基于小學科學課程的STEM微項目開發與實踐研究
——以蘇教版小學科學五年級下冊第二單元《形狀與結構》為例

華錫芬

（無錫市新吳區旺莊實驗小學 江蘇無錫 214028）

STEM是以工程設計過程為主導，關注現實問題，注重在真實情境中學習，將科學、技術、工程和數學有機地融為一體，契合了《課程標準》強調的“做中學”和“學中思”。在小學科學課堂上，教師要為學生提供動手做的課堂體驗，通過創設良好的教學情境，引發學生的認知沖突，激發學生積極思維，實現動手和動腦的結合，使學生應用所學的數學和科學知識來創造、設計、建構、發現、合作并解決問題。

基于小學科學課程的STEM微項目，利用小學科學課堂，關注全體學生參與，將學習知識轉化為學習方式和學習能力。科學教師每學期嘗試2～3個STEM微項目，選取適于學生設計制作的一件產品或作品，讓學生體驗項目學習的基本流程，強調以學生為中心和學習經歷和結果的開放性，更強調以多種方是基于問題、設計和項目的學習，讓學生真正參與工程設計，鏈接多學科知識來解決現實生活中的工程設計問題，使科學學習更富有價值意義和現實魅力。

一、STEM微項目的開發

STEM微項目是指教師設計研發立點小、用時少、流程相對簡化的項目學習。項目適合本學段學生年齡特征，有助于培養學生分析綜合批判性和創造性思維、培養學生的高階思維能力、提升其創新素養能力。教師提出一個真實的問題，學生參與活動、項目和問題解決，通過動手做的課堂體驗，讓學生將科學、技術、工程和數學知識有機地融為一體，經過創造、設計、建構、發現、合作等來解決問題，在具體的情境中理解學習如何與“真實世界”相聯系，讓課內知識活化和運用，并為學生提供有助于深入研究的必須支持。

小學科學教師需要依據現行科學課程，聚焦現實生活的真實問題，進行“微項目”的開發。在科學課堂教學中，以工程設計為基石，學習背景知識，嘗試使用技術（包括數字化技術）收集、分析數據，并設計、測試改進一個解決方案，與同伴交流研究成果，引導學生在較復雜的學習情境中利用所學的科學、技術、數學的知識和技能，采取微項目學習的方式，解決真實世界里有意義的問題。開展以學生為中心的STEM微項目，將科學原理與技術有機結合，培養學生的工程思維。

二、STEM微項目的實踐

教師立足科學課程中的學科知識，在課堂中融入STEM理念，開發和實踐微項目，組織學生對日常生活難題和自然事物的探究和改造，讓學生積累經驗、增長知識、提升能力。學生通過思考問題、觀察現象、設計方案、建模制作、測試優化和展示交流等形式，發展實踐能力、思維能力、運用科學知識解決問題的能力和創新協作能力，真切體會到“學以致用”“活學活用”。

STEM微項目一般通過：明確問題→設計方案→建立模型→制作作品→測試改進→展示交流，學生從中體驗一個完整的STEM工程項目。

（一）明確問題：生活情境中聚焦

在基于項目的科學課程中，學生探究真實而有意義的問題。探究的過程與科學家的行為一樣：探究科學現象、調查問題、討論觀點、挑戰他人的觀點和檢驗新的觀點。從一個真實的情境中對需要解決的問題展開探究，學生在探究過程中學習和應用學科思想，師生一同尋找問題解決的方法，能夠幫助各種學生積極參與到科學學習中。

教師結合本地實際設置一個需要建造高塔的情景，指出學生需要提交的項目包括一座高塔模型和一份工程項目建議書：我校地處無錫市新吳區商業圈中心，毗鄰寶龍城市廣場。現計劃在寶龍城市廣場與我們學校中間的空地造一座觀光高塔，成為新吳區居民休閑娛樂的惠民工程。現需要一份工程建議書，其中包括這座高塔的設計方案和高塔模型。

這樣的任務驅動下，學生樂于交流、分享、探究、合作，他們在真實情境中嘗試著解決現實生活中需求的問題。

（二）設計方案：頭腦風暴中勾勒

STEM微項目實踐中，我們要像工程師一樣工作。首先，我們要像工程師一樣設計：畫出草圖。

為了解決這個工程問題，在設計草圖之前，我們需要一些背景知識。首先讓我們一起走進高塔世界，通過學生介紹或圖片出示：埃及金字塔，它是方錐體三角形石料建筑；埃菲爾鐵塔，由七千噸鋼鐵建成；比薩斜塔，傾斜的大理石塔；蘇州虎丘塔，仿樓閣式磚木套筒式結構；應縣木塔，八角形木塔；西雙版納曼飛龍塔，葫蘆形磚石結構塔群。我們發現，這些高塔千年屹立不倒的原因：三角形結構，埃菲爾鐵塔利用了三角形最穩定的特點；材料結實、連接牢固；上窄下寬、上輕下重。

在了解了相應的高塔知識后，就由各組學生分別設計。比如，有的小組想利用三角形最穩定，搭建一個三角形結構的高塔；有的小組想利用圓柱體承受力最大，設計一個圓柱形高塔。各小組成員進行頭腦風暴，不斷改進設計圖。

（三）建立模型：調查研究中建模

工程師做研究時，常會運用工程模型。如何將設計圖變成按一定比例縮小的實物模型，需要學生在實踐中嘗試。

為了幫助學生應用數學、科學和技術充分發展最好的設計觀點，并嘗試構建一個完整的“高塔”模型。先讓學生用鉛筆在紙上畫出小組的設計草圖，并標注尺寸。小組成員商量并修改，達成一致意見；按照設計圖，用橡皮泥和牙簽或小紙片與雙面膠等搭建“塔”的模型。在建立模型時，發現問題，及時修正，將遇到的問題或困難以及解決的方案記錄下來。

（四）制作作品：制作實踐中創意

基于工程思維的規劃性、實踐性、系統性、科學性、藝術性、成本和可靠性等特點，不僅要注重培養學生設計建模的能力，更要培養學生按計劃執行的能力、不斷反思改進的習慣，讓學生逐步領會工程思維。學生在活動過程中相互合作、交流與分享，不斷反思和改進作品；在制作過程中，針對遇到的問題調整改進；通過迭代，不斷優化。

（五）測試改進：測試比較中優化

“在測試并觀察原型之后，會識別出那些可能改善設計的新信息。在這個階段，回到概念形成階段的起點是很重要的，回到起點來修改內容并開展頭腦風暴，分析并挑選更新設計或者其他選擇，建立新的模型，重新測試，再次優化。”

在測試前，先請學生展示作品，并介紹作品：高塔模型高度是多少？結構是否穩定？完成作品與設計方案是否一致？設計制作過程中遇到了什么問題？如何解決？完成作品用了哪些材料？其他小組圍繞“高度”“穩定性”和“承受力”三個方面對作品展開評價，并提出改進建議，引導優化作品。測試時，各組將搭建的高塔模型放置指定測試地點，在平穩直立不倒的前提下，再由一名組員在模型的最高點直接放置一個50g的砝碼。如果模型依然不倒，測量模型的高度，模型高度每1cm得2分。為了安全，測量高度時，可以將高塔模型橫放在桌上。

技術與工程實踐活動能使學生體會到“做中學”的成功和快樂，養成通過“動手做”解決問題的習慣。有個小組在經歷了幾次失敗后，采用了這樣的方法：首先，用一張A4紙做成一個圓錐，底部剪平；將兩張A4紙用雙面膠連接；用同樣的方法連接九張A4紙；然后在九張A4紙的一端粘上雙面膠；三人合作，將連接的九張A4紙卷成紙筒，并粘貼好；將做圓錐余下的廢紙做成圓筒頂端的平臺，保障砝碼平放在上面；將圓錐立于地面，將紙筒直立在上面，調整重心，讓紙筒平穩地站立。這座“高塔模型”的高度達275cm。

（六）展示交流：取長補短中改善

STEM微項目學習的評價既突出形成性評價也強調終結性評價，學生以有意義的方式展示所學的內容和在學業方面取得的成功，激發其創造性，在團隊中承擔責任。所以我們要將前面的作品進行改進，改進的過程又要從設計開始，經過搭建，再測試，不斷改進、不斷完善！

通過展示各小組的設計方案和完成的作品，結合測試得出的成績，評選優秀小組。希望大家拓寬視野，相互學習，取長補短。每組學生將優化后的作品展示。組織學生參觀各小組的高塔模型。參觀時，請各小組的學生站在自己的作品后，由一名組員通過演講的方式，在60s內介紹自己作品的創意和優勢。請冠軍小組成員當場講解他們的制作過程和活動的體會。

引導學生繼續研究如何將高塔造得更高、更穩。如在剛才測得275cm高度的小組，可以將做圓錐剪下的紙利用起來，做成一個形狀，增加原來紙筒的高度；也可以將圓錐的高度增加。繼續思考其他的好辦法，讓高塔模型更高，并動手試一試!

建議利用身邊的其他物品，如撲克牌、吸管、胡蘿卜和牙簽等，試著再建一座高塔，同時經歷“設計——搭建——測試——改進”的過程，期待著不斷發現，不斷改進！

科學教師通過“基于小學科學課程的STEM微項目開發與實踐研究”，精選教材內容，巧妙轉化項目設計，融入項目學習過程，努力讓每一個學生能夠利用科學知識和科學方法初步解決某些真實世界的實際問題，培養全體學生的創新精神和實踐能力。學生潛移默化地獲得工程師、設計師工作流程的熏陶，促進了他們系統思維、設計合作、實踐創新能力的自然生長。學生從現實問題出發，在與現實生活世界的接觸中，促進內在知識體系的創新生成，靈活應用已有知識、發展解決問題能力。學生在STEM微項目的實踐活動中，將學科知識轉化成科學探究和工程創新的過程和方法。STEM微項目活動中，師生互教互學，共識、共享、共進，形成一個真正的“學習共同體”。