STEM課程中結構性材料的選取

陳露

〔摘? ? 要〕? ? 近年來，為培養創新型、復合型人才，提高我國在國際上的競爭力，強調以技術應用和工程設計為主的多學科融合課程——STEM課程在全國各地陸續開展，也相繼開發出一系列本土化STEM課程。然而，筆者發現，很多STEM課程配套的材料過于復雜，并且許多教師在進行STEM課程教學時過于強調探究過程的復雜性，將STEM課程上成手工課或拼搭課，而忽略了學生思維能力的提升。本論文運用文獻研究法、案例分析法、比較分析法，分析了STEM課程的實施現狀與存在問題，結合“可穿戴的LED”STEM課程案例，總結了基于STEM課程材料的結構性主要體現在哪些方面，以期為進一步完善小學科學STEM課程提供理論指導。

〔關鍵詞〕? ? STEM課程；結構性材料；課程融合；工程設計

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號〕? 1674-6317? （2023）? 09-0073-03

從20世紀90年代開始，世界各國為培養尖端科技人才紛紛開展STEM課程教育，強調課程知識的學習應服務于實際技術應用。為順應國際形勢，積極培養創新型人才，提高國家競爭力，我國教育部于2016年開始陸續出臺相關政策。為積極響應國家號召，STEM課程的開發與應用在全國各地如火如荼地展開。

STEM課程教育是科學、技術、工程、數學的多學科融合，是基于建構主義學習理論和美國心理學家加德納提出的多元智能理論的新型教育方式，也是現在基礎教育階段改革的重點。現今開發的STEM本土化課程大多以基于工程設計的整合型課程為主，強調在動手操作過程中，多向發展學生的思維。但是STEM課程在實際本土化應用的過程中依舊出現了多方面的問題，如，STEM課程標準尚未完善、STEM課程設置不夠合理、教學模式不夠靈活、STEM教師培養不到位等。這些大方向上的問題多數是由于STEM課程引入年限太短，教師缺乏相應的教學經驗。隨著理論的不斷完善以及實踐不斷試錯，相信這些問題都會得到相應解決。除此以外，還有一些亟待解決的細節問題，比如，很多教師在教學中會陷入一個極端誤區——將STEM課程與手工或拼搭課程混為一談。出現這種情況，除了有教師對教學本質沒有清晰認識的原因外，還因為忽略了材料的結構性。

現在學校開展的STEM課程大多分為三種：利用社團時間開展長期的STEM課程教育，這些教育大部分會使用已開發的STEM課程，配有現成的教學思路和所需材料；為適應我國的小學科學課程教育情況，給學生提供更高效的教育，將部分教材中的課程以STEM課程形式呈現，這時候就需要教師重新設計教學流程以及進行材料選擇；教師自編STEM課程，開展或長或短的STEM教育活動。不論是哪一種，在實際教學過程中都會出現以下幾個問題：1.部分配套材料實驗效果并不明顯，需要選擇更合適的實驗材料；2.有些結論通過不同的方法也能實現同樣的實驗效果，但是產生的教學效果會大相徑庭；3.隨著科技的發展，部分實驗可以用更科技化、信息化的方式呈現，用更科學、更嚴謹的數據幫助學生理解。

STEM課程是以工程設計為基礎的綜合性課程，有其相對固定的教學模式，工程設計類的課程大部分以ADDIE的傳統教學模型展開。該模型包含5個階段，分別是：分析（Analysis）、設計（Design）、開發（Develop）、執行（Implement）和評估（Evaluate）。基于STEM理念的ADDIE教學模型在小學科學課程中依舊適用，而如何在各個階段發展培養學生的科學素養則是每位教師需要思考的問題。課程的鋪設與展開往往離不開教學材料的選擇，尤其是以工程設計為主的STEM課程，材料往往多且復雜。好的教學材料選擇能夠事半功倍，學生能較快地記憶和理解，甚至能夠舉一反三，實現預期教學目標。因此在STEM課程中尤其要重視材料的結構性。下面，我將以STEM課程“可穿戴的LED”為例，簡單談一談在STEM課程的教學過程中如何選擇合適的材料，構建高效課堂。

最早提出“結構性材料”理念的是蘭本達教授，他主張將課堂結構分為兩個部分：探究和研討。在“探究”過程中，學生圍繞研究目的觀察、變革經過教師精心選擇和組織的“有結構的材料”（即包含著概念的材料），收集事實和數據；“研討”就是將獲得的事實和數據匯集起來，進行集體討論、加工，根據學生發展的水平尋找其中的規律。因此，我認為，STEM課程中材料的結構性主要體現在以下幾個方面。

一、選取的材料要適應學生學情

STEM課程強調學科的整合，這本身就具有一定的難度，在教學過程中更要注重學生思維的發展程度。教育家夸美紐斯依據“自然并不使自己受過重的負累”的自然主義觀念，提出教學適合學生的年齡和接受能力。18世紀的啟蒙運動思想家盧梭也提出“遵循自然，跟著它給你畫出的道路前進”，強調教學要遵循學生內在的自然發展。以“可穿戴的LED”為例，這個課程涉及的主要知識以“簡單電路”為主，新教材改革后，“簡單電路”的概念建構主要在三年級，那么在不同年級開設時，一開始接觸到的任務設計和材料就會有所區別。

從設計“會發光的可穿戴設備”問題引入后，在設計及開發階段大體可分為以下幾個流程。

三年級的學生需要從頭開始建構“簡單電路”的概念，選取的材料就要從最簡單的小燈泡、電池以及導線開始，一步步建立起“只有形成閉合的通路，才能點亮小燈泡”的認知，再將小燈泡替換成其他用電器。同時，三年級學生掌握串、并聯電路也有一定難度。在三年級開設時，可以只點亮一個用電器；四、五、六年級的學生動手能力比三年級學生強，也已經有了“簡單電路”概念，在稍微復習后就可進入點亮電光源的步驟；五、六年級的學生甚至可以酌情引入萬用表、照度儀的介紹和使用。

二、選取的材料要具有可操作性

科學是一門以實驗為基礎的自然學科，實驗可以幫助學生形成認知、建構概念，也能在學習過程中調動學生的積極性。不同實驗材料的選擇會對學生學習積極性的調動產生影響，因此有些教師在進行STEM課程教學時，往往會因為過度追求調動學生的學習積極性而選擇一些結構過于復雜、操作難度高導致學生不易操作或理解的材料，這樣反而會本末倒置。教育學家維果斯基提出的“最近發展區”理論決定“教學應該走在發展的前面”，從而提出“支架式教學”，即教師應當為學生理解知識提供一種概念框架。這種概念框架中的概念是學生進一步理解問題所需要的，而教師在“搭建支架”引導學生進行概念建構時，也要充分了解學生的“認知發展區”，不能誤判學生的能力。這就要求教師在選擇實驗材料時，應該遵循學生的認知發展規律，不宜選擇太復雜、難度太高的材料，否則不僅會對學生的概念建構過程產生影響，失敗或消極的情緒也會反作用于學習動力。同時，跳躍式的實驗難度對學生思維能力的發展也會起到阻滯作用。

在上述STEM課程案例中，幫助三年級學生建構“簡單電路”概念時，用電器最好選擇小燈泡和小電扇。選用小燈泡，便于觀察小燈泡的內部結構，幫助學生建立“閉合電路”的概念；選用小電扇，能讓學生不落窠臼，不限于“用電器僅能用小燈泡”的誤區。與其他用電器相比，這兩樣材料都更貼近生活且結構簡單易操作，學生可以通過觀察、動手等方式獲得直接經驗和形象記憶。如果選用其他高端電子產品則不利于學生理解。建構主義學生觀強調重視學生本身已有的經驗結構，教學活動必須建立在學生已有的知識經驗基礎上。選用生活化的材料更有利于幫助學生建立“概念和表象”，形成對問題的解釋，充分體現學生的學習過程是在教師的引導下自我生成、自我建構的，再在此基礎上拓展或深化學生已有的知識經驗，逐步形成良性的認知循環。

三、注重材料的出現及分發順序

實驗材料是科學探究活動的基石，它在使用上具有時間的優勢。這里實驗材料的結構性主要體現在探究層次的豐富性。STEM課程的材料一般都較多，教師在進行教學設計時，需要通過對實驗材料的選取和組合，確定實驗材料的呈現順序，讓學生發現和提出問題，逐漸形成材料的結構性。而不是進行到這一步時，教師直接將其發下去，學生簡單機械地拼搭。否則這就是一節手工或拼搭課，而非探究課。

在上述STEM課程案例中，部分材料應由學生自己發現并提出需要，教師再將其呈現。如，需要能夠戴在手上的LED，那么電池和燈泡就不能選擇太大的，學生自然能聯想到小號的LED燈泡和小號紐扣電池；為了節省電量提出需要開關；比較做成的LED穿戴設備的亮度，需要照度儀；等等。此外，拿到材料后也不是直接就能進行實驗探究，很多材料需要先仔細觀察它們的結構，尤其是在概念建構的過程中，比如，了解小燈泡、電池、導線的結構更有利于學生建構“閉合通路”的概念。在ADDIE的STEM課程教學模式下，還需要對最終產品進行評估。評估過程中出現的問題會再次引導學生思考材料的選擇或制作過程中的問題，從而進一步改進。只有注重材料的出現及分發順序，整個STEM課程活動過程才能層次分明，條理清晰，使學生在逐漸復雜的問題中，思維活動步步深入，促使學生進一步發現，學生的思維也伴隨著對這些材料的操作而不斷推進。總而言之，教學過程應該遵循從感知到理解、從理解到記憶，再到運用的過程。以夸美紐斯唯實主義理論為基礎建立的教學論認為，“知識的開端必須永遠來自感官”，脫離感知和理解的活動只是機械化學習，學生的思維無法得到發展，知識的運用更無從談起。

本論文基于STEM課程下結構性材料的研究與應用提出了三點建議，除此以外，材料的安全高效也是教師要考慮的。結構性材料的開發與在STEM課程中的實際應用還有很多值得研究的地方，需要廣大學者進一步探索。

參考文獻

[1]徐雯.基于工程設計的小學整合型STEM課程開發與應用研究[D].南京：南京郵電大學，2019.

[2]葉倩.美國K-12階段STEM課程標準和課程類型研究：以印第安納州為例[D].桂林：廣西師范大學，2019.