實施STEM 理念的“4D 課堂”教學范式的案例分析
——以“做個太陽能熱水器”一課為例

貴州省湄潭縣實驗小學 封建偉

科學課標中指出了科學學科的核心概念，相關核心概念不僅針對科學概念，還與工程、技術等素養有關。在科學的教與學的活動過程中，落實好工程、技術教育，自覺融入數學思維，對推動社會的發展有著積極意義。STEM理念就是把科學、技術、工程、數學融合在一起，倡導跨學科融合的理念。因此，在科學教學中有必要去落實好STEM的理念，培養學生的STEM素養。

一、STEM教育和STEM素養

一般來說，STEM教育就是在引導學生學習的過程中，通過動腦思索、動手設計、合作探索，利用科學原理，運用跨學科的理念，解決一些實際問題或者進行工程設計的教學行為。STEM素養包含科學素養、數學素養、技術素養及工程素養。科學素養是能解答“為什么”的能力，能解答事物的原理規律，讓學生“知其然”的同時“知其所以然”；技術素養是利用已有的科學認知，進行設計并解決實際問題，在此基礎上所形成的解決問題的能力；工程素養是進行實踐操作的一種能力體現，是把思維物化的一種能力；數學素養是學生對數量、空間關系認識的一種思維品質。

那么，如何有效地融合STEM的理念，培養學生的STEM素養呢？根據課題實踐的研究，我們在課堂教學中采取教學“四步走”的方式，按照“4D課堂”教學范式的流程，開展組織教學，能夠有效地達到目標。

二、“4D課堂”教學范式的概念

在實踐教學中，我們總結了基于STEM理念的關于科學教學的“發現（Discover）—設計（Design）—行動（Do）—展示（Display）”“4D課堂”教學范式。

發現（Discover），是在科學教學中讓學生從情境中發現問題，讓學生在教師設置的情境中學會“提出問題”。“發現”是一節科學課的首要環節，科學教師在開始上課時要重視“發現”的價值，想方設法去創設一些與課題相關的情境，激發學生的學習興趣和探究欲望，讓學生去“發現”有價值的問題，為接下來的學習做好鋪墊。

設計（Design），就是學生針對發現的有價值的問題，開展頭腦風暴，利用圖表或者文字等形式呈現出解決問題的思路、辦法等。設計的過程即為充分發揮想象力、創造力的過程。“設計”指向學習素養中“建立聯系”的學習能力的培育，教師在教學中要引導學生通過知識與知識之間的聯系、知識與情境問題之間的關聯，開展人與人之間的交流討論、頭腦風暴等，形成解決問題的基本方案。

行動（Do），就是通過動手實踐不斷修正自己的解決方案，最終形成最佳的理論方案或實物作品。“行動”離不開方案，是在方案設計的基礎上通過學生的實踐活動來體現的。在行動的過程中，學生還要不斷地對解決問題的方案進行修正和完善，在實際“動手做”的過程中深化學習，克服困難，最終完成項目化學習。可以說，行動是學生的創造力、團結協作能力、動手能力的綜合體現，是落實STEM教育的“工程”和“技術”的環節。

展示（Display），就是將內化的知識進行外顯。通過展示，可以培養學生表達與交流、傾聽與接納、融合與建議的能力，是一種高階的思維層次。

三、“4D課堂”教學范式的案例

下面，筆者以“做個太陽能熱水器”的案例來詮釋“4D課堂”教學范式。

（一）發現：激趣導入

1.展示生活中大家所使用的太陽能熱水器的圖片。

2.提出問題：太陽能熱水器是如何工作的？它和我們這個單元的內容有什么聯系？

學生回答后，教師小結：前面我們學了“光與熱”“怎樣得到更多的光和熱”，知道光強溫度就高、深色物體比淺色物體吸熱快、物體與陽光垂直比傾斜吸熱快等知識。這堂課我們就要運用所學的知識做一個太陽能熱水器。

目前在生活中大多數采用的是電熱水器，即使用了太陽能熱水器，很多人都把它安放在屋頂，學生不易觀察到，所以需要用圖片讓學生對太陽能熱水器有初步印象。通過問題把太陽能熱水器和本單元的知識建立聯系，讓學生感受到科學知識的價值與用途，搭建起遷移知識、運用知識解決問題的橋梁。在小結的過程中，讓學生知道可以從哪些角度去提高太陽能熱水器的效能。

（二）設計

1.介紹太陽能熱水器。

（1）太陽能熱水器是利用多種科學原理設計出來的一種光熱轉換器，具有節能、環保、安全的優點，它的構造怎樣？它是如何工作的？

教師安排學生先整理資料，然后進行匯報。

（2）現在請幾位同學上來匯報收集到的關于太陽能熱水的資料，與大家分享。

教師介紹太陽能熱水器的構造（放課件）。太陽能熱水器的組成包括：太陽能集熱器、控制系統、絕熱儲水箱（保溫箱）、連接管道、支架等。

2.想一想：

集熱器有什么作用？絕熱儲水箱是用來做什么的？

教師小結：利用集熱器吸收陽光，把光能轉化為熱能，并通過儲水箱來儲存熱水。

3.工程設計：設計制作太陽能熱水器。（1）明確目標：接下來設計一個太陽能熱水器。

（2）出示設計要求：能夠儲水200毫升；能夠盡可能地在15分鐘內使熱水器中水的溫度升上去。（多媒體出示）

（3）思考：

①為了讓熱水器盡快地升溫，我們要考慮哪些問題？采取哪些措施？②主要應該包括哪兩部分？③需要選用什么材料做？

4.小組先根據要求討論思考的問題，閱讀書上的設計方案。

5.學生小組設計制作方案，繪出設計圖。

豎井掘進機的偏斜控制系統工作原理如圖3所示，包括測斜系統和糾偏系統。測斜系統由位移測量系統和姿態測量系統組成。位移測量系統包含井筒上部的激光發射器和掘進機上部的PSD光電位移傳感器平板，可以從光電傳感器平板讀取豎井掘進機軸線與井筒設計軸線的偏斜量；姿態測量系統包含2個高精度角度傳感器，可實時監測豎井掘進機主軸傾角。

6.學生分組自行設計。

學生思考后知道可以從哪些地方去進行設計，并把思考的結果轉化成方案，這是理論物化的一個中間環節，也是體現學生創新能力的過程。學生設計的方案可能有不恰當的地方，這個時候就需要參考教科書上的實例進行設計方案的調整。但教科書上的方案也僅是參考，目的在于給學生提供一個思路。在參考實例后學生動手設計制作才是本過程的核心。這樣不僅能使學生的動手能力得到鍛煉，而且學生的設計思維也能進一步與實際操作相銜接。

（三）行動

學生按照設計圖動手制作太陽能熱水器，教師巡視指導。

這是課堂的中心環節，也是學生最感興趣的一個環節。為了提高學生的動手能力和課堂效率，教師一定要明確分工，讓學生按照設計圖進行動手制作，在行動中讓學生修正方案。

（四）展示：展示太陽能熱水器

1.各小組出示設計制作的太陽能熱水器的模型，并介紹各自的設計理念。

3.檢驗我們制作的太陽能熱水器。檢驗的標準：能夠裝水200毫升，能夠在較短的時間內把溫度升上去。每隔2分鐘測一次溫度。為了公平，制訂以下規則：裝同樣溫度的水，要同時放在陽光下，要實事求是地記錄數據。

4.反思改進。（1）提出問題：我們的太陽能熱水器在外觀設計上是否美觀？（2）我們制作的熱水器升溫和保溫效果怎么樣？有哪些不足？（3）怎樣改進才能使我們的熱水器升溫快、保溫效果好？

以上是評價交流的環節，為了設計方案的可靠性、合理性以及科學性，教師要重視這個交流環節，鼓勵學生相互學習，取長補短，為后面的反思改進奠定基礎。教師要引導學生運用前面的知識，發揮創新性，不要局限于已有的方案和作品，以設計出更好的簡易太陽能熱水器。

四、“4D課堂”教學范式的實施意義

在實踐過程中，教師根據“4D課堂”教學范式開展課堂教學，課堂教學流程清晰，教學環節的處理逐步規范，教學時間的分配比較恰當，課堂效率得到提升，教師的執教水平得到快速發展。

通過這一教學流程，教師可以構建“動腦設計、動手制作、團結協作、多元并舉”的STEM課程方法體系，并在此基礎上提升學生的科學素養。STEM課程的主導思想是讓學生在主題項目式的科學學習中進行探究、實踐、思考，整合學科理論，提高學生解決實際問題的能力。教師應根據不同學段學生的特征設置有梯度、進階式的STEM課程，通過實施STEM理念的教學，促進學生創新思維的發展和科學素養的提升。

助推教師用跨學科的思想與理念解決生活中的實際問題。在教學流程中，我們需要運用跨學科的思想去解決一些實際問題，把解決問題、工程設計、研究性學習、項目教學、探索性學習等多種教學理念融合在一起，把不同的、相互有聯系的學科或課程融合為一個整體，讓學生能綜合運用多種技能解決實際生活中遇到的問題。

開展STEM的教學活動，我們主張通過學生在參與式的項目學習體驗中獲得自主學習的方法，并不斷提升自學能力，讓學生積極動手、動腦，參與學習過程。項目式學習活動為學生提供了足夠動手做的學習體驗，學生應用所學的相關知識應對現實世界問題，經過一系列緊密連貫的體驗過程，創生新思想、新設計、新產品、新成果。因此，基于STEM的科學教學活動具有體驗性特征，學生在參與、體驗的過程中獲得知識，這就將獲得過程性與結果性知識自然地結合。這種在參與、體驗中習得知識的方式為學生在后期的學習中奠定了堅實的基礎。