基于STEM理念的課程對中小學生科學思維能力的培養
——以智能桌面實驗盒學區課程為例

勞浩勛

(廣州市八一希望學校，廣東廣州，510000)

越秀區轄內的16所中小學于2016年組成立體學區，以學區內資源共享及交流合作為途徑。實踐中發現，形成學區一體化課程開發機制，共同建設體現學區特色的學區課程，能有效推動教育向優質、均衡的方向發展，促進教育公平。STEM和創客教育的興起，給技術學科特別是信息技術與通用技術學科帶來了新的生命力。課程教學融入STEM理念，強調培養學生不斷提問、假設、探究、試錯和總結的科學思維能力，給學生帶來全新的體驗。

一、概念界定

進行智能桌面實驗盒項目中應用STEM理念分析之前，有必要對STEM理念、學區課程、智能桌面實驗盒、科學思維進行概念界定。

(一)STEM教育理念

STEM是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)四門學科英文首字母的縮寫，學習者接受STEM教育有助于更深入地理解數學和科學等內容，有助于培養自身在真實世界中運用這些知識來解決跨學科問題的能力。需要指出的是，STEM素養，一方面是上述四種素養的組合，另一方面是需要把學習到的各學科知識融合與整合、拓展與創新，最終轉變成有機整體。STEM教育的課程設計應該使用“整合的課程設計模式”，旨在培養學生超越傳統學科界限，動手解決實際問題的能力。

(二)科學思維

科學思維是一種正確、高效、具有可操作性的思維，在科技創新活動中起到核心作用，是創新活動的靈魂。科學思維方式強調的是思維加工處理方式和途徑的科學性。學生在開展基于智能桌面實驗盒的設計制作活動的過程中不斷提問、假設、探究、試錯和總結，對自身用科學思維方式思考問題、解決問題有著積極的指導意義。

(三)智能桌面實驗盒項目

智能桌面實驗盒項目是技術學科的教育載體，STEM和創客教育的技術套件極為豐富，為智能桌面實驗盒的設計提供了有力的支撐。廣州市第一中學、廣州市第三中學整合ScratchPi、樹莓派等產品，根據學習需求改件、補件，聯合設計了智能桌面實驗盒1.0版本(表1)。

(四)學區課程

學區課程是一門特色創新的課程，應是介于地方課程與校本課程之間的課程，是能體現學區教育思想和課程觀念的課程。它應根據學區內的經濟、政治、文化發展水平和對人才的特定需求，充分利用現有課程資源進行開發、設計、實施。其本位一是為了立體學區，二是在立體學區的學校中，三是基于立體學區的所有學校。越秀區立體學區課程建設主要是在小學、初中、高中整個階段幫助學生進行生涯規劃，將STEM教育理念應用到智能桌面實驗盒項目中，是重實踐的超學科教育概念創新，使STEM的內涵和外延越來越豐富的同時也體現著創新科技、教育和技術協同發展的探索和趨勢。

表1 智能桌面實驗盒1.0版本

二、STEM理念在智能桌面實驗盒課程中的應用案例

STEM理念的特點是在建立學科集成的過程中將學生思維習慣由“低階思維”向“高階思維”提升。2019年，筆者觀摩了廣州市少年宮與廣州市名教師工作室聯合開展的基于STEM理念的智能桌面實驗盒系列公益課堂，在基于活動、項目、問題解決的課堂上發現了有實現新課改目標的可能性：教師與學生正在共同經歷創造、設計、建構、發現、合作并解決問題的過程。筆者記錄、歸納、整理了以下優點。

(一)玩轉創意編程，提升學生科學與技術素養

豐富多彩的游戲背后是怎樣的規則與布局？建構一個個神秘的游戲世界需要怎樣的創造力與想象力？在體驗課上，陳老師化身為“小小游戲設計師”，讓學生自主組合成6個組，每組4人，基于同樣的實驗盒器材、初始程序和多學科知識錦囊，創造性地在90分鐘內合作完成任務，一起設計出專屬小游戲。這將大大拓展和提升學生想象的空間。游戲一：學生要解密打地鼠這款既簡單又充滿樂趣的游戲的制作過程，編寫程序后，用傳感器實現用編程密語喚醒魔法之錘。游戲二：在浩瀚的宇宙中，一大波蝙蝠突然向宇宙飛船襲來，學生被迫加入了太空之戰。學生在完成任務過程中會不斷遇到新問題，小組設計與制作的難度不斷加大：怎樣更快打到地鼠？如何精準打中蝙蝠？需要用到哪些器材？怎樣快速編寫程序？……教師引領學生逐步應用STEM理念了解游戲背后的編程世界，在項目中突破常規思維，在解決問題的過程中提升學生的技術素養。

根據筆者觀測，在合作過程中，小組成員發揮各自獨特作用，每個學生都專注地設計、編寫、搭建，思維是高度活躍的。這正是基于STEM理念的智能桌面盒下的理想課堂：既是玩耍，又是學習。學生用ScratchPi制作出自己團隊的專屬游戲，體現了STEM 理念所倡導的學科集成理念：在問題解決的基礎上進行建構、發現、合作與創造。總結下來，課堂上團隊制作現場具備真實情境、探究、團隊協作、解決問題等要素，也是STEM理念所要達到的目的，即趣味編程讓學生的思維活躍起來，激發學生的創造力、想象力和不斷試錯的問題解決能力。

(二)突出STEM理念的試錯功能，體現科學性與創新性

智能桌面實驗盒課程是避開煩瑣的代碼語法也能做出精妙的創意編程的課程。在黃老師的帶領下，學生迎來創意無處不在的“蘋果大豐收”。在ScratchPi里要體驗到“摘蘋果”的樂趣，學生就要思考如何才能進行高效摘取和運輸，考慮需要用到的工具。學生在設計、制作、展示、闡述的過程中總結和感悟，分享心得，提煉問題，擬定修改方案，這體現了技術學科應有的科學性與創新性。

李老師為大家介紹了新的硬件工具——傳感器，借助這一裝置，學生可以創作出更為豐富多彩的互動作品。在現場設計與制作環節中，學生自主探究，打開程序，安裝驅動，將傳感器與電腦連接起來。在解決問題的過程中，教師發揮協助、指導、監督、評價的作用，允許學生反復試驗，鼓勵組員之間相互糾錯，讓學生設置接口，添加指令，隨著手在光敏傳感器上移動、遮擋，燈或點亮或熄滅，再試試有什么新發現。在反饋完善的過程中，學生明白了“科學就是一個不斷犯錯，不斷修正，不斷假設，不斷驗證的過程”的道理。

(三)彰顯STEM理念對學生創造力的培養，評價標準多維度

在有限的時間里選用實驗盒里的器材完成任務，是對學生現場創造力的一種考查。在體驗課堂現場，學生與李老師一起研究老鼠晚上才會出來覓食的原因。他們用ScratchPi模擬怕光的老鼠，將光敏傳感器與電腦連接起來，編寫腳本，點擊綠旗后，仔細觀察舞臺發現：用手遮擋住光敏傳感器，當昏暗的時候，“老鼠”便會出來覓食，將手移開，燈光亮的時候，“老鼠”就被嚇跑了。在完成任務的構思與制作過程中，學生的綜合能力、分析能力與實踐能力都將得到激發與展示，學生將成為一個全面發展的完整的人。

為了使課堂評價具有可實施性，有說服力，在參考其他STEM科技項目規則及評分標準的基礎上，筆者采納了13位課程實施教師的建議，整合設計了三個有梯度的評價標準，多維度對學生進行評價，詳見表2。清晰可量化，每一個梯度的上升也是對學生綜合能力的一次肯定。

表2 中小學智能桌面實驗盒學區課程課堂評價標準

三、體現學生發展核心素養的智能桌面實驗盒課程

STEM理念注重打破學科界限，建立學科集成理念。這與核心素養的“跨領域性”強調其連接學科知識與生活世界(真實情境)的“可連接性”是不謀而合的。鑒于此，筆者梳理了智能桌面實驗盒課程中體現學生發展核心素養的精髓。

(一)彰顯人文底蘊，提升科學精神

STEM理念以“智能桌面實驗盒”作為教育載體，融入中外兒童故事和游戲，這是對人文積淀與情懷的一種喚醒與傳承。筆者發現，學生在編程與制作的過程中，或多或少會對自己設計的作品賦予特殊的含義，有對傳統文化的理解，有對自己未來職業的向往……這正是學生人文底蘊核心素養的顯性表現。

勇于探究、批判質疑、理性思維的科學精神核心素養在基于STEM理念的智能桌面實驗盒體驗課中也得到了很好的體現。“海洋的深處，兇惡的鯊魚要把海底所有的小魚都吃掉……”跟著陳老師的腳步，學生一起走進“海洋”。怎么拯救小魚？怎么保護生態環境？怎么把生活語言轉換成計算機語言？對這些問題的解答，學生需要綜合跨學科的知識與技能，運用理性思維進行批判質疑，嘗試個性化的創新。

(二)真正學會學習，進行實踐創新

體驗課堂體現STEM理念，強調問題的真實性，倡導學生獨立完成每個項目，學生在項目完成過程中提升對信息的篩選能力，從網絡或其他渠道獲取有用的資源，更便捷地完成設計與制作，以達到理想的狀態。在體驗課中，陳老師念起“嘛哩嘛哩哄”的咒語，學生就想到選用哪個傳感器才能產生強大的氣流，實現吹走前方障礙物的風之魔法目的。謝老師提出有些生活噪聲是無法忍受的。在制作創意噪聲監測儀的過程中，學生通過循環往復的試驗與改進措施，不斷提高檢測儀的性能，達到準確、便捷地用波形圖檢測聲音大小的目標。基于STEM理念的評價側重考查的是定義不良情況下學生的反應，即實踐創新能力。這是對以往應試教育下定義優良問題解決的一次改進，與學生發展所倡導的實踐創新核心素養理念一致。

(三)構建應用智能桌面實驗盒的教學流程

智能桌面實驗盒課程參照“生活即教育”的理念，教學方法是“教學情境化、知識生活化、創作體驗化”。筆者所在團隊在基于STEM理念的體驗課實踐中，總結出“1+1”雙師導學課內翻轉的有效教學流程。(圖1)

圖1 智能桌面實驗盒體驗課(主教+助教)教學流程

四、結語

廣州市實施科技教育提升工程的建設需要更多STEM教育試點課程提供基礎支撐。作為一個融合STEM理念，創新與實踐并重的課程，考查學生在課堂活動中思維開發的過程將是重點。學生享受科學探索的過程，是發現自己隱性優點的過程，也是展示自己領導力、計劃力、學習力、創新力與綜合素養的過程。因此，如何依據學區平臺，開發學區課程，以STEM跨學科知識融合的教育理念，研究構建和開發具有跨學科性、趣味性、體驗性、情境性、設計性的全學段拓展性課程體系，以項目學習、問題解決的方式推進實施科技教育提升工程是非常有價值的。