小學STEM跨學科課程教學實踐

佘友軍

【摘要】跨學科課程設計、面向未來的綜合能力培養是當今課改的熱點之一。針對數學知識遠離生活、越來越純粹化的問題，海安市實驗小學開展基于STEM理念的跨學科課程教學實踐。該研究以數學學科為主導，融合編程、藝術、工程等多學科領域，幫助學生將知識變成解決問題的工具，將知識與生活聯系起來，實現知識的主動性建構，初步形成跨學科的學習方式和思維方式。為小學數學教師開展以學科為主導的跨學科教學實踐提供現實參考。

【關鍵詞】STEM;編程;跨學科學習

一、引言

分科教學是目前廣泛采用的一種教學形式，它以某一領域知識的邏輯體系進行組織，確保知識技能的完整性、連續性，將知識按照難度進行螺旋上升編排，符合學生的認知特點。但分科教學也存在缺點，分科教學割斷了學科知識間的聯系，不利于從部分到整體的理解和把握知識體系。學生在面臨問題情境時，不能從整體的角度識別問題和解決問題，統整應用知識的能力得不到提升。

以數學學科為例，早期的數學是為了解決實際問題而存在的，往往融合了哲學等不同領域的內容。中國古代數學名作《九章算術》包含丈量土地等各種應用場景。這種活動融合了多學科多領域的知識，與生活應用非常密切。進入近代，隨著自然科學飛速發展，數學逐步剝離了其他學科，成為“純粹數學”。“純粹數學”的教學模式提高了數學知識教學的效率，但混合狀態的數學更符合學生的思維水平。“純粹數學”遠離生活應用，失去了鮮活的成分，趣味性和應用性相對較弱。

二、為什么實施STEM跨學科學習

STEM教育是一種跨學科的融合教育方式。它將科學、技術、工程、數學四門學科甚至更多學科的內容自然整合成一個整體，融會貫通。這種融合不是四門學科簡單拼接，更不意味著同一節課的課堂教學需要融合全部的四門學科，而是根據學習內容進行學科知識之間的縱向關聯以及跨學科知識之間的有機聯系。

基于項目的STEM教育是一種知識的再生產，讓學生從消費者成為生產者。STEM教學提倡的小組合作的學習方式，能提高學生的溝通交流的能力;工程設計元素的引入，能提高學生解決未知問題的能力。對學生而言，STEM教育將學生從“做題目”中解放出來，而以“做項目”取而代之，通過“做項目”達到并超越“做題目”的目的。

1.STEM教育適應了人才發展的需求

STEM教育在夯實科學、技術、數學和工程等多學科知識基礎上，提高學生以跨學科的思維方式解決綜合性問題的能力。使學生具備未來社會所需要的關鍵能力，能解決真實世界中的問題，改變學習的方式，推動學生投身STEM相關領域的職業。這種模式培養的人才，能滿足未來國家、社會的需求。2016年教育部在《教育信息化“十三五”規劃》進一步要求，要積極探索信息技術在跨學科學習、創客教育等新的教育模式中的應用。對我國中長期教育改革具有指導價值，文件強調了信息技術在STEM教育中的作用，關注學生信息素養的提升，著力提升學生的創新意識和創新能力。2017年教育部在《義務教育小學科學課程標準》中指出，要倡導跨學科學習方式，實施以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，肯定了STEM教育對培養學生創新能力的作用。

2018年4月，教育部在《教育信息化2.0行動計劃》中指出，要加強對學生信息素養的培養，要完善課程方案，充實編程課程內容。2019年2月，中共中央、國務院發布的《中國教育信息化2035》中指出，要強化學生創新能力的培養，采用啟發式、探究式、合作式等教學方式，創造性地培養人才，發展世界先進水平的優質教育。

2.STEM教育適應了知識發展方向的需求

當今社會，知識的學習不僅僅局限于單一學科領域，而是發生在“跨學科的社會情境和經濟情境中”。近幾年很多科學方面的研究成果，都出現在交叉學科領域，這也體現了跨學科整合的趨勢。

另外，從微觀角度來看，STEM教育對教師個人發展和學校的發展有很好的促進作用。對教師而言，通過對優秀STEM課程的研究、親自參與STEM課程教學實踐，可以提升教師本人跨學科的視野，進而將STEM教學理念滲透到原來學科的教學，站在全新的角度理解學科的教與學。對學校而言，通過建設STEM課程，培養一批高素質的創新型教師隊伍，能夠促進學校辦學品質的提升。

三、跨學科課程內容

小學數學課程標準中提出，要讓學生在生動的環境中學習數學，要通過自主探索培養學生的研究能力，通過合作交流培養孩子交流的能力。當前的教學實踐中，數學學習停留在抽象層面，學生缺少應用知識解決實際問題的機會，學習缺乏熱情。合作交流流于形式。教學缺少需要進行合作的學習任務，缺少對合作的過程性指導，小組成員缺少分工。另一方面，計算機學科教學過多關注技術的掌握，學習任務遠離學生生活，任務情境缺乏吸引力。針對這種情況，海安市實驗小學組建STEM跨學科課程開發課題組，組織實施了跨學科STEM課程，以數學為主導學科，選擇適合開展融合教學的知識點，以此為紐帶，融合計算機學科領域的相關知識（函數、變量、列表、循環、分支、模塊等），在數學、計算機、科學、人文藝術多個學科之間建立有意義的聯系。

課程用到了Scratch軟件和Python語言，Sc-ratch提供了圖形化的編程環境，學生通過拖動操作就能進行程序的編寫，大大降低了程序設計的成本，使得學生將精力放在算法設計上。Python語言類似于自然語言，簡單易用，有了Scratch語言的基礎，學生能很快的過渡到代碼編程。以圖形設計為載體，讓枯燥的代碼變成直觀形象的美麗圖案，在圖形設計的過程中學習程序設計。

課程包涵了四個主題，分別是“圓知識的應用”“負數與確定位置”“時間與角度的知識”“平移和旋轉”。每個專題又由3-4個子活動組成。作為主線的數學內容涉及圓知識的應用、坐標、比例尺、平移旋轉等領域。

在“圓知識的應用”主題中，一共包含了四個探究活動：一是使用circle函數，繪制圓形組合圖案;二是使用dot函數，繪制圓點鑲嵌和隨機排列圖案;三是根據三個地震監測臺提供的震中距離，確定震中所在的位置。學生需要掌握圓規的使用方法，并運用畫圓的方法確定震中的位置;四是根據航空母艦的作戰半徑，繪制航母的打擊范圍。利用畫圓的知識和比例的知識，繪制航空母艦的作戰范圍。該主題涉及到計算機科學、人文藝術、科學等多學科領域。

“負數與確定位置”包括的四個探究活動：一是負數的認識，創作學習負數知識練習游戲;二是利用坐標繪制圖形;三是制作輔助學習游戲，輸入敵機的坐標，利用導彈進行打擊。通過編寫確定坐標的游戲，從更高層次上掌握坐標的知識;四是通過連線繪制出曲線效果。該主題涉及到數學、計算機科學、人文藝術等領域。

主題“時間與角度的知識”包括的三個活動為：一是認讀鐘面時間程序—整點，編寫程序出現隨機的整點鐘面，詢問用戶此時是幾點，并對輸入的結果進行判斷，如果回答正確給予鼓勵;二是認讀鐘面時間程序—任意時間;三是編寫模擬時鐘程序，能實時顯示當前的時間。

“平移和旋轉”主題包括：一是利用平移和旋轉制作動畫;二是圖案設計、視覺錯覺圖設計;三是制作牛頓盤。

以《利用坐標繪制圖形》為例，該活動融合數學、信息技術、藝術三門學科知識。以坐標的知識作為融合點，首先呈現利用坐標設計的火箭圖案，通過優美的圖形吸引學生投入到數學知識（坐標）和編程知識（goto函數的用法）的研究中，內在的需要使學習活動由被動變為主動。在掌握了相關知識后，學習小組在坐標圖紙上進行圖案的設計與規劃，最后再利用程序繪制出圖形。整個活動以圖形設計為載體，以掌握坐標知識和計算機繪圖函數為教學出發點和最后的歸宿，并在此過程中培養學生的藝術素養、設計規劃能力、合作能力、交流表達的能力，其帶來的積極情感體驗是純粹的數學知識教學所無法比擬的。

為了讓教師熟悉教學理念、教學內容，掌握教學方法，更好推進教學，課題組為執教老師提供了教學設計和課件，便于開展課堂教學。課題組組織了授課教師的跨學科培訓。讓教師將STEM教育理念融入到自己所教的學科中。同時，為了學生更好掌握相關的內容，課題組還專門準備了知識海報，將近期學習知識點、函數用法、解決問題的步驟圖等貼到教室，便于學生進一步開展研討活動。

四、教學方法設計

教學方法是影響教學效果的關鍵因素。課題組教學方法設計的理論基礎是建構主義和工程設計過程的相關理論。建構主義強調，將問題融合與真實、復雜的問題中，幫助學生將知識與生活建立聯系，將書本知識變成解決問題的方法。學生的角色不再是知識的被動接受者，而是學習的中心。學生主動參與知識的建構，是信息加工的主體，教師則給學生的主動建構提供幫助和引導。在傳統教學中，工程一直沒有得到重視，在課程體系中比重很低。工程能為數學、科學學習提供真實的問題情境。工程設計過程是一套完整的解決問題的方法，學生在這個過程中掌握解決問題的一般方法，獲得解決問題的自信，培養合作交流等必備的思維方式。工程設計過程包括了明確問題、研究問題、列出可能的解決方案、找到最佳的解決方案、創建原型、測試原型、測試評估原型、討論交流方案、重新設計或者優化方案等基本過程。當然，工程設計的過程并非嚴格遵循上面的過程，它們可以反復重復多次、也可以改變順序。最終讓學生通過情境獲得對知識和方法的掌握。工程設計過程強調解決問題方案的開放性，鼓勵學生不斷嘗試錯誤，從錯誤中學習，這個過程將培養學生創造性解決問題的能力，以應對學習和生活中的挑戰。課題組確定的教學方法包含六個環節：確定需求、儲備知識、設計方案、建立原型、測試改進、交流展示。這六個環節，是教師設計教學活動的指導綱要，同時也有利于學生掌握產品設計的方法，提升學生的工程思維。

1.確定需求

確定需求是教學活動的起點，帶著學習需要和問題的學習，才是高效的學習。研究的問題要能調動學生的興趣，才能保證學生積極投身下一階段的研究性學習。教育者要設計并創建有利于學生對所學內容意義建構的情境，通過設計任務或者問題來引導學生學習，調動學生的積極性，使得學生成為學習的主體。教學者要將課本中的知識和技能轉化為學生感興趣的真實項目，給學生創造跨學科學習的環境。從實際生活和各種職業應用中尋找跨學科知識融合的項目內容。

2.儲備知識

這個環節將單學科思考、單學科學習的方式轉變為多學科思考、多學科學習的方式，培養學生解決問題的能力。在《利用坐標繪制圖形》活動中，學生觀看了利用計算機編程繪制的圖案后，產生了解決問題的需要，這種需要促使學生主動投入到數學和編程等多學科知識的學習中，通過提供的支持學習和思考的學習支架，學生積極鉆研基礎知識和基本技能。這種教學方式有利于學生形成與跨學科學習相適應的認知結構，實現對多個學科知識技能的深度學習。逐步形成跨學科思考、跨學科學習的學習方式。

3.設計方案

這個環節主要進行設計方案的規劃，規劃作品的內容、呈現形式等。這個過程要發揮學習共同體的作用。每個同學都能從別人的分享中獲得啟發，有效的交流推動了每個學習者的學習進程。

4.建立原型

建立原型階段將小組規劃付諸實施，在圖紙上設計的方案通過計算機程序繪制出來，在此過程中培養學生的創造力。學習共同體的每位成員需要有明確的分工，分別擔任項目負責人、發言人、程序設計者、記錄者等角色。明確的分工有利于有序開展跨學科學習，提升成員的參與感。通過設計共同體間成員互評表，為成員開展合作學習提供指導和規范，提高成員的參與度。

5.測試改進

工程設計過程鼓勵學生應用數學和科學概念，測試原型并分析數據，鼓勵方案中體現創造力和實用性，加深對開放性設計的理解。對遇到的問題不斷進行改進優化，找到解決問題的方案。上述的步驟3-5可以根據需要多次重復這個過程，不斷迭代改進，尋找新的設計可能性，直到找到最優的解決方案。

6.交流展示

交流結果是將小組的作品或者解決方案呈現給其他學習者，展示的目的是為了獲得同學或老師的建議，贏得老師和同學的認可。展示是一個很好的鍛煉公開表達能力的機會，也是一個互相學習的過程。在跨學科學習活動中，分享自己的學科知識和思考成果，對同伴的想法進行反饋，與同伴之間進行觀點的碰撞，以此培養團隊意識和合作能力。

【參考文獻】

[1]秦瑾若，傅鋼善.STEM教育：基于真實問題情景的跨學科式教育[J].中國電化教育，2017（4）.

[2]董艷，孫巍，徐唱.信息技術融合下的跨學科學習研究[J].電化教育研究，2019（11）.

[3]許秋璇，楊文正，盧雅，周琴英.融入“大概念”的STEM整合課程設計模型構建與應用研究[J].電化教育研究，2020（7）.

[4]趙呈領，申靜潔，蔣志輝.一種整合創客和STEM的教學模型建構研究[J].電化教育研究，2018（9）.