STEM教育理念校本課程開發與實施思考

◇歐陽小聰（廣東：佛山市南海區大瀝鎮中心小學）

本文根據作者學習STEM 課程教學、開展科學課教學和開發STEM 校本課程的經驗，反思在開展STEM 教學過程中所存在的缺陷，思考建構主義理論之下的STEM 課程如何能讓學生更準確、有效地掌握科學知識與技術，并轉化為實踐技能。作為實踐結果，建議在課堂上借鑒科學課的探究式學習，擴充部分教學環節，用堅實的科學知識與技能充當學生發展能力的臺階。

一、反思：STEM教育存在的問題

STEM 教育是讓學生面對真實情境中的問題，將科學探究、工程設計、數學方法和技術制作有機統一，讓學生運用跨學科的知識和方法來解決實際問題，從而應用跨學科的知識和方法，提升自身的創新意識和創新能力，以跨學科整合課程促進學生全面發展的一種教育方式。STEM 教育主要遵循建構主義學習理論，強調學習者的主動性，認為學習是學習者基于原有的知識經驗生成意義、建構理解的過程，而這一過程常常是在社會文化互動中完成的。構建主義學習理論體現了學生在學習過程中的主體地位，學生主動進行學習，是一種先進的學習理論。

但是一些教學實踐經驗表明，即使在STEM 課程的實施過程中遵循了建構主義學習理論，也未必能夠達到理想的教學目標。譬如下文案例一。

案例一：制作走馬燈

（前略）

師：知道走馬燈為什么可以自己轉起來嗎？

生：因為里面點了蠟燭（或：因為里面有風吹出來）。

師：沒錯，走馬燈里面點燃了蠟燭，能吹出熱風，推著走馬燈轉起來。但是只有蠟燭還不夠，請大家再注意觀察，走馬燈的頂部還有一個結構能起到重要的作用。（同時出示成型的走馬燈。）

學生觀察后找到走馬燈頂部切開的小孔，并且將紙切開后向上折疊做成傾斜的風扇葉狀。

師：正是這兩個訣竅造就了走馬燈自動旋轉的特殊本領。下面請大家分組活動，完成走馬燈的最后一步，讓走馬燈轉起來。

（制作過程略，12 個小組中只有2 個小組的走馬燈可以旋轉。）

師：老師請2 個小組為大家展示走馬燈，但是其中只有一個小組的燈可以旋轉，另外一個小組的燈沒能轉起來。你們認為是什么原因呢？

學生提出或許是蠟燭的火力不夠，或許是頂部的扇葉展開的角度不對，等。

（其后老師布置了課后改良，未見第二次測試的效果，本案例完。）

上述片段是筆者到X 市學習時觀摩的一節課。該堂課的選題源自中華傳統文化中的走馬燈，課堂的設計意圖是在學生群體中傳播走馬燈的制作技藝，讓學生了解走馬燈運動背后的力學原理。在教學設計上兼容了傳統文化的傳承和科學技術的普及，是本堂課顯著的亮點。在教學過程中，執教老師的確遵循了建構主義學習理論的教學原則，有完整的問題情境的呈現。老師主要承擔引導者的角色，問題與假設的提出、動手實踐、總結與反思等活動都是由學生在老師的適當引導下進行的，體現了學生主動式學習。但是從教學效果看來，只有六分之一學生能夠成功使走馬燈轉起來，很難說達到了教學目標。

為了解釋為何本案例中未能如愿實現教學目標，筆者嘗試分析了建構主義理論的哲學假設。建構主義主張世界是客觀存在的，但是對事物的理解卻是由每個人自己決定的，不同的人由于原有經驗不同，對同一事物會有不同理解。在建構主義者看來，所謂的“事實”是多元的，因歷史、地域、情境、個人經驗等因素的不同而有所不同。因此，用這種方式建構起來的“事實”不存在“真實”與否，而只存在“合適”與否。

這一哲學假設揭示了只有以學習者原本具有充足的前概念作為鋪墊，才能夠按照建構主義理論去建構新的經驗，才能夠開展有意義的學習。否則，如果學習者的前概念不夠充分，甚至一片空白，那么在學習過程中也不可能無中生有。事實上，從建構主義理論中獲益最大的應該是大學生與科研人員，他們都接受了高等教育，具備充足的知識儲備與認知世界的方式和手段（哲學上屬于認識論與方法論），頭腦中已經建構起足夠龐大而且靈活的圖式，該圖式能夠很容易地與外部環境進行同化與順應。但是這一前提對于小學生而言未必成立，尤其是當這名學生未經過系統的科學啟蒙的時候更是如此。

基于上述分析可以推論：目前實施STEM 教育時的一個關鍵缺陷在于STEM 課程中沒有注重前置的科學概念和科學思維的搭建。STEM 教育在課程形式上注重產生物化的創造成果，在本質上追求創造性思維的產生、創造力的提高，并在評價與反思中形成批判性思維。然而評價與創造位居思維金字塔當中的最高階級，形成高階思維不可能是建造空中樓閣，必須有足夠牢固的根基作為支撐。然而目前存在部分老師對STEM 課程的認識深度不夠，導致教學過程中忽略了對科學基本概念的構筑與科學技術思維的鍛煉，試圖在基礎尚不穩固時直接升華創造力。

筆者認為，在開發和實行STEM 課程時應該進行科學教學，充分考慮到項目或工程的中心地位與學科的綜合性，從不同學科（特別是科學）中選取能夠對正確地理解問題、形成方案、解決問題、完成任務有所幫助的概念與技能進行合理的編排設計，在STEM 課程中，結合科學課探究式學習的優點，融入“提出猜想—實驗驗證—收集證據—歸納結論”的科學探究過程，要求學生先經歷必要的科學探究，確保學生獲取充足的前概念，用堅實的科學知識基礎來搭建學生發展STEM 素養和綜合素質的腳手架。通過這個途徑，能避免STEM 課程的技術要求與學生科學認知水平的脫節，造成STEM 目標無法實現，避免STEM 教學變成缺乏真實性、內涵性和系統性的紙上談兵。

即便是按照建構主義的觀點，學生可以在原有經驗的基礎上主動構建新的經驗，也不代表可以放任學生如同脫韁的野馬般漫無目的地行動。尤其科學與技術領域是具有嚴格的范式與規范的，因此在學習過程中有必要搭建一個既定的框架并限定學生在允許的路線中探索。換言之，一門有效的STEM 課程允許學生向多個方向發展，這相比于傳統授課中強制學生走老師指定的一條路線，更能體現出建構主義學習理論的先進性，但也要避免掉入完全不設限制、完全放任自流這種非黑即白的極端取向的陷阱。

二、融合：科學課與STEM 課程相互借鑒的可行性

在小學階段，科學課是學生系統學習科學知識的主要途徑。2017 版《小學科學課程標準》提出，學生通過科學課的學習需要發展的科學素養包括：了解必要的科學技術知識及其對社會與個人的影響，知道基本的科學方法，認識科學本質，樹立科學思想，崇尚科學精神，并具備一定的運用它們處理實際問題、參與公共事務的能力。科學課的課程目標體現為“科學知識目標”“科學探究目標”“科學態度目標”和“科學、技術、社會與環境目標”四個板塊。這四方面目標都指向科學學科核心素養。它是指學生在接受科學教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過科學學習內化的帶有科學學科特性的品質，是科學學科育人價值的集中體現。科學學科核心素養包括科學觀念與應用、科學思維與創新、科學探究與交流、科學態度與責任。科學課的教學應該重在深化強化學科的本質，揭示學科更深層次、更內隱的某些東西，把表象的科學知識與其內隱關聯起來，形成一個新的思維結構，幫助學生去認識更為復雜的自然現象或實驗現象。

STEM 教學強調學科整合，但不是簡單地將四門學科進行線性疊加，而是把原本獨立、分散的不同領域的學科知識和技能以問題解決為基礎，以多樣的學習活動形式支持學生在解決問題的過程中實現不同學科知識與方法在不同情境中的整合、運用和遷移，并進一步生成新思路、新方法、新技術和新產品。王素認為：以項目式學習為代表的STEM 教育，強調在真實的任務中學習，強調在動手實踐中學習，這樣的學習過程是培養學生團隊合作、解決問題、理性思維、批判質疑、用于探究、技術運用的最好載體。換言之，STEM 教育注重的是知識與技能的綜合運用，重點在于培養創新思維和創新能力，是偏向于技術提高的教學。開展STEM 教學應該建立在學生已經具備相應知識體系的基礎上，或者至少應該在教學過程中能協助學生構建完整的知識體系，再提高到技術運用的層次水平。

可以看出，科學課與STEM 教學各有異同，科學課專注于認識科學，STEM教學則專注于提高技術。然而如同科學與技術之間可以相互關聯、相互作用一樣，借鑒科學課和STEM 教學的優點，是可以攻克教學過程中的一些難題的。

三、實踐：STEM 教學案例中的不足及改進

此處先就上文提出的案例一進行分析。想要驅動走馬燈旋轉需要先了解走馬燈轉動的科學原理：傳統的走馬燈，在燈的內部放置點燃的蠟燭，主要依靠火焰加熱燈內的空氣，空氣受熱膨脹，密度降低，形成上升氣流，氣流推動燈上方的葉輪旋轉。依筆者的經驗，若想順利驅動走馬燈，應該掌握以下技術要點：

蠟燭應該有足夠的火力，使加熱產生的風力能夠推動葉輪轉動，又要控制火焰不能太猛，以免損壞走馬燈；走馬燈底部需要預留足夠的空間來吸入空氣，形成氣流的循環；走馬燈頂上的扇葉有一個最佳角度，使氣流噴出時能產生最大的加速度；結構件的連接處盡可能光滑，以降低摩擦力。

依據上述的技術要點，要實現本課程的教學目標，需要突破較多教學重難點，適宜劃分為兩課時，分段突破。其中第一課時可以參考科學課中“風的形成”模擬實驗（見圖1），實驗裝置可以用紙箱簡單制作，側面和上底面開通風孔，正面剪開，方便觀察，但要用透明塑料薄膜封住，以防止外界干擾。在箱子內放入點燃的蠟燭，從側面的孔中放進點燃的蚊香。學生可以通過觀察燒香放出煙霧的運動軌跡來直觀感知箱里的空氣流動，對比蠟燭有無點燃兩種不同條件下煙霧的運動軌跡，對“風是如何形成的？”“形成風需要有哪些條件？”等問題形成清晰的認知，奠定科學概念基礎。同時，可以在上面的孔洞上方放一根絲帶或一個小風車。第一課時可以終止于完成讓絲帶飄起來，以及讓小風車轉起來的任務。在形成了準確完整的科學認知的基礎上，第二課時再進行技術運用，通過合理設計與制造，應用該原理來驅動走馬燈旋轉，以達到最大的教學效果。

圖1 “風的形成”模擬實驗裝置圖

此外，本案例中也缺乏對數學（M）的體現。課堂上使用的材料都是老師事先準備的標準化材料，而老師與學生在堂上都沒有對為何選用這種材料提出疑問。事實上，應該根據側面需要展出的圖畫數量來確定：走馬燈有多少個側面？每個面之間的角度應該是多少？如果走馬燈的高度和直徑固定，那么每個面的可用面積是多少？如果側面的長和寬固定，那么走馬燈的直徑應該是多少？這些都是在走馬燈實用化過程中必須考慮的、有研討價值的問題。

案例二：垂直種植供換水系統設計

情境引入，聚焦問題。（前略）

提出任務：你們能為他們設計一個便捷的供水系統，解決他們為植物澆水和為小魚換水的麻煩嗎？（工程設計）

活動一：制作一個能夠控制瓶中水位的帶孔瓶子。（知識原理運用）

問題深化：以瓶身打孔為例子，指示學生思考如何保證水位不變，給瓶中的植物和小魚換水，同時又不會傷害瓶中的小魚。

知識指引：在現實生活中，例如，家庭養魚，利用虹吸原理將魚缸中的水抽出來。（范例演示）

觀察學習：學生通過觀察探究，利用科學方法和技術手段設計不同打孔方式來控制瓶中水位的高低。

參與體驗：學生體驗兩種換水原理，動手嘗試完成換水過程。

小結：想要控制好瓶子水位的高低和換水的速度，要充分考慮出水口的大小、打孔位置的高低。整體設計還需要考慮現實問題：實施起來的可操作性、性價比、創意、美觀。（工程設計需要嚴謹考慮的問題。）

活動二：設計完整的供水系統，讓每次給植物澆水變得更加簡單便捷（整體設計）。

老師講解創植園的具體情況，學生在老師的啟發下進行討論，考慮供水系統適合運用哪種供水方式，按照現實要求設計一套完整的供水系統。

學生分小組討論設計方案，方案需要涉及如何運作、實現什么樣的功能、用什么手段實現這個功能（技術思維）。

繪制供水系統草圖，對設計圖紙進行上色（美術），并附上簡單的文字介紹（工程設計）。

（之后為展示與評價，此處省略，本案例完。）

上述教學案例是我校開展廣東省STEM 教育實踐研究課題所開發出的“STEM 創植園”校本課程系列中的一個課時。本課例經歷半年的研磨，多次修改之后成型，選取的授課對象是小學五年級的學生。此處選取的主要科學概念是虹吸原理，整個供換水系統的系列授課預計分3課時完成，節選的課例片段為第1課時，重點在使用水瓶和軟管來認識虹吸原理，探究能夠發生虹吸現象的條件，由此推斷出為了給垂直農場中的盆栽換水需要在哪個高度剪開出水孔，控制盆內的水平面保持在哪個高度。按照教學計劃，后續的第2課時安排為應用虹吸原理的供換水設備的制作和應用測試；第3 課時為使用Arduino 開源硬件及可視化編程制作自動化的供水設備，主要涉及的知識為濕度傳感器的工作原理和相應的編程技術。

當然，本案例并非完美，其中仍然存在明顯的缺陷，集中表現為對學生前概念的掌握不準確。在前置試驗中已經發現，在一個課時中連續進行科學概念的構建和實踐制造是不可行的，學生的前置水平并未能做到在40分鐘內完成供換水系統。而在本課例的教學過程中，筆者發現學生對虹吸原理已經有了初步的了解，知道該現象的存在，不過對現象的表述不夠清晰具體，不能辨明虹吸現象需要具備哪些具體條件。由此筆者反思，這堂課的重點不應該放在原理的解釋上，將掌握虹吸原理的現象、發生條件和使用技巧作為制作出供換水系統的必要條件，運用任務導向的方式引導學生開展主動探究，能夠令學生有更好的機會將虹吸的科學知識直接內化到其原有認知結構中。當然，這要求老師必須在課堂的結尾將學生形形色色的探究活動收攏為一個嚴謹的、系統的表述，而這也是本課例沒有完善的一個漏洞。另一個漏洞與上述案例一樣，缺乏對數學的體現。在此案例中，測量兩個容器的液面高度之差，并探究虹吸現象中水流的速度是否與液面高度間的落差存在關系，亦不失為一個可行的研究角度。有條件的還可以據此結論，提出用什么方法來控制水流速度，從而保持容器內的液面高度相對穩定。

如同科學領域和技術領域之間具有相互作用一樣，在教育層面上，科學課的教學和STEM 課程的教學也是具有相互作用的。考慮到學生的認知與思維發展的階段性，教學活動的編排需要符合學生的認知發展規律，因此在STEM 課程教學中，應該重視科學知識與方法的前置鋪墊。因此，在課程的開發設計階段，需要研讀《小學科學課程標準》，甄選出課程需要應用的科學概念與方法，并借鑒科學課的教學方法，設計能夠幫助學生突破重難點的探究方式；在整體教學流程上，在提出問題與確定任務目標之后，無須急著進行方案設計和制作，先加入一個掌握科學知識技能的環節，使得每一個學生，無論其前概念位于哪一個水平，在課堂上都可以沿著“知識—理解—應用—分析—綜合—評價—創造”的思維金字塔獲得提高，避免出現學生根基不牢固卻盲目追求高階思維造成的無效課堂。