基于STEM教育理念的小學科學教學設計研究

摘要：《義務教育科學課程標準（2022年版）》中提出了小學科學的十三個核心概念，其中“技術、工程與社會”“工程設計與物化”是兩個重要的核心概念。STEM教育是融合科學、技術、工程和數學于一體的綜合教育，教師將STEM教育理念融入小學科學教學，可以更好地激活學生的科學思維，提高學生解決問題的能力。

關鍵詞：STEM教育；小學科學；教學設計

STEM教育是融合科學、技術、工程和數學于一體的綜合教育，以項目或問題驅動的方式進行活動，在活動中強調從多學科、多角度創造性地解決實際問題。在STEM教育理念下，教師通過創設真實的探究情境，以具體的研究項目為驅動任務，以問題為引領，通過激活學生的科學思維，引導學生綜合運用所學的知識創造性地解決問題。STEM教育注重跨學科的學習方式，強調在探究過程中展開動手實踐，學生能夠通過強化知識的運用，增加實際操作的體驗，激發學習的熱情，促進與同伴之間的溝通、協作。小學科學是一門綜合性很強的基礎課程，涵蓋了物理、化學、生物、地理、天文、數學、勞動等多學科的知識，倡導以探究實踐活動為主要的學習方式，課程內容包括物質科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術與工程等領域的知識，每個領域中都包含大量的STEM教育內容。因此，將STEM教育理念融入小學科學探究實踐中，可以強化學生的動手實踐能力，激活學生的科學思維，提高學生解決問題的能力，促進學生的合作交流，更好地提升學生的科學核心素養。

STEM教育理念的內涵是跨學科融合，突出學科間的聯系，倡導項目式學習，教師要引導學生發現問題，綜合運用多學科知識，在動手實踐中解決生活中的實際問題。在教學設計時，教師要針對學習內容，分析完成STEM教育所需要的材料、知識、技能、方法，設計出融合STEM教育理念的教學目標，明確教學流程和教學評價。

一、基于STEM教育理念的小學科學教學設計整體流程

STEM教育以項目研究為突破口，倡導學生綜合運用多學科知識，在情境中發現問題，以解決問題為目標展開科學探究。將STEM教育理念充分融入小學科學教學時，教師要以項目學習的方式引導學生在真實的情境中發現問題，在動手實踐的過程中創造性地解決問題。在進行教學設計時，教師可結合以下教學流程展開（見圖1）。教學活動主要包括觀察發現、提出問題—科學探究—工程設計—成果展示、評價交流四個環節，其中觀察發現、提出問題環節是開展STEM教育的基礎，工程設計環節是開展STEM教育的核心。各環節之間相互影響，有機融合，都注重在問題中激活學生的科學思維，促進學生自主參與探究的全過程，使學生能夠靈活運用知識解決實際問題。

觀察發現、提出問題環節需要教師創設真實的探究情境，為學生提供充足的探究資源，在此基礎上引導學生進行科學觀察、發現問題，進而提出有價值的探究問題。此環節重在激趣引思，使學生帶著問題開展深度探究。科學探究環節需要教師引導學生針對提出的探究問題展開合理的猜想，進行驗證假設，經歷“提出問題—作出假設—制定計劃—驗證假設—表達和交流”等探究的過程。此環節重在提高學生參與的主動性，使學生明確探究的任務，掌握探究的方法。工程設計環節需要教師在科學探究結果的基礎上，指導學生有效開展項目設計。此環節重在合理設計方案、進行有效指導。成果展示、評價交流環節需要教師為學生搭建展示成果的舞臺，各小組間進行評價交流，不斷完善作品。此環節重在作品展示、多元評價。

二、基于STEM教育理念的小學科學教學實踐應用

基于STEM教育理念設計的教學活動要體現出多樣化的教學方法、綜合性的知識內容、項目化的學習方式、多元化的評價方式，注重對學生問題意識、動手實踐能力、問題解決能力的培養，使學生在動手探究的過程中提高綜合素養。

（一）選擇教學內容

“太陽鐘”是蘇教版科學教材四年級下冊第2單元“地球、月球與太陽”中的第4課，它是地球與宇宙科學領域的重要教學內容。在傳統教學中，教學方法主要以講授法、探究法為主，教師將日晷的計時原理和結構以講述的方式傳授給學生，學生雖然掌握了相關知識，但沒有經歷思考的過程，主動學習意識較差。教學過程中，教師缺乏對日晷結構和原理的分析，學生并不能展開深度探究，無法體會到知識應用的價值，更無法培養科學核心素養。“太陽鐘”主題具有綜合性、實踐性、探究性等特點，開展STEM教育可以激活學生的科學思維，在跨學科學習的探究過程中全面提升綜合素養。

（二）確定學時

主題探究實踐活動是一個長周期的教學活動，本次STEM教育實踐活動需要7個學時。其中，地球自轉的狀態、北京時間、真太陽時、正南方向、地理緯度等理論知識的學習以學生自主探究的方式開展，引導學生利用網絡及建立模型開展探究，用2個學時。教師引導學生進行成果匯報與交流，使學生初步理解日晷的制作原理等，用1個學時。在學生獲得了對日晷的初步認識后，成立探究實踐小組，每組6人，共7組，然后分組開展日晷裝置的工程設計，其中包括設計、完善方案的匯報交流等活動，用2個學時。小組動手實踐，制作日晷作品，用1個學時。最后，展示與評價日晷作品，用1個學時。

（三）分析教學目標

教學目標除了常規的三個維度外，還要體現STEM教育理念的教學目標，具體列出科學、技術、工程、數學四個方面的目標要求。針對五年級學生的學習特點、認知規律和學習基礎，設計恰當的教學目標，可以為學生主動發現問題、創造性地解決問題指明方向。STEM教育理念下的課堂有別于其他常規課，要突出科學知識應用、動手實踐創作、工具技術使用、工程圖紙設計、數學實際應用等活動設計。在教學設計時，教師還要考慮為學生提供充足的探究資源。

在學習“太陽鐘”一課時，學生在制作日晷前，要明確日晷的原理、結構、樣式，了解制作晷盤、晷面、晷針、底座等的材料，知道地球自轉的狀態、北京時間、真太陽時、正南方向、地理緯度等常識；在動手制作時，會用適當的工具畫出直徑稍大一些的圓形，會用剪刀、量角器、直尺、膠水、錐子、指南針等工具，制作、黏合日晷的各個部件；在測試時，能對照制作任務方法及要求展開調試，并能做出合理的調整和優化。本課具體的教學目標設計詳見表1。

（四）教學評價設計

在教學中，教師可采用多元化教學評價，從不同維度對學生的學習能力進行綜合性評價，可以用過程性評價與總結性評價相結合的方式，提高學生的科學核心素養。過程性評價是教師對學生在STEM教育實踐活動中的參與態度、探究能力、合作意識、交流能力、加工處理能力、繪圖能力、設計能力等各維度表現進行綜合性評分。總結性評價是教師對學生提交的作品從實用效果、展示效果、耐用程度、美觀程度等方面進行綜合性評分。

（五）具體教學過程

本課是基于STEM教育理念的教學設計，因此要包含科學、技術、工程、數學四個方面的維度，從科學的角度提出問題“日晷的計時原理是什么？日晷的晷面為什么要傾斜擺放？”從技術的角度探究“怎樣確定日晷的晷面與地面的夾角？”從工程的角度利用合適的材料制作計時準確的日晷，從數學的角度設計日晷晷面的形狀、計時刻度并分清正南方位。通過創設真實的情境，學生能在科學探究和工程設計制作的過程中主動獲取科學知識、掌握探究方法、領悟科學精神。

1.觀察發現，提出問題

教師可以通過創設各種問題情境，引發學生深入思考，提出有價值的探究問題，如播放古人觀察太陽東升西落的動畫，引導學生找出旗桿影子的變化規律，學生會發現旗桿影子均速地由西向東移動。教師啟發學生思考：你能猜測出古人是怎樣計時的嗎？在學生交流后，教師出示日晷的教學模型，讓學生觀察日晷的特點，引導學生從工程師的角度思考，提出問題：日晷的晷針為什么不是垂直地平面，而要傾斜一定的角度？這個傾角到底是多少度？

2.科學探究

教師引導學生根據“作出假設—制定計劃—驗證假設—表達和交流”的環節對晷面傾角的問題展開深度探究。在作出假設階段，教師將日晷的晷面平放在操場上，學生會發現日晷上顯示的時間與標準時間相差半個小時左右，而當晷面與地面呈現一定的角度后，日晷的計時再次準確起來。這時，教師出示地球儀，引導學生觀察地軸。學生會發現地軸是傾斜的，地軸與赤道面是垂直的。通過對比觀察，學生激活了科學思維，展開了大膽猜測：日晷的晷面與赤道面平行，晷針與地軸平行，晷針與地平面的夾角等于當地的緯度。隨后，教師引導學生制定計劃，用數學方法驗證晷針與地平面的夾角與當地緯度的關系，并用模擬實驗的方法再次進行驗證，再通過交流深度理解日晷的晷針與地平面這個傾角。

3.工程設計

進入工程設計環節后，教師要對學生的活動進行適當指導和調控，使學生在確定完善的優選方案后，根據工程設計的思路進行日晷設計。晷針與地平面的傾角等于當地的地理緯度，這個角度是否準確是制作日晷的關鍵。各小組可以根據自己的方法設計日晷的外形，準確測量出這個角度。各小組沿著“確定問題—設計方案—制定標準—設計原型—效果測試—改進完善—發布成果”的思路開展日晷裝置的設計與制作。

4.成果展示，評價交流

小組成員可以分工負責匯報的內容，介紹日晷的工作原理、使用方法、測試結果、制作過程和注意事項。在小組成員進行日晷作品展示交流時，其他小組和教師要根據作品評價單進行打分（見表2）。教師要對學生的作品進行總結，指出作品的優點和設計制作過程中存在的問題。

STEM教育將科學、技術、工程、數學四個學科有機整合，加強了各學科間的聯系，能夠調動學生的探究熱情，培養學生的綜合素養。科學教師要深刻領會學科核心素養的要求，積極開展STEM教育實踐，將立德樹人的根本任務切實落實到課堂教學活動中。

參考文獻：

［1］王馮祥. STEM活動融入小學科學教學的實踐探索［J］.遼寧教育，2023（11）.

［2］李慧慧，楊文正，許秋璇.基于STEM的小學科學教學活動設計與應用案例研究［J］.中小學電教，2020（Z1）.

（責任編輯：楊強）

作者簡介：宗若燦，營口實驗學校高級教師。