STEM教育在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的有效融合

王紅妮

【摘要】近年來，STEM教育已成為世界各國推進創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要方式，也為我國小學(xué)科學(xué)教學(xué)的改革實踐提供了新的視角。為了促進STEM教育與小學(xué)科學(xué)教學(xué)的深度融合，筆者結(jié)合自身教學(xué)實踐，嘗試采用以工程設(shè)計為主線，將學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的問題與困難轉(zhuǎn)化為STEM問題，通過工程設(shè)計需求驅(qū)動學(xué)生進行知識與能力建構(gòu)，再將新建構(gòu)的知識與能力運用于確定方案、制作作品和不斷優(yōu)化迭代改進作品中，以促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué)；STEM教育；融合；《制作輪子》項目

【中圖分類號】G623.6【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2021）21—0118—03

2017年新修訂的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標準》中新增加了“技術(shù)與工程”領(lǐng)域，與生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、地球和宇宙科學(xué)共同作為新教材中的四大領(lǐng)域。同時，新課標中明確提出倡導(dǎo)跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方式，鼓勵教師將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)有機融合為一體，即STEM教育，以項目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向組織課程[1]。這是首次在小學(xué)科學(xué)課程標準中明確體現(xiàn)STEM教育的重要地位，同時小學(xué)科學(xué)課也成為小學(xué)階段普及STEM教育的重要載體。

如何將STEM教育有效融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)中呢？新課標明確指出，工程是運用科學(xué)和技術(shù)進行設(shè)計、解決實際問題和制造產(chǎn)品的活動。可見，工程活動本身運用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等跨學(xué)科知識和能力解決實際問題的特點與STEM教育理念非常契合[2]。那么，以工程設(shè)計的思路設(shè)計教學(xué)已成為將STEM教育與小學(xué)科學(xué)教學(xué)進行融合的有效突破口。

筆者結(jié)合自身教學(xué)實踐，對教科版五年級上冊《運動和力》單元教學(xué)內(nèi)容進行整合與重構(gòu)，并用工程設(shè)計的思維進行STEM教育的設(shè)計與實踐，探索STEM教育融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的有效策略。

一、以工程問題情境為抓手，重構(gòu)并整合單元教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)，教材中這種單純以課時為單位，碎片化的內(nèi)容組織形式會影響學(xué)生對知識網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。以大單元視角對教學(xué)內(nèi)容進行重構(gòu)與統(tǒng)整，開展以問題驅(qū)動的項目化學(xué)習(xí)，使得原本課時中孤立的知識點之間形成相互聯(lián)系、相互作用的知識體系。將STEM教育融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，進行單元教學(xué)內(nèi)容整合，可從涉及技術(shù)與工程領(lǐng)域的單元教學(xué)入手，如教科版教材三年級下冊《物體的運動》、五年級上冊《運動和力》、五年級下冊《時間的測量》等。

在單元整合過程中，筆者將涉及技術(shù)與工程領(lǐng)域單元中學(xué)生在學(xué)習(xí)時存在的問題與困難轉(zhuǎn)化為STEM問題，以工程設(shè)計思維對單元內(nèi)容進行組織和設(shè)計。因為解決工程問題必然會關(guān)聯(lián)到科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科，從工程技術(shù)的角度出發(fā)設(shè)計活動更容易促進學(xué)科的深度融合，有助于學(xué)生進行深度學(xué)習(xí)。

如，五年級上冊《運動和力》這一單元，共計8課時，選擇了學(xué)生熟悉的小車作為主要研究對象，研究重力、彈力、反沖力等作為動力與小車運動的關(guān)系以及摩擦力大小的影響因素，最后以設(shè)計制作小賽車作為本單元知識與技能的綜合應(yīng)用。但在以往分課時教學(xué)過程中，第8課《設(shè)計制作小賽車》教學(xué)時，筆者發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生會直接選擇現(xiàn)成的輪子組裝小賽車，只有個別學(xué)生選擇圓形的瓶蓋、硬紙板等材料來制作輪子，在制作小賽車的過程中，學(xué)生對于輪子的選擇缺乏系統(tǒng)深入的思考，設(shè)計制作小賽車的活動也因此流于表面。究其原因，以課時為單位進行教學(xué)設(shè)計時，學(xué)生對于運動和力相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)停留在知道、了解的低階思維層面，在“設(shè)計小賽車”這一屬于遷移應(yīng)用的高階思維層面任務(wù)時，脫離了“最近發(fā)展區(qū)”，知識與能力的建構(gòu)均無法完成。

基于教學(xué)中出現(xiàn)的問題，筆者萌生了將本單元8課時的教學(xué)內(nèi)容進行整合，以“為一輛小車制作輪子”作為驅(qū)動性任務(wù)開展STEM項目的想法，主要基于以下幾點考慮：第一，輪子作為小車助動構(gòu)件，并不是一個簡單的圓環(huán)，其正常工作需考慮材料、構(gòu)成、組裝等一系列問題，也會直接影響到小車的運動快慢及平穩(wěn)性，以此任務(wù)作為項目任務(wù)，能夠系統(tǒng)整合本章學(xué)習(xí)內(nèi)容，有助于學(xué)生基于真實情境的問題解決，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。第二，從生活中司空見慣的輪子入手研究其中所蘊含的“秘密”，能夠激發(fā)學(xué)生的探究興趣。第三，輪子的出現(xiàn)與使用至今已有5000多年的歷史，至今仍排在“人類最偉大發(fā)明”的前列，盡管如今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，但輪子依然具有研究價值。

二、以工程設(shè)計過程為主線，促進STEM教育與科學(xué)教學(xué)的融合

《課程標準》中指出工程技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計，而工程設(shè)計的基本步驟包括明確問題、確定方案、設(shè)計制作、測試、改進完善等環(huán)節(jié)。借鑒工程設(shè)計的思維流程，筆者嘗試將STEM教育融入小學(xué)科學(xué)課以這樣的思路開展：以工程設(shè)計為主線，從學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題與困難轉(zhuǎn)化為STEM問題，通過工程設(shè)計需求驅(qū)動學(xué)生進行知識與能力建構(gòu)，再將新建構(gòu)的知識與能力運用于項目制作與問題解決過程中，并以多元化的過程性評價方式促進學(xué)生綜合素養(yǎng)的養(yǎng)成。

在項目啟動課上，筆者向?qū)W生出示了一輛沒有輪子的玩具小車，學(xué)生立刻興奮地表達了想要給小車設(shè)計制作輪子的想法。接著，為學(xué)生四人合作小組提供了硬紙板、可塑橡皮、竹簽等材料以及剪刀等常用工具，學(xué)生開始思考如何完成“設(shè)計并制作一組能使小車滾得更遠的輪子”這一驅(qū)動性任務(wù)。學(xué)生在小組激烈的討論中，萌發(fā)了制作輪子的很多想法。于是，筆者引導(dǎo)學(xué)生通過設(shè)計草圖將想法可視化，并在草圖中標出使用的材料與尺寸、大小等信息。設(shè)計環(huán)節(jié)完成后，小組學(xué)生立刻很興奮地投入到制作環(huán)節(jié)，按照設(shè)計草圖分工協(xié)作，為小車制作一組輪子；輪子做好后，學(xué)生在測試用的斜坡上一次次測試與調(diào)整。當(dāng)所有小組完成輪子的制作與測試后，筆者組織學(xué)生開展了一場“比一比哪組小車滾得更遠”的比賽，比賽分小組突圍賽與冠亞軍爭奪賽兩個環(huán)節(jié)，學(xué)生自己制定比賽規(guī)則并確定裁判人選。在激烈的比賽結(jié)束后，筆者開始引導(dǎo)學(xué)生分析在比賽中獲勝或者失敗的原因，并討論“影響小車運動快慢的因素有哪些”這一問題，在討論中，學(xué)生提出輪子的重量、輪子的表面光滑程度、小車的重量、運動斜坡的角度、光滑程度等等。

相比于傳統(tǒng)以課時為單位的教學(xué)模式，整合后以問題解決為導(dǎo)向的項目化學(xué)習(xí)方式，能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在整個工程問題解決過程中，所有學(xué)生都能始終保持濃厚的探究熱情，小組討論激烈、共享智慧，專注于問題解決的過程，這在以前的教學(xué)中是從未有過的。從學(xué)生的學(xué)習(xí)效果來看，學(xué)生在制作并測試輪子的過程中，自發(fā)探究影響小車運用的影響因素，基于實際學(xué)習(xí)需要去進行知識的主動建構(gòu)，最終完成的輪子不僅外形美觀，也兼具平穩(wěn)性與行駛速度。

三、以工程項目的迭代改進為契機，促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)

工程設(shè)計并不是單向的線性流程，而是需要經(jīng)過不斷反饋、調(diào)整的多次迭代過程。有研究者指出，教學(xué)需要延遲，延遲到學(xué)生出現(xiàn)“學(xué)習(xí)僵局”，也就是在學(xué)生探索失敗不能再解決問題的時候再進行教學(xué)，這樣更富有成效。因此，以工程項目的迭代改進過程為契機，給學(xué)生足夠的時間和空間，在完成項目成果的過程中，去經(jīng)歷相關(guān)問題的探索和“有效失敗”之后再進行知識和能力的建構(gòu)，有助于促進學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。這就要求教師在課堂教學(xué)中，不同于傳統(tǒng)的以講授為主的教學(xué)方式，應(yīng)強調(diào)引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性地解決問題，重視學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的生成與體驗。

所謂生成，指的是學(xué)生在已有知識經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，建構(gòu)新知識的過程。由于學(xué)生的經(jīng)驗是個性化的，即使經(jīng)歷同樣的學(xué)習(xí)流程，每個學(xué)生生成的知識也不盡相同。在《制作輪子》這一項目化學(xué)習(xí)過程中，幾乎所有學(xué)生都制作了生活中司空見慣的圓形輪子，但有一組同學(xué)想嘗試一下為小車裝上方形輪子會怎樣。針對這一原有預(yù)設(shè)之外的情況，筆者借機引導(dǎo)學(xué)生探究“生活中的輪子為什么都是圓形”這一問題。學(xué)生通過制作圓形、方形輪子模型，研究不同形狀輪子的運動軌跡，最終發(fā)現(xiàn)圓形輪子不會顛簸的本質(zhì)：圓形輪子在運動過程中，車軸距離地面始終相等。這為學(xué)生在后期不斷改進輪子的過程中，保證小車運動的平穩(wěn)有著非常重要的指導(dǎo)作用。能夠隨時應(yīng)對學(xué)生生成的新問題，這就對教師提出了非常高的要求，在關(guān)注學(xué)生思維過程的同時，還需要在備課環(huán)節(jié)對項目主題所關(guān)聯(lián)的知識有系統(tǒng)深入的認識。

STEM教育強調(diào)基于真實情境的問題解決，也就突出了體驗的重要性。從學(xué)生的實際需要出發(fā)進行整個項目化學(xué)習(xí)過程的設(shè)計，從問題的提出到基于問題情境進行工程設(shè)計與制作以及最終產(chǎn)品的發(fā)布，都需要給學(xué)生提供一個真實、豐富有意義的生活體驗，才能更好地促進學(xué)生在問題解決過程中獲得經(jīng)驗，有能力在不同的情境中進行遷移。

總之，基于真實的工程問題情境，以工程設(shè)計過程為思路對單元教學(xué)內(nèi)容進行整合與重構(gòu)，是將STEM教育融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)的有效突破口。引導(dǎo)學(xué)生像工程師一樣經(jīng)歷解決實際問題的過程，能夠促進學(xué)生與真實世界發(fā)生聯(lián)結(jié)，有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

參考文獻

[1]劉韜容，肖化.STEM教育融入小學(xué)科學(xué)課程的改革路徑與實踐探索[J].基礎(chǔ)教育參考，2019（17）：34-37.

[2]孫燕.STEM教育在小學(xué)科學(xué)課程中的融合[J].教育科學(xué)論壇，2018（32）：39-42.

編輯：張昀