例談基于核心素養的小學低年級 STEM課程設計研究

肖化 譚偉紅 區楚瑜

[摘? ?要]STEM教育提倡跨學科整合的學習方式，為培養學生核心素養提供了可行的方法與路徑。但目前基于核心素養的小學低年級STEM課程研究較少。研究者依據STEM教育特征和我國學生核心素養框架設計了本土化小學低年級STEM課程。該課程能夠激發學生的探究熱情，引導學生在工程實踐探索活動中掌握豐富的科學文化知識，從而培養科學精神和自主學習能力，提升創新意識和實踐能力，增強社會責任感，最終形成學生的核心素養。

[關鍵詞]小學低年級;核心素養;STEM教育;課程設計;跨學科

隨著全球化網絡信息科技為代表的“后現代社會”的到來，人們需要適應復雜多變的外部環境，因此社會對人才提出了新需求，這是對以往知識、技能等相關概念的內涵擴展和升級后的新概念——能力（competence）[1]。為了應對21世紀的人才需求，國際經合組織（以下簡稱OECD）、歐盟、美國等發達國家或組織相繼研究了新時代綜合型人才所需的關鍵能力，并推出了適合自身經濟、社會和教育發展要求的核心素養體系[2]。我國教育部在2016年也提出了中國學生發展核心素養的指標體系。其中，STEM教育是各國用以培養綜合型人才的重要教育戰略手段。STEM教育基于學科融合，以跨學科教學的方式促進學生的問題解決，從而培養其交流、合作、批判性思維和創新實踐等能力。STEM的教育理念與OECD所提出的21世紀技能中4個核心技能（即交流、合作、批判性思維、創新）是相一致的。然而，目前我國的STEM教育還處于以中小學課外輔助課程形式為主、以動手操作為重點的階段，尚未在日常教學中較好地實踐STEM教育的融合理念，特別是在低年級仍不能踐行以STEM課程形式呈現融合的教學，這是非常可惜的。因此，本研究基于核心素養設計了符合我國小學低年級教學特征的STEM融合課程，旨在為我國STEM教育體系的頂層設計提供參考案例和實踐依據。

一、概念界定

1. 核心素養

“核心素養”一詞最早出現在2003年OECD發布的《核心素養促進成功生活和健全社會》（Key Competencies for a Successful Life and a Well-Functioning Society）研究報告中，報告認為“competencies”具有比知識和技能更豐富的涵義，是人在特定情境中解決復雜問題以滿足復雜需求的能力。歐盟理事會在其研究報告《知識經濟時代的核心素養》中也闡述了“key competencies”的定義，認為“核心素養是一系列知識、技能和態度的集合，具有可遷移的、多功能的特征。核心素養是每個人發展自我、勝任工作及融入社會所必需的關鍵能力”[3]。 2016年，我國發布的《中國學生發展核心素養》總體框架以培養“全面發展的人”為核心，將學生的核心素養分為文化基礎、自主發展、社會參與三個方面，綜合表現為人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創新六大素養（見圖1）[4]。

2. STEM教育

STEM是指科學（S）、技術（T）、工程（E）和數學（M）多門學科交叉融合的整合性教育。STEM教育于20世紀八十年代在美國興起，隨著社會經濟對STEM人才需求的不斷發展，STEM專業人才成為了各國搶占第四次工業革命先機，促進制造業智能升級的關鍵[5]。各國在國家戰略層面積極推廣STEM教育。2017年，英國頒布的《建立我們的工業戰略綠皮書》指出現代工業戰略中技術教育是核心，并投資1.7億英鎊建立技術研究所，為STEM科目提供更高水平的技術教育[6]。2018年，美國發布“北極星計劃”，提出“STEM不僅要培養批判性思維，還要促進毅力、適應能力、合作能力、組織能力和責任感等行為能力的發展”[7]。我國STEM教育起步較晚，教育部于2016年在《教育信息化“十三五”規劃》中明確指出，有條件的地區要積極探索信息技術在“眾創空間”、跨學科學習（STEAM教育）、創客教育等新的教育模式中的應用[8]。自此，STEM教育在我國也進入了蓬勃發展的階段。

3.基于核心素養的STEM教育特征

STEM教育能較好地夯實學生的文化基礎，培養學生的科學精神。其所倡導的跨學科融合教育把科學知識、科學方法、技術應用和工程思維較好地結合起來，是使核心素養落地生根的有效教學方式。STEM教育幫助學生認識問題、分析理解、判斷現狀并解決問題，從而培養他們的理性思維、批判思維和質疑能力。“做中學”是STEM教育的一個核心特點，通過STEM教育可以培養學生的科學精神，提升其創新意識和實踐能力。

STEM教育注重學生的自主發展，強調培養良好的學習習慣。STEM教育以學生動手實驗為主要學習形式，讓學生學會學習、自主學習、勤于反思。在STEM教育中，學生通過實踐探索獲得相關知識后，將自主運用科學和數學的思維、工程的思想、技術的方法與技能來解決實際問題。STEM教育讓學生能自覺、有效地獲取、評估和使用信息，培養數字化生存能力，主動適應社會信息化發展的趨勢。

STEM教育能較好地幫助學生融入社會參與，以現實問題為基礎實現社會應用，同時注重培養學生與他人交流和溝通的能力，發展合作能力。在STEM教育中，學生積極參與交流與討論，學會尊重他人的情感和態度。STEM教育強調基于生活中的真實情境，通過了解科學、技術工程與社會和環境的關系，增強社會責任感，熱愛并尊重自然。

二、小學低年級STEM課程的設計思路

課程是學校教學的主要模式。設計小學低年級STEM課程有利于提高學生對STEM相關科目的興趣，幫助他們奠定良好的科學知識基礎，為日后在各學科的學習中融入整合思維，提高綜合運用知識的技能做準備。因此，小學STEM課程的總目標是傳授學生基礎的STEM知識，激發學生對科學技術的興趣和探究熱情，發展學生的工程思維和技術應用能力，從而培養學生的STEM素養，提高學生的STEM能力，為培養未來STEM人才做基礎準備。

1. 小學低年級STEM課程目標設計

基于STEM教學知識是多門學科融合的特點，在設計具體STEM課程目標時，可以中國內地《義務教育小學科學課程標準（2017）》、美國《新一代科學教育標準（2013）》（Next Generation Science Standards： For States， By States）和中國香港《科學教育學習領域課程指引（小一至中六）（2017）》為知識目標的主要設計依據。結合布魯姆的教學目標分類理論，將STEM課程目標分類為知識目標、探究目標、態度目標、社會與科學、工程、技術目標。

知識目標由科學（S）、技術（T）、工程（E）、數學（M）、數字和計算（D&C）五方面組成（見表1）。科學目標描述學生需要掌握的基本科學知識。技術目標描述學生需要掌握的與科學探究和工程設計相關的技術技能。工程目標則描述學生的工程思維和需掌握的工程設計流程步驟。數學目標描述學生要掌握的基本數學知識和數學思維。數字和計算目標是指學生需培養的計算機思維和流程操作思想。

探究目標描述學生對科學探究方法的掌握。STEM課程要求學生能根據事物提出問題和質疑，并就提出的問題進行方案設計，初步運用理性的方法處理較簡單的實際問題;初步了解比較、分類、歸納、推理、類比等科學思維方法;培養觀察、假設、驗證、推論的科學實驗能力。

態度目標包括學生對STEM課程、STEM學習、科學等方面的態度描述。STEM課程應保護低年級學生的好奇心和探究熱情，激發學生的求知欲，培養其創新精神;使學生形成積極參與交流和討論，與他人合作學習的學習態度;奠基學生尊重事實、科學探究、樂于操作實踐的科學態度。

社會與科學、工程、技術目標描述科學知識、工程、技術對人類社會和自然社會的影響。STEM課程應使學生了解所學科學知識在日常生活中的具體應用;了解工程技術對日常生活、人類社會發展、自然生態系統的影響;使學生具有尊重自然、愛護生物、保護環境的意識和社會責任感。

2. 小學低年級STEM課程環節設計

STEM教育是一種體驗式、關聯式和真實化的學習形式，一般以基于問題（problem-based）或基于項目（project-based）的學習形式為主[9]。兩種方法都是向學生展示開放式、多解決方案的現實世界問題，不同點在于基于項目的學習活動一般持續較長時間，例如一個學期，而基于問題的學習活動往往持續時間較短[10]。卡普拉羅（Capraro）和斯勞（Slough）將基于項目的STEM學習定義為“在內容豐富的項目中，一個具有明確結果的不明確任務。它要求學生解決多個問題，并且在整體考慮問題的過程中掌握各種STEM學科概念”[11]。因此，本研究中的STEM課程基于解決現實問題為課程內容設計思路，采用基于項目的學習形式設計STEM課程環節，包括問題提出、科學探究、創意制作三大環節。

問題提出是指創設一個實際情境，提出學生要解決的實際問題或工程問題，幫助學生認識和理解問題存在的意義。該問題是學生需要完成的最終任務，也是教師教學的核心本質。

科學探究是指圍繞所提出的問題，在教師指導下，采用科學實驗、演示實驗、圖片和視頻展示、現場觀察等多元教學方式，使學生學習和了解相關的科學概念、方法和技能，為下一環節的動手操作鋪墊基礎知識、原理和操作技能。

創意制作是課程的重點，是實現學生綜合運用科學知識，體現融合教學理念的重要環節，該環節需要學生基于以上環節所學的知識和技能，深刻理解問題本質，明確所需完成的任務，并提出和實踐解決方案。學生需要通過討論和思考，提出方案，設計草圖;選擇材料和工具，動手制作作品，檢驗和修改作品，最終完成作品，解決問題。

三、小學低年級STEM項目實例

“小火箭飛上天”

火箭作為STEM項目主題，具有龐大的知識體系，包含各科知識和多種工程技術，無論對于哪個年級都是具有深厚價值的教學主題。因此，本研究以“小火箭飛上天”作為小學低年級STEM課程設計的例子，展示課程設計思路。

1.“小火箭飛上天”項目的教學目標

航天事業一直是偉大而神秘的，也因此吸引著許多孩童的目光。小學低年級學生對于火箭的外觀已有基本的生活認識，并對火箭為何能升空有著極大的好奇。實際火箭發射情況雖然相當復雜，但其發射原理與空氣息息相關，因此可以從認識空氣及其作用切入，引導學生學習火箭發射的原理，將本STEM項目教學目標設定為如表2所示。

2.“小火箭飛上天”項目的環節設計

在問題提出環節，以“火箭為什么能升空”作為真實情境問題。內容包括：通過講述我國航天事業歷史、火箭研發現狀，展示相關的圖片、視頻和火箭模型，引起學生的好奇;講解火箭外形和結構，及其對于升空的作用，讓學生初步認識物體形狀的重要性;通過簡要解釋火箭是利用氣體的反作用力升空，引入對空氣及其作用的認識，同時引出下一環節對空氣的探究活動。

在科學探究環節，利用各種小游戲和有趣實驗來讓學生親自探究空氣到底是什么，以及探究空氣為什么能推動物體。首先，通過游戲（見圖2）讓學生利用塑料袋抓空氣，通過視覺和觸覺認識空氣。然后，利用空氣炮（見圖3）制作活動讓學生認識空氣的力量。讓學生在拉動薄膜，造成空氣流動吹動小彩球的過程中，真實地感受空氣的力量。

在創意制作環節，讓學生利用所學知識和技能，制作一架以空氣為動力的“小火箭”。本環節要求學生通過設計模型、繪制草圖、選擇材料、制作模型、測試模型、修改優化、匯報反思等一系列工程設計流程，完成一架“小火箭”的制作。在完成“小火箭”制作后，在班級中開展“小火箭”飛天比賽，比一比誰的作品飛得更高更遠，從而驅動學生更好地修改優化作品。

四、總結

基于核心素養的STEM課程設計既是響應國家對綜合型人才的需求，也是促進STEM教育頂層設計的重要一環。因此，以培養核心素養為重心的STEM課程是促進我國STEM教育體系建立的重要基礎。小學低年級STEM課程通過培養學生的科學精神、自主學習能力和創新實踐能力，最終形成學生所需的核心素養，為塑造具有STEM素養的公民奠定堅實的基礎。因此，在目前STEM教育仍以輔助課程為主要形式的階段，應大力推進小學低年級STEM課程的設計，以充分利用融合教學理念提高學生的核心素養。

參考文獻

[1]林崇德主編. 21世紀學生發展核心素養研究[M].北京：北京師范大學出版社，2016.

[2]王夢珂.促進核心素養發展的STEAM與創客整合課程開發與實踐研究[D].武漢：華中師范大學，2020.

[3]褚宏啟.核心素養的概念與本質[J].華東師范大學學報（教育科學版），2016（1）：1.

[4]核心素養研究課題組.中國學生發展核心素養[J].中國教育學刊，2016（10）：1.

[5]王素.《2017年中國STEM教育白皮書》解讀[J]. 現代教育，2017（7）：4-7.

[6]The U.K. government. （2017）. Building our Industrial Strategy： green paper[EB/OL].https：//www.gov.uk/government/consultations/building-our-industrial-strategy.

[7]The committee on STEM education. Charting A Course For Success： America's Strategy For STEM Education[EB/OL].[2019-01-10].https：//www. whitehouse.gov/wp-content/uploads/2018/12/STEM-Education-Strategic-Plan-2018.pdf.

[8]教育部.教育部關于印發《教育信息化“十三五規劃”》的通知[EB/OL]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201606/t20160622_269367. html.

[9]English， D Lyn. Advancing Elementary and Middle School STEM Education[J].International Journal of Science and Mathematics Education， 2017， 15（S1）：5-24.

[10]Lowrie， T， Downes N， Leonard， S. STEM education for all young Australians： A Bright Spots Learning Hub Foundation Paper， for SVA， in partnership with Samsung. University of Canberra STEM Education Research Centre[EB/OL]. https：//www.socialventures.com.au/assets/STEM-education-for-all-young-Australians-Smaller.pdf.

[11]Capraro R M， Slough S W. Why PBL？ Why STEM？ Why now？ an Introduction to STEM Project-Based Learning[M]. STEM Project-Based Learning. Sense Publishers，2013.

（責任編輯? 郭向和）

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