基于STEM理念的小學科學課程活動設計

何斐 汪存友

摘要：本文基于STEM教育理念分析了小學科學課的價值導向，依據STEM教育的本質特性，以“會飛的空氣——走馬燈”項目為例，以5E教學模式為基礎，從參與、探究、解釋、遷移和評價五個方面對課堂教學活動進行設計，以期能夠培養小學生的創新思維和解決問題的能力。

關鍵詞：STEM理念;跨學科;教學設計;5E教學模式

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2021）07-0061-04

相關概念界定

1.STEM教育的本質

STEM教育代表科學、技術、工程和數學，它遍及生活的每個部分。STEM教育的基礎始于幼兒時期，這一時期的孩子們可以從最早的科學和環境中學習數學和技術。孩子們自然也會通過親身實踐的多感官和創造性的經驗進行早期的STEM探索，這些經歷可以激發他們的好奇心，發展他們的批判性思維和解決問題的能力。

2.5E教學模式

5E教學模式形成于STEM教育的實踐之中，是由美國生物學課程研究所（BSCS，1989）開發的一種基于建構主義教學理論的模式[1]，這種教學模式分為參與（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Exploration）、遷移（Extension）和評價（Evaluation）五個環節。在這種模式下，教師讓學生參與激發他們好奇心的學習任務，幫助他們一起探索潛在的解決方案，提出解釋，闡述概念理解，評價他們的科學概念和能力。這種探究模式的優勢在于：為如何促使學生正確學習奠定了基礎，同時提供了一種在社會建構的有意義學習經驗背景下探索和解釋特定領域知識的結構。

基于STEM教育理念的小學科學課的價值導向

1.跨學科

跨學科課程整合就是聚焦共同的主題，突破現有學科界限，將不同學科中不同領域所包含的理論和方法有機融合在一起，有目的、有計劃地設計組織課程內容和教學活動，以提高學生能力、促進學生全面發展為最終目的的一種課程組織方式和課程設計理論。

2.建立彈性課堂

在STEM教育活動中，科學探究活動具備較強的持久性以及復雜性，學生需要較長的時間對知識進行深入的探索、思考、反思，在真實的教學情境中，并不是所有的知識都能夠被學生理解，這時就需要教師發揮自己的專業能力，對課程的難易程度以及上課時長進行調整，使其貼近學生的接受程度以及所能理解的程度，這也更加強調了STEM課程理念應用的有效性。

3.面向真實生活的情境性

在STEM教育中應更加注重讓學生把所學習到的知識運用到生活中，能夠根據自己當下的情境，對所學到的知識進行更加深入的了解，最后，達到靈活運用的目的，這也體現了STEM教育更加強調讓學生自己通過探索理解知識而并非通過外部強加于學生的理念。[2]

4.培養獨創性和創造力

STEM教育旨在培養創新型人才，一方面通過教學培養學生的創新意識和思維，另一方面鍛煉學生的創新能力，即讓學生在日常學習和生活中學會發現問題，學會應用所學知識從不同角度分析及解決問題。

5.鼓勵團隊協作

STEM教育中，能力水平各異的學生可以在團隊中共同努力，找到問題的解決方案、記錄數據、編寫報告、進行演示等，最終結果是學生了解如何與他人合作并在團隊的環境中成長。

6.鼓勵知識應用

在STEM教育中學到的技能可以應用到現實生活中，以激發學生學習的熱情。

7.教會解決問題的方法

STEM教育更加鼓勵學生在解決問題時，能夠整合不同的學科知識，通過動手實踐解決當前遇到的問題，有效培養學生的STEM素養及跨學科思維能力[3]，教會學生如何在解決問題的過程中用批判性的眼光看待問題，通過參與STEM學習的經驗，學生會學習到如何在這個過程中發現問題并解決問題。

基于STEM理念的教學設計探究

1.學習者分析

本項目主要針對四、五年級的學生，他們對空氣的物理性質已經有了一定的認識，并且基本能夠進行概念總結、問題提出、假設，進而逐步解決問題。

2.教學內容分析

“會飛的空氣——走馬燈”內容需要學生運用已有的知識認識熱空氣的特征，即空氣受熱會上升。本節課通過實驗結合STEM理念啟發學生對實驗中的現象進行分析，即運用已有認知對空氣受熱后產生的變化做出解釋，理解熱空氣上升的原理。

3.教學目標

知識與技能目標：（1）對應STEM（S）。①了解空氣的性質與特點;②清楚走馬燈旋轉的原理。（2）對應STEM（T）。①將燈罩頂蓋剪成六個扇形葉片并向上翹起;②走馬燈圓筒粘貼要緊密，不要有縫隙。（3）對應STEM（E）。蠟燭點燃后，走馬燈轉得慢，可以采取哪些措施。（4）對應STEM（M）。走馬燈能旋轉與它的結構有關，要有轉動起來的軸，要有同一方向傾斜的葉片，轉動得快慢與扇葉張開的角度大小有關。（5）其他。①語文：語言表達;②化學：空氣的對流;③物理：動力的來源;④藝術：走馬燈的美觀。

過程與方法目標：①創設情境，激發對解決實際問題的好奇心;②采用小組合作的方式探究走馬燈的動力來源，掌握熱動力方面的知識;③通過觀察實驗，總結相關原理，改進優化項目。

情感態度與價值觀目標：①通過實驗探究培養動手能力、操作能力，提升觀察分析能力;②培養對科學探究的興趣;③培養合作意識、勇于探索的精神。

4.學生活動

以小組的形式分工合作，動手實踐。

5.實驗材料

①燈罩頂蓋*1;②燈罩側圍*1;③雙面膠*1;④木板*1;⑤圓木棒*1;⑥子扣*1;⑦母扣*1;⑧蠟燭*1;⑨筆芯*1。

基于STEM理念的項目“會飛的空氣——走馬燈”教學設計

1.參與（Engagement）

（1）激發興趣環節

師：中國的燈籠各式各樣，但有一種燈籠較為獨特，它的外形也與其他燈籠沒有什么差別，但是當你將它點燃時，它就會開始轉動。大家想知道是什么嗎？這個就是走馬燈。

（2）聯系舊知

教師引導學生觀看一小段有關走馬燈的視頻，提出走馬燈為什么會轉的問題。學生通過小組討論，收集信息。

2.探究（Exploration）

學生發現問題，然后進行思考判斷，在頭腦中整理出信息框架，聯系實際，針對各方面的問題提出自己的設計，同時，教師要不斷跟進，對學生的進步、能力進行反饋。在這個環節中，學生直接參與教學現象的觀察和材料的呈現，教師充當引導者，提供材料并引導學生的注意力。

（1）材料下發

教師活動：講解走馬燈相關知識，并將實驗器材下發給學生。

學生活動：整理器材，擺放整齊。

（2）教師引導制作走馬燈

①折疊燈罩頂蓋：將燈罩頂蓋上的六個扇形葉片沿著裁剪線向上翹起，注意翹起幅度不宜過大，否則將影響正常轉動。將扇片翹起后把子母扣安裝在頂蓋上的圓孔內，注意子母扣凸起的一面朝上，最后將頂蓋周邊紅線外的部分沿著紅線向下折（如圖1）。

②粘貼燈罩側圍、頂蓋。將雙面膠粘貼在側面的轉帖處，不要撕下保護膜。將長方形剪紙卷成一個圓柱體，把剪紙內側白色區域的雙面膠撕開，沿著燈罩頂蓋折下的部分將其粘緊，然后撕掉側面的雙面膠保護膜，粘貼在側面即可。注意粘接時手將粘接區域按緊不要留下空隙以免影響制作完成后的轉動效果。

③組裝底座、燈柱。將圓木棒插入方形木板上的圓孔中使其成為一個底座，如果插接時圓木棒有松動請用乳膠粘緊，再將產品自帶的圓珠筆桿套入圓木棒內（如圖2）。

④蓋上燈罩，放好蠟燭。將組裝好的燈罩放置在底座上，子母扣凹進去的一面與圓珠筆桿頂部對在一起，點燃蠟燭，觀察有什么現象。

（3）疑難探究

①探究1。

師：現在已經做好了走馬燈，我們將蠟燭放到底座上，用打火機點燃蠟燭，過幾秒種后，觀察燈罩有沒有變化，再看看小馬是前進還是后退。

生：（點燃打火機并觀察）點燃蠟燭后燈罩會緩緩轉動起來，小馬在向前方奔跑。

②探究2。

師：將扇葉開口完全閉合后，觀察燈罩是否還會繼續轉動？

生：（把扇葉閉合并觀察）將扇葉開口完全閉合后，燈罩會慢慢停止轉動。

③探究3。

師：將扇葉開口高度張開45度后，觀察燈罩是否還會繼續轉動？

（提示：點燃蠟燭后如燈罩不能轉動，將翹起的葉片稍均勻壓低些。如果實驗不成功，檢查一下圓珠筆頭是否頂住了子母扣凹進去的地方，如果沒有，請放置好。燈罩邊緣是否有縫隙）

生：（學生將扇葉開口高度張開45度觀察）將扇葉開口高度張開45度后，燈罩轉動速度較快。

3.解釋（Exploration）

解釋是教師在學生探究的基礎上，明確相關概念、原理，把學生已有的知識與它們結合在一起建立聯系，最后總結出概念的過程。在這個環節中，教師為學生創造足夠的空間，讓學生通過不斷發現，完善對概念的認知，加深對概念的理解。

（1）原理總結

師：通過本節課的實驗，大家想一下走馬燈為什么會轉？

生：因為走馬燈下面的蠟燭點燃受熱后會產生熱空氣。

師：對的，走馬燈會轉動起來，就是因為當它下面的蠟燭點燃后，空氣受熱后會上升形成氣流，從而推動走馬燈轉動起來，這就是走馬燈會轉動起來的原因。那么，熱空氣為什么會向上升呢？（學生思考，并進行小組討論）地面上各個空間的空氣冷熱不均，冷空氣向下運動，熱空氣向上運動。也就是說熱空氣上升到高空會變冷，冷空氣向下降，補充到熱空氣上升后留下的空間里，這樣的空氣對流是一個不斷循環過程。除了豎直方向，橫向也存在冷熱空氣對流的現象。這樣，空氣就流動起來了。而走馬燈正是利用這樣的原理制成的，走馬燈的扇形葉片向上翹起，下面放有蠟燭，空氣受熱后變輕上升，其周圍的冷空氣會下降。熱空氣上升帶動葉片旋轉，葉片再帶動畫著馬的燈圈旋轉，由此走馬燈開始旋轉起來。

（2）重難點回顧

師：通過實驗，我們知道了燈罩為什么會轉動，通過這節課你們知道熱空氣有什么特點嗎？熱空氣會向哪里流動？

生：空氣無處不在，它可以流動到每一個角落。

4.遷移（Extension）

遷移是指學生通過教師指導，結合生活實際，加深對新知識的理解與強化，改進自己的設計，甚至能夠進行更深入的探索，拓展課堂的深度。本環節中，教師積極引導學生對實驗設計進行更為細致的改進，分析新舊知識的相同與不同之處，建立聯系，并把已有認知鋪展開，使得學生對新知識有更清晰的理解。

師：每組派一名同學給大家講解一下實驗過程中哪些地方取得了成功？哪些地方有待改進？大家一起來分享，共同學習與進步（學生小組討論后發言）。走馬燈利用了熱空氣上升的原理，你們還知道生活中有哪些東西是利用這個原理呢？大家交流完成后，請每個小組分享交流成果。

生：孔明燈、熱氣球、排氣扇（安裝在衛生間的上面）、抽油煙機（安裝在爐灶的上方）。

5.評價（Evaluation）

評價是5E教學模式的最后一個環節，該環節是教師對學生知識掌握程度進行有效評價，教師可以靈活運用各種科學有效的評價手段。本環節的評價方法主要采用了課堂觀察、小組評價的方式。教師根據學生在實驗中的行為表現、參與情況、成品的效果、美觀程度等維度進行評價和分析，學生以小組的方式進行點評或者補充，教師再做最后總結。

結語

本研究以“會飛的空氣——走馬燈”項目為載體，選取與學生實際生活密切聯系的內容，發現將STEM教學理念融入小學科學課的實踐活動，可以把枯燥無味的理論知識通過自己動手設計出來的作品加以應用，有助于擴展學生的思維，讓學生對新事物產生興趣，提高學生解決問題的能力。

參考文獻：

[1]鄭鍵.5E教學模式的介紹及實踐[J].新課程學習（下），2014（09）：46.

[2]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（04）：13-22.

[3]趙慧臣.美國北卡羅來納州中學STEM學校的教學設計及其啟示[J].中國電化教育，2017（02）：47-54.