STEM視角下小學科學探究活動設計研究

邱亞莉

摘? 要 STEM教育具有跨學科和綜合性等特點，越來越多的教師嘗試將其與小學科學課程相結合，以充分發(fā)揮其巨大的潛力。嘗試從STEM教育理念和小學生思維認知特點出發(fā)，基于STEM視角設計符合小學科學探究活動的教學流程，并以“降落傘制作”為例，進行具體的教學設計，以期為STEM教育整合融入小學科學教學提供新的參考視角。

關鍵詞 STEM；小學科學；探究活動；降落傘

中圖分類號：G623.6? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）13-0116-03

0? 引言

在“互聯網+”時代背景下，培養(yǎng)創(chuàng)新型綜合人才的需求已經越來越迫切。2017年，中國教育科學研究院頒布的《中國STEM教育白皮書》中提到：“STEM教育是面向所有學生培養(yǎng)綜合素質的載體”[1]。這是因為STEM教育提倡讓學生運用跨學科知識，在不斷探索、試誤的過程中解決實際問題，以達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、實踐能力，促進學生全面發(fā)展的目的。由此可見，基于STEM視角設計并有效實施小學科學探究活動，能夠培養(yǎng)學生的綜合素質和科學素養(yǎng)。筆者通過研究小學科學課標并結合STEM教育的特點，選擇“降落傘制作”為科學探究活動主題，按照“創(chuàng)設情境，確定任務；做出預測，協作探究；制定方案，進行實驗；交流反思，再次設計；作品展示，小組競賽”的流程進行教學設計，以期為一線教師將STEM教育理念與小學科學教學相融合提供借鑒和參考。

1? 主題確定

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）四個詞語英文首字母的組合。但STEM教育絕不僅僅是四門學科的簡單相加，其強調通過探究活動將科學探究、工程設計、數學方法、技術制作有機融合[2]，培養(yǎng)學習者的設計思維、迭代思維、知識遷移能力、解決問題能力及團隊合作能力。這與《義務教育小學科學課程標準（2017版）》所提倡的“科學學習要以探究為中心”不謀而合[3]。綜合STEM教育內涵特點及小學科學課程標準，筆者選擇“降落傘制作”這一主題作為科學探究的主要內容。選擇這一主題有以下幾個方面的原因。

首先，在綜合性方面，這一實踐活動包含科學、技術、數學、工程各方面的知識：在工程方面，學生通過選擇合適材料制作降落傘，理解有效的設計可以提高制作產品的時效性和競爭力；在科學方面，學生通過學習了解降落傘減速的原理，探究影響降落傘降落快慢的主要因素；在數學方面，學生通過控制變量法收集數據并分析測試的數據，得出規(guī)律；在技術方面，通過選擇合適的材料，依據設計方案制作一款性能優(yōu)異的降落傘。

其次，在可操作性方面，學生在制作降落傘的過程中可通過獨立思考、查閱資料了解降落傘的相關知識，再加上教師的講解及同伴互助可完成這一任務。

最后，在連貫性方面，橫向上，“降落傘制作”需要運用科學、技術、數學、工程四門學科的知識；縱向上，這一主題知識向上是對低年級知識的延伸和擴展，向下是對初中物理、數學等學科的鋪墊。因此，無論是縱向還是橫向，都起到銜接的作用，符合連貫性特點。

該教學流程主要分為五個環(huán)節(jié)：創(chuàng)設情境，確定任務；做出預測，協作探究；制定方案，進行實驗；交流反思，再次設計；作品展示，小組競賽。在不同的環(huán)節(jié)又分別滲透科學、工程、數學、技術等知識，具體如圖1所示。

2? 基于STEM的“降落傘制作”教學設計

2.1? 學習活動介紹

該學習活動以“制作一款性能優(yōu)異的降落傘”為主題，先引導學生利用已有知識制作簡易降落傘并進行試降，通過控制變量法找到影響降落傘性能的最主要條件；然后提供塑料膜、棉布、細棉線、繩子等材料讓學生以小組為單位自主設計，制作一款性能優(yōu)異的降落傘，具體如表1所示。

2.2? “降落傘制作”STEM教學目標

該活動的STEM教學目標具體如表2所示。

2.3? 實施過程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設情境，確定任務

【播放視頻】播放神舟十一號返回地球，宇航員安全著陸是依靠降落傘（減速傘）來實現返回艙的減速和降落的視頻，引出國家航天局近期要采購一批新的降落傘的情境，并展示國家航天局對降落傘性能的要求。

【確定任務】利用手中200元的研發(fā)經費，盡可能地制作出一款研發(fā)成本少、研發(fā)時間短、性能好的降落傘。搜集與降落傘有關的故事，小組選一名成員在全班演講，其他學生注意聆聽并記錄故事中與降落傘有關的知識。

【設計意圖】通過神舟十一號飛船需依靠降落傘落地這一真實問題情境引出活動任務，激發(fā)學生探究興趣。強調制作時間和成本，意在告知學生工程設計不僅要考慮性能，還要考慮時間。同時，在搜集與降落傘有關故事的過程中了解降落傘制作的科學知識，為順利開展下一環(huán)節(jié)打好基礎。

環(huán)節(jié)二：做出預測，協作探究

【查閱資料，了解原理】通過上網查閱資料或請教他人，認識降落傘的組成和結構及降落傘為什么能夠達到減速的目的。

【小組合作，著手制作】如果讓你來制作降落傘，你會選擇怎樣的傘面？用幾根傘繩？以什么為重物？學生在回答完問題后，以小組為單位制作簡易降落傘。

【組織試降，確定因素】組織學生將制作好的降落傘進行試降，每小組三次，并回答問題：在試降過程中能穩(wěn)定下降的降落傘分別具有哪些優(yōu)點？通過試降，你發(fā)現影響降落傘的因素是什么？

【介紹方法，引導思考】學生回答完上述問題后，教師講述什么是控制變量法，學生思考：如何設計實驗？測試降落傘時的變量是什么？常量是什么？

【學以致用，再探因素】小組討論，根據控制變量法的探究設計一組實驗方案，驗證降落傘在不同條件下的影響規(guī)律，并進行實驗結果交流：小組所探究的影響因素是什么？怎樣設計實驗？變量是什么？常量是什么？實驗結果如何？

【設計意圖】科學方面，引導學生通過請教他人或查閱資料了解降落傘能夠減速的原因是受到空氣阻力。技術方面，通過讓學生了解降落傘的構造和工作原理后進行試降，測試降落傘的性能，并找到最佳性能的降落傘。工程方面，引導學生運用工程思維設計簡易的降落傘并進行試降，在試降的過程中學會如何減小降落傘的阻力。數學方面，通過試降，學生發(fā)現影響降落傘性能的因素有兩個，分別是傘面和繩長，而要找到最佳傘面和最合適的繩長，就涉及控制變量的問題。在介紹完控制變量后，讓學生應用控制變量法再次試降并記錄數據，找到降落傘在不同條件下的影響規(guī)律。通過以上活動，不僅可以培養(yǎng)學生綜合應用不同學科知識解決問題的能力，而且可以提高學生的團隊合作能力。

環(huán)節(jié)三：制定方案，進行實驗

【制作模型】根據小組得出的實驗結果，要怎樣做降落傘？做幾個？以小組為單位進行降落傘制作。

【測試降落傘】每組按照自己的實驗設計測試降落傘，記錄降落傘開傘時間，開傘后落地時間二者相加為總時長，測試后分析實驗數據，確定每種變量的最優(yōu)條件，得出規(guī)律。依據測試結果進行改進制作，通過這一過程體會并不是所有最佳條件組合在一起就會形成最佳降落傘，不同條件組合時會有一定的組合比例，需找到最佳契合點。

【設計意圖】運用控制變量法，記錄數據，分析數據，得到規(guī)律，找出最優(yōu)條件，并以此為依據改進模型。這一過程可以讓學生體會到得出科學數據需要多次嘗試，才能發(fā)現最佳值，同時體現了不斷嘗試、迭代設計的工程思維。

環(huán)節(jié)四：交流反思，再次設計

這一環(huán)節(jié)主要包括兩個項目。

項目一：再現要求，自主設計。重現任務要求，并根據所得數據設計新型降落傘。教師應提醒學生：降落失敗，意味著會有人員傷亡。為避免安全不達標，傷亡率太高，每個團隊有200元研發(fā)經費，可以選擇更多的材料，制作合格的降落傘，但最終目的是投資少，降落傘好（打開速度快、落地平穩(wěn)、售價低）。要求在盡量短的時間內，利用手中的經費，在所提供的材料中選取材料，制作一款性能優(yōu)良的降落傘，該降落傘能夠裝進火箭返回艙，并在最終測試時能攜帶鵪鶉蛋平穩(wěn)落地。

項目二：設計方案，制作模型。

首先，小組成員頭腦風暴提出可行方案，在提出可行方案時需考慮降落傘的結構、材質、尺寸、價格成本及在有限的經費和時間里如何提升其性能。

其次，選擇可行方案。組長組織評選方案，根據任務要求、降落傘設計細節(jié)、實驗可行性、實現難度等條件來評估、選擇最佳方案并設計草圖。

最后，綜合考慮材料的性能與成本，選擇所用材料，進行模型設計并試降，確定最佳繩長和傘面。在這里教師應強調：在制作過程中若發(fā)現所選方案有問題應及時糾正，若產品不理想，可根據小組設計人員建議快速研發(fā)下一款產品。

【設計意圖】首先，利用頭腦風暴的方式，盡可能多地提出設計方案，這一過程有利于發(fā)散學生思維，發(fā)展學生的創(chuàng)新精神。其次，在選定方案后設計圖紙，制作模型，不僅可以節(jié)省時間，提高效率，也是工程設計非常關鍵且重要的一步。最后，設計好模型后，通過多次試降并利用控制變量法找到最佳繩長和最佳傘面，這一過程不僅需要綜合技術、科學、數學各方面知識，而且對團隊之間的默契配合也是一種考驗。

環(huán)節(jié)五：作品展示，小組競賽

【匯報展示】學生可采用抖音、產品說明書、PPT、展板等多種方式進行匯報展示，介紹產品的同時需陳述小組如何分工，小組中個人做了什么貢獻，在制作過程中遇到了哪些困難，是如何解決的。

【小組競賽】小組帶著降落傘進行比賽，要求：降落傘攜帶鵪鶉蛋，從同一高度降落。開傘時間短，降落時間長，且鵪鶉蛋平穩(wěn)落地者獲勝。

【反思評價】教師和小組之間對所設計的產品進行評價，提出意見。運用評價量規(guī)進行量化打分并評選出性能最佳團隊（開傘速度快且可平穩(wěn)落地）、最強大腦團隊（設計新穎且成本低廉）。

【設計意圖】在作品展示的過程中，學生需對作品設計的思路、意圖、創(chuàng)新點等進行說明，不僅可以鍛煉語言表達能力，而且在聆聽的過程中小組之間可互相學習、取長補短，完善自己的作品。

3? 活動小結

開展STEM視角下的小學科學探究活動對于培養(yǎng)綜合型創(chuàng)新人才是非常有幫助的，但教師在實施該教學活動時還應注意以下幾點。

首先，構建學習共同體。教師在實施教學時應按照組間同質、組內異質的分組原則，安排學生進行小組合作學習，充分發(fā)揮每個學生的主觀能動性[4]。

其次，評價主體多元化，評價方式多樣化。活動結束后，教師不僅要對學生的作品和表現進行評價，也應邀請別的學生及學生自己進行評價，使匯報小組得到全面的反饋信息；不僅要對設計的成品進行評價，也要對設計的過程進行評價，如合作情況、問題解決能力、設計圖迭代過程等。

最后，評價后再改進。在小組展示后，教師鼓勵學生根據老師和同學的建議改進和優(yōu)化產品。

參考文獻

[1]中國教育科學研究院.中國STEM教育白皮書[M].北京：中國教育科學研究院，2017.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2017：1-5.

[3]常詠梅，張雅雅.基于STEM教育理念的教學活動設計與實證研究[J].電化教育研究，2018（10）：97-103.

[4]王玲玲.基于STEM的小學科學課程設計研究[D].上海：華東師范大學，2015.