品。發言時間不得超過2分鐘。

（2）每小組對自己的選題與相關作品進行現場說明，模擬向人推薦自己的作品，推銷自己的產品。要注意突出作品的優點與特點。

（3）展示活動，同學們應注重配合，注重儀態，聲音洪亮，要敢于表達，敢于表現。而且發言要有激情，有號召力，以培養領袖氣質。（時刻準備著，成為未來的學術帶頭人，行業領軍人物）

（4）自評過程要注意禮貌用語，禮貌環節。上臺要向大家作出問候，下臺要有謝幕動作，例如全體鞠躬，說謝謝大家。

（5）每小組上臺發言，以及謝幕環節，其他小組不要吝嗇自己的掌聲，要學會欣賞他人，尊重他人。有友好合作的姿態，營造出良好的互相學習的氛圍。

2.學生互評：每個小組每位學生通過《樂課網》教育互動學習學生端打分，后臺自動統計成績。（下轉第16版）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（上接第15版）必須按要求給出評分，亂給分的沒用，系統會自動規避，相當于棄權。

3.課堂小結：以獎勵的形式，給出一、二、三等獎，余下的給予鼓勵獎。

五、小結

STEM課程應注重活動生成過程而不注重結果。這使得學生的學習擺脫了分數和功利性帶來的束縛，從而讓學生更為主動積極地參與學習的各項活動，激發他們的學習興趣，給與了學生學習方式變革一定的空間。在STEM課程教育中，四門學科的教學要互相聯系、緊密結合，培養學生學習的技能和掌握知識的技巧，使得學生在遇到實際問題時能夠進行靈活遷移應用和解決。由《水火箭實驗二次評價》可見一斑，STEM課程具備的核心特征：

1.跨學科性：雖然跨學科強調學科的“混合”，但每個學科仍保持自己的特性和課程重點。在每一門學科的教學中，可能會出現不同學科的知識，教師的教學或多或少會涉及到不同學科的知識。此時，雖然會出現多門學科的教學，但是大家都能辨析各門學科知識領域，且會對某一特定學科特別重點關注。這可以看出，STEM教育的重心放在了特定的問題上，且對問題會有不一樣的視角和對復雜問題相互關系有更深的理解。因此，在解決真實問題的過程中，學生會運用到跨學科知識和方法去解決，這使得學生的學科理解力與生活理解力得到了不斷地發展，并掌握知識與技能。

2.趣味性：STEM 教育注重分享、創造，注重和強調讓學生體驗和獲得分享中的快樂感與創造中的成就感。本課程在制作完水火箭后立即進行水火箭實驗正式測試，學生們做好充分準備，清楚知道自己去測試水火箭的目的，帶著研究課題與探究目標去測試水火箭，融趣味性與主觀能動性于一體。

3.體驗性：STEM 教育不僅主張學生通過自己學習或通過教師在課堂上授課而獲取抽象知識，更強調學生的實踐活動：動手、動腦，參與學習過程。STEM 提供了學生動手操作的機會，使得學生在面對現實世界的問題時，學會了應用所學的數學和科學知識解決問題。水火箭的制作與實驗，通過實驗研究與觀察、運用數學思想和技巧、選擇策略，培養學生解決問題的能力。學生通過提交研究報告，提升規劃能力、協調能力、研究能力、交往能力、管理能力、表達能力、團隊合作精神。

4.情景性：STEM教育強調把知識在實際生活情境中還原，提出與生活有關的有趣、具有挑戰性的問題，從而讓學生解決所提出的問題，而學生解決問題的過程也就是教學完成的過程。STEM 教育強調讓學生獲得將知識進行情境化應用的能力。水火箭制作與實驗以及其評價環節，不僅讓學生獲得知識，還獲得知識的社會性、情境性及遷移運用的能力。此外，解決情境性的問題，能夠讓學生體驗生活的真實性，獲得社會性的成長;能夠在潛移默化中培養學生的環保意識、資源意識、人本意識、社會責任感、合作意識，以及良好的個人品質。

5.協作性：STEM 教育具有協作性，強調在群體協同中相互幫助、相互啟發，進行群體性知識建構。STEM教育中的問題的解決與我們的生活是息息相關的，具有真實性，而真實任務的解決離不開各方的合作，如同學、教師或專家的互相合作。在解決問題的過程中，學習者需要與他人一起商討如何完成活動任務。如水火箭制作與實驗以及其評價環節是以小組成員的共同表現為參考，而不是根據個人的表現進行獨立評價。這體現學生互相之間的協作成果，且在期間提升了學生的溝通能力、安排和組織資源的能力等等。

6.設計性：STEM 教育要求學習產出環節包含設計作品，通過設計促進知識的融合與遷移運用，通過作品外化學習的結果、外顯習得的知識和能力。水火箭實驗不僅讓學生去研究水火箭長短、水量、容器容量以及發射角度等因素對飛行距離的影響，還對水火箭尾翼形狀材料對飛行距離的影響有初步研究，提升學生設計環節的素質。

7.藝術性：STEM 教育的藝術性強調在自然科學教學中增加學習者對人文科學和社會科學的關注與重視。水火箭制作強調外型的美觀，力與美完美的結合，且課程在對學生設計作品的評價中，加入審美維度的評價，提高學生作品的藝術性和美感。

8.實證性：STEM 教育注重科學的實證性，注重在跨學科情景中通過對問題或項目的探索，培養學生向真實生活遷移的科學精神和科學理性。水火箭實驗讓學生去研究簡單的水火箭長短、水量、容量、發射角度、尾翼形狀、材料等因素對飛行距離的影響，通過實驗研究與觀察，運用數學思想和技巧去探究問題，提升科學素質。

9.技術增強性：STEM 教育強調學生要具備一定技術素養，強調學生要了解技術應用、技術發展過程，強調學生要具備分析新技術如何影響自己乃至周邊環境的能力。水火箭制作與實驗，學生通過親自設計，親自試驗，提升安排和組織資源的能力、使用工具和技術的能力、設計與制作的能力、操作與發明創造的能力等。通過STEM教育，有助于學生獲得對數學和科學等內容更加深入的理解，同時也有助于培養他們獲得在真實世界應用這些知識解決問題的能力。

[本文系廣州市教育研究院課題“學校STEM課程的教學實施策略研究”（課題編號：GZJY2017—044）研究成果]

參考文獻：

[1]香碧顏.基于綜合實踐活動的STEM教育項目實施策略與評價[J].中學課程輔導·教師教育，2019（01）.

[2]楊博衍，顧衛.STEM教育策略與教學方案實施探究[J].中國教育信息化·基礎教育，2018（09）.