以STEM理念優(yōu)化科學技術與工程內容的教學

俞曉東

【摘 ? 要】小學科學教材中技術與工程領域的部分內容能夠為學生開展STEM學習提供較為典型的項目素材。教師可以從“項目的進化”“目標的升華”“思維的分化”“評價的優(yōu)化”等方面探索基于小學科學教材中技術與工程內容的STEM教學策略，以STEM教學理念優(yōu)化教材組織形式，更有效地落實課程目標，促進學生創(chuàng)新思維和實踐能力的發(fā)展。

【關鍵詞】小學科學;STEM;技術與工程;教學策略

《義務教育小學科學課程標準》在實施建議部分提出“倡導跨學科學習方式”，其對STEM教學給出了明確的解釋，鼓勵科學教師嘗試運用于自己的教學實踐。小學科學技術與工程領域的內容具有實踐性、綜合性等特點，在教學理念上與STEM教育的理念不謀而合。建構基于小學科學技術與工程內容的STEM教學策略，嘗試小學科學課融合STEM教學，能夠更有效地促進學生創(chuàng)新能力和實踐能力的發(fā)展。這也是目前小學普及STEM教育的可行之路。

一、項目的進化——基于技術與工程領域，孕育STEM學習項目

小學科學教材的技術與工程領域包含很多制作、建造類活動，能夠為STEM學習提供項目素材。如做一張葉畫、做個指南針、做個太陽能熱水器、設計制作小賽車等。但教材中的活動不是成熟的STEM項目，它們在常規(guī)科學課中往往以課堂探究活動的方式出現(xiàn)。其中，一個探究活動往往聚焦一個單一性問題，一個問題的研究結論往往指向一個科學概念。而STEM項目的學習主線是“暴露問題—分析問題—解決問題”，并且這個過程是循環(huán)往復的。學生在STEM學習中會產生多個問題，且這些問題的指向是多維、發(fā)散的。

比如，某教師在執(zhí)教教科版《科學》四年級上冊《聲音的變化》一課時，試圖弱化對“聲音的變化與哪些因素有關”這一問題的探究，用STEM項目——“做一個小樂師”替換原先的科學課。然而最終，課堂上并沒有出現(xiàn)教師期待的“小樂師”。原因在于學生在嘗試制作小樂器的過程中會產生諸多問題：聲音的高低怎么調節(jié)？聲音的強弱如何變化？制作材料如何改進……這些問題中，涉及科學原理的，需要通過若干個探究過程來解決;涉及設計、制作方案的，需要通過計算與合作交流來完成;涉及評價的，需要制定規(guī)則來進行。可以說，無論是按教材來學習，還是將其轉換成STEM項目，學生對聲音高低、強弱的探究過程都是必不可少的。STEM項目包含科學探究活動，并且相較于科學探究活動，它的理念更清晰，過程更完整。因此，教材活動到STEM項目的進化需要從學習目標、學習方法、學習評價等多方面進行，絕不是簡單延長探究時間，或者增加實驗材料就能完成的。

二、目標的升華——從科學、技術、工程、數(shù)學等維度，定位學習目標

STEM教育的內涵可以理解為以數(shù)學為基礎，通過工程，解讀科學和技術。因此，從科學、技術、工程和數(shù)學四個維度，制定小學科學課技術與工程領域中STEM內容的學習目標，是將教材內容改造為STEM項目的重要步驟。

比如，在“設計制作一個保溫杯”項目中，教師可以為學生制定學習目標，如表1。

表1 ? “設計制作一個保溫杯”STEM學習目標

[科學 認識不同材料的傳熱本領不同，熱的不良導體能夠減緩熱量散失

認識固體、液體、氣體的主要傳熱方式

補充學習更多的熱學原理，并嘗試將其運用到保溫杯的設計制作中去 技術 尋找適合制作保溫杯的材料，測試、比較材料的保溫性能;嘗試用多種方式處理材料，制作個性化的作品 工程 合理分工，有組織地分析項目實施的步驟和可能面臨的困難;能及時、有效地交流意見

合理規(guī)劃材料、設計圖紙，并根據實際制作情況調整、改進設計圖 數(shù)學 對材料測試數(shù)據進行比較、統(tǒng)計、分析

合計成本，有依據地為產品進行估值 ]

從科學、技術、工程、數(shù)學等維度制定STEM學習目標，能將科學概念、科學方法和科學情感有機融合，使其貫穿項目始終，為學生在知識、能力、思維等方面的發(fā)展指明方向。在“STEM+”的理念下，教師也可以動態(tài)地、循序漸進地加入藝術、人文等目標維度。比如，在“設計制作一個保溫杯”這一項目中，科學、技術、工程和數(shù)學目標是核心目標，只有在這四個維度目標的指引下，才能建構起保溫杯模型，而當模型升級為產品時，藝術、人文的要素就會凸顯出來。

三、思維的分化——高度開放的項目實施路徑，誘發(fā)思維的深入和創(chuàng)新

從技術與工程領域的STEM項目學習邏輯（如圖1）來看，現(xiàn)實需求引發(fā)項目的啟動;現(xiàn)實需求的差異促使項目成果朝多元化發(fā)展。這就決定了學生在STEM學習中重在思考，而非制作;完成的作品是思維發(fā)展和創(chuàng)新的成果，而非手工復制品。成果創(chuàng)新要求思維分化，而學習路徑的高度開放才能為思維個性化發(fā)展創(chuàng)造最大可能性。學習路徑的開放性主要體現(xiàn)在學習內容、學習時空、學習方法三個方面。

（一）開放學習內容，為思維分化打下基礎

STEM學習倡導在“做中學，學中思”，有時還可能是“因做而學”。當已有知識儲備不能支持STEM項目繼續(xù)實施時，學生就會從更開放的資源庫中搜索學習資源，現(xiàn)學現(xiàn)用，從而為思維個性化發(fā)展埋下種子。

比如，教師將教科版《科學》五年級下冊《制作一個一分鐘計時器》一課改造為STEM項目——《做一個計時器》，為學生提供注射器、紙板、小球、棉線、細沙、紙杯等豐富的材料。學生可以根據這一單元中的水鐘、沙漏、擺鐘等已有模型，有選擇性地進行升級改造。各小組在這個STEM項目中的學習內容是由升級改造的目標決定的。

（二）開放學習時空，為思維分化醞釀條件

學習時空的開放是指學習時間的開放和學習空間的開放。在做一頂帽子、設計制作小賽車、制作小桿秤等項目中，要在40分鐘內完成一件作品，對于學生來說是比較困難的。即便完成了，也只能停留在簡單模型的層面，并且這些模型往往趨同。因為學生沒有充足的時間思考和醞釀，組員之間沒有機會進行充分的交流研討。

因此，將教材中技術與工程領域的內容改造成STEM項目后，學生應該得到更充裕的學習時間和更開放的學習空間。以STEM項目“造一座橋”為例，教師應該為學生觀察生活中不同結構、不同造型、不同規(guī)模的橋創(chuàng)造條件。這能為學生規(guī)劃、設計一座橋提供現(xiàn)實依據。也曾有學校組織學生到室外搭建一座跨度超過5米，可以承受人的重量的橋。從教室到操場的轉變，延伸了學生的學習空間，給學生提供了理論嫁接現(xiàn)實的機會。

（三）開放學習方法，為思維分化疏通要道

探究并非學習科學的唯一方式，探究式學習也并不等同于實驗研究。查閱資料、實地考察、采訪調查等都可以作為學生進行探究式學習的方法。在STEM項目實施的特定階段，學生可以通過一些傳統(tǒng)的學習方法完成任務，如師徒相授、實踐訓練，也可以應用超出現(xiàn)階段理解能力的原理和技術等。

比如在學習“做一個太陽能熱水器”STEM項目時，學生可以先到商店參觀各種款式的太陽能熱水器，聽一聽導購員對太陽能熱水器主要功能的介紹，再上網查閱資料，尋找這些功能背后的科學信息。目的不在于讓學生理解所有的科學原理，而是為了豐富本單元光與熱的科學信息，為太陽能熱水器模型的建構創(chuàng)造多種可能性。當學生不滿足于教材提供的簡易太陽能熱水器模型時，創(chuàng)造性思維由此延伸。

四、評價的優(yōu)化——量性評價與質性評價結合，提升評價效果

量性評價與質性評價結合的方式能夠同時發(fā)揮兩種評價的優(yōu)勢，彌補雙方的不足，使評價更精準、全面、高效。

（一）量性評價指引項目的規(guī)劃與實施

制定明確的量化評價標準，并且在項目實施前出示評價標準，能夠為學生規(guī)劃和實施STEM項目樹立標桿，指引方向。以一年級STEM項目“做一張葉畫”的量化評價標準為例，如表2。

推選組長和分工指向項目團隊建設;葉的形狀、顏色、名稱指向做葉畫這一項目中的主要學習內容;給葉畫起個題目指向作品的創(chuàng)意。量化的評分表不僅能激發(fā)學生做葉畫的興趣和比賽欲望，還能從人員規(guī)劃、材料收集、作品改進等方面為學生實施STEM項目指出努力的方向。

（二）質性評價關注學生的隱性成長

學生在項目學習過程中遇到問題、解決困難的經歷以及交流研討的過程是難以量化的，但這個過程卻演繹了學生科學思維的發(fā)展。教師應為學生搭建平臺，對這些難以量化的學習行為進行過程性評價。

仍然以STEM項目“做一張葉畫”為例，教師通過“葉畫展示交流會”對學生進行質性評價。每個小組依次介紹落葉的采集過程，葉來自什么植物，葉的特點，葉畫表達的意思等。匯報結束后，每位學生擁有3顆★貼紙，他們依次在作品陳列區(qū)自主投票。學生通過展示、交流，呈現(xiàn)做葉畫過程中遇到問題、解決困難以及質疑論證等難以量化的隱性學習成果。民主投票能夠引發(fā)學生的情感共鳴，作為一種無聲的交流方式，彌補低年級兒童語言表述能力的不足。

從已有課例的實踐效果來看，在STEM理念下開展技術與工程內容的教學，能夠優(yōu)化常規(guī)科學課40分鐘的時間配置，拓展學生的學習空間，搭建更多的實踐和創(chuàng)新活動平臺。學生在STEM項目式學習活動中表現(xiàn)出來的學習主動性和成果豐富性是常規(guī)科學課望塵莫及的。除此之外，小學科學教材中一些以長周期觀察和以調查、實踐為主的學習內容都具備開發(fā)成STEM項目的條件，有待研究和實踐。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2017：63.

[2]顧建鋒.對小學科學教學融合STEM教育的思考[J].實驗教學與儀器，2019（3）：53-55.

[3]首新，胡衛(wèi)平，劉念.中小學STEM學習中高層次思維測評模型構建與應用[J].電化教育研究，2020，41（8）：82-89.

（浙江省德清縣乾元鎮(zhèn)中心小學 ? 313216）