從工程實踐問題出發設計STEM課程

陳建平

STEM教育是科學教育的熱點話題。本文通過展示分析《讓橡皮泥浮起來》這一課的教學案例，研究依靠小學科學課程資源，從工程實踐問題出發，設計STEM課程，為STEM教育在小學科學課程中的實施提供一些參考。

STEM是Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）、Mathematics（數學）的簡稱，旨在將原本分散的科學、技術、工程、數學四門課程集合成一個新的整體。這一集合，不僅僅是課程的簡單組合，而是要把學生學習到的零碎知識轉變成一個探究世界相互聯系的不同側面的過程。它更加強調學生在情境中提升設計能力、合作能力、問題解決能力和實踐創新能力。

隨著STEM教育在我國的盛行，科學課程的改革全面展開。2017年頒布的《義務教育小學科學課程標準》中，科學課程除原有的“物質科學領域”“生命科學領域”“地球與宇宙科學領域”三大領域外，增設了“技術與工程領域”，進一步強調了科學課程與并行開設的語文、數學等課程的相互滲透，更加強調了STEM教育的重要性。倡導跨學科學習，建議老師開展形式多樣的STEM課程。小學科學課程融入STEM理念勢在必行。從工程實踐問題入手，開發并研究STEM課程，是落實STEM教育的重要路徑。

《讓橡皮泥浮起來》源自蘇教版小學科學教材，是四年級第三單元“浮力”的延伸課，以融合STEM理念為出發點，在原有科學教材的基礎上進行加工、設計，讓學生經歷“提出問題—活動體驗—設計與制作—測試與優化—展示與交流—擴展與應用”等系列活動，完成工程技術知識的建構，激發學習靈感，培養創新能力，全面提高科學素養。該課在內容上兼具實踐性、探究性和趣味性，對小學科學STEM課程資源開發和研究有實踐意義。

《讓橡皮泥浮起來》一課需要學生掌握的STEM目標如下：

S（科學）：感知物體的沉與浮，體驗通過改變物體的形狀改變它所受到的浮力。

T（技術）：學生不斷改進橡皮泥模型的形狀，讓它浮在水面上并增大裝載量。

E（工程）：設計方案并不斷改進它。

M（數學）：學習用表格記錄數據，分析數據。

一、實施過程

（一）提出問題——如何讓橡皮泥浮起來

老師出示生活中常見物體（包含橡皮泥）：“你們看，老師今天帶來了什么？假如把這些物品放到水中，你們預測一下，會出現什么樣的現象呢？”讓學生感知物體在水中的沉與浮。接著老師出示浮力概念，繼續引導學生，物體的沉與浮與它受到的浮力有關，激發學生探究興趣，并在此刻提出問題：“誰能讓沉在水中的橡皮泥浮起來？”

通過剛才的環節，學生關于浮與沉以及浮力有了自己的想法，這時老師組織學生進行小組討論，鼓勵大家發表對解決這個問題的想法。一來可以促進小組互相交流，培養默契;二來能幫助老師了解學生關于浮力的前概念。

設計意圖：課堂通過情境導入，吸引學生注意力，激發學生學習興趣，同時引出本課主題“讓橡皮泥浮起來”，為學生后面的學習進行鋪墊。

（二） 活動體驗——小組初步動手制作橡皮泥模型

通過上一個環節的小組交流、師生交流，學生對于問題“讓橡皮泥浮起來”形成了很多想法，他們亟須驗證自己的想法，這時放手讓他們去制作。制作完成后，小組代表在表格圖中按先后順序，標記1、2、3……學生在制作時可能會遇到以下問題：一是橡皮泥的形狀要如何設計;二是如何讓橡皮泥在水面上保持平衡;三是橡皮泥本身的特點會給他們帶來困難。這時，老師全班巡視，鼓勵他們大膽嘗試，不懼失敗。

當第一次制作完成后，各小組情況不一，老師根據學生實際情況提問。對成功的小組提問：橡皮泥形狀有什么特點？對失敗的小組提問：遇到了哪些困難？橡皮泥有什么特點？如何放置橡皮泥模型？

設計意圖：讓學生回顧自己活動過程，反思自己遇到的問題，在師生交流中發展自己的思維，提高設計創新能力、問題解決能力，為下一次活動做鋪墊。

（三）設計制作和測試——小組設計方案并制作承載量最大的橡皮泥模型

經過上一環節的活動，學生可以成功地讓橡皮泥浮在水面上了，這時老師繼續引導學生，接下來可以加大難度挑戰。學生自然而然想到，可以比一比誰的橡皮泥模型承載更多的重物。老師接著引導：用什么樣的重物測試？在這個過程中，學生掌握了測試載重量的方法。

接下來分兩個任務：任務一。小組討論，并畫橡皮泥模型設計圖，之后全班討論，并預測承載量;任務二。學生根據設計方案，制作橡皮泥模型并測試。老師全班巡視，對制作細節進行評價，并給予及時幫助。任務完成后，小組代表在黑板上的表格中填入承載量。

設計意圖：設計是工程技術的核心，也是現實設計制作產品的第一步，通過設計環節，讓學生頭腦中的想法具體化，促進他們思維的發展。動手制作是本節課的重點和難點，學生能在制作探索過程中提高解決實際問題的能力，體驗和發現科學道理。學生在完成制作測試后，一定會體會到成功的快樂，進而提高學習科學的興趣。

（四）展示、交流與優化

制作測試完成后，通過數據分析，老師引導學生思考，請成功的小組分享成功的經驗，失敗的小組總結教訓，然后全班交流。在這個分析過程中，總結提高橡皮泥模型承載量的辦法。老師進而提問：想不想再試一次？自然而然進入改進環節。依然先畫設計圖，再制作、測試，在表格中填入承載量。

設計意圖：科學課堂不僅要有實驗活動，更要有讓學生思維發展的空間和時間，一方面在活動過程中，讓學生體驗和感悟，另外一方面需要老師引導，學生自己發現。所以活動之后的分析交流是很重要的，老師可以根據學生實際情況提出一些思考問題。例如，橡皮泥模型的底部是要大一些還是小一些？為什么？高度呢？在這個交流過程中，不同的觀點進行碰撞，對于學生科學知識、科學思維的形成都大有好處。

（五）擴展與應用

當改進環節結束后，學生分析比較表格中的數據，看著自己模型承載量有了明顯提高，非常興奮。老師引導：還可以繼續改進我們的橡皮泥模型嗎？實際上，我們可以不斷循環改進制作測試這個環節，提高橡皮泥模型的承載量。老師接著引導：做成這樣的橡皮泥模型真不容易呀，回想一下，我們經歷了哪些過程？

設計意圖：引導學生將科學探究從課內延伸到課外，讓學生得法于課內，得益于課外，逐步養成科學探究的習慣，科學素養大大提高。同時，讓學生回顧項目活動過程，深入體會工程師的思維過程和工作過程。

二、思考與啟示

（一）融合STEM理念的科學課程有助于提高學生解決問題的能力

在小學科學STEM課程中，學生從解決實際問題出發，經歷頭腦風暴，思考討論，設計制作，測試改進，一步步解決活動過程中各個細小的問題，從而解決了大問題。再加上科學、技術、工程、數學各個元素的融合，讓學生把學習到的零碎知識變成一個探究世界相互聯系的不同過程，全方面提高學生解決問題的能力。

（二）學生科學概念的建立是自然而然的過程

如果沿用傳統的教學方法，老師講，學生聽，涉及科學實驗，也就是老師在課堂中講解、演示，讓學生完成。這樣的教學方式，科學知識和概念是老師教授給學生的，而不是學生自己建立的。而STEM課堂，從解決實際問題出發，充分給予學生思考創造的空間，在引導的基礎上，在活動過程中，學生自然而然地掌握了科學知識，建立了科學概念，提高了自身科學素養。

（三）STEM課程設計要給學生創新留有足夠空間和時間

在STEM課程設計中，要留有足夠的時間、空間讓學生自己觀察、思考、探索、發現。課堂節奏要慢下來，不能一味地去趕環節。STEM課程注重的不是學生的學習結果，而是在活動過程中學生思維的發展、能力的提高。學生的思維不能僅僅停留在作品上，而是要發現、要思考、要創新。

（四）STEM課程要培養學生小組交流合作的能力

科學課堂上分小組活動是常見的教學方法，目的是發揮每個學生的長處，與同伴共同協作完成任務，但是在實際操作過程中，容易出現只有一人參與活動的現象。老師需要明確安排細致的任務，加強指導，才能讓小組活動參與率提高。但是，這樣一來，學生選擇的自由又受到了限制，學生探究空間就少了。老師在教學過程中，布置任務后，可以慢慢減少指導，有意識地培養學生小組合作交流的能力。同時，增加課堂趣味性，讓每個學生都有興趣參與，也可以增加一些鼓勵性的語言，提高學生參加小組活動的積極性。

三、結語

小學科學教育中STEM課程的開展離不開課程資源的支持，可以從科學教材中工程實踐問題出發，設計STEM課程。老師要學習STEM教學理念、STEM課程理念，在了解學生已有知識和經驗的基礎上，結合學生需要掌握的核心概念、能力，開發既有探究價值又可以操作的課程資源。這對于新時代科學課的建設、教師教學水平和科研能力的提高、學生科學素養的提高都有重要作用。