融入STEM 教育培養學生工程技術素養

◇張 淵（江蘇：張家港市外國語學校）

隨著科技時代的到來，注重人才培養關系著國家未來的發展。STEM 教育重視學生的創新能力與實踐能力，其核心內容包括了科學素養、工程素養、技術素養和數學素養，是將科學、技術、工程、數學等全面融合的學習載體，有利于促進學生綜合素養的發展。當下，在小學科學課堂融入STEM 教育有著重要的意義，能夠幫助學生在真實的學習活動中，運用多學科的知識與方法，完成具體的學習任務，在學習的過程中獲得素養的發展。

一、基于可視思維發展，培養學生工程素養

工程素養是STEM 教育的重要組成部分，體現了學生的設計能力與動手能力。在小學科學學習中，讓學生用眼睛去看，用嘴巴去問，用耳朵去聽，用雙手去做，用大腦去思考，是實現思維發展的重要過程。但是思維又是一種隱性的認知過程，教師很難對學生思維的深度、廣度與效度進行監測，也就很難對自己的教學進行調控?？梢暬季S是學生在學習過程中，運用思維導圖、思維地圖的形式，將自己的思考過程呈現出來，從而培養學生的工程思維。

如在《種子孕育著新生命》的學習中，學生就可以運用思維導圖的形式記錄“觀察并發現種子的外部特征”的思考過程。一是用眼睛觀察，看一看教師所提供的種子顏色、大小、形狀與特征。如黃豆與花生的種子顏色不同，大小也不同，外在形狀也有明顯的差異。二是用雙手觸摸，捏一捏種子的軟硬程度，摸一摸種子的光滑程度。如黃豆的種子比較光滑，花生的種子就顯得稍微粗糙。三是用鼻子聞，感受不同種子的氣味。大部分干燥的種子氣味都不是很大，但是種子濕潤后就會發出不同的氣味。通過這樣的思維過程，學生運用圖示使思維的過程“可視”，有利于幫助學生在觀察其他種子的外部特征時提供學習支架，形成科學能力。

工程素養還表現在“技術設計”能力上，如種子內部結構的解剖過程就是一次微型的“技術設計”的過程。在這樣的過程中需要不同學科的共同參與。從美術學科看，需要學生完成解剖后將種子內部結構運用“示意圖”的形式予以記錄。從數學學科看，在進行種子內部觀察的記錄時，需要運用各種數字進行記錄，如胚芽的長度、子葉的數量等。從語文學科看，在進行匯報的時候，需要學生組織語言；在進行“技術設計”的過程中，有的需要連續細致觀察，有的需要用精準語言，有的需要使用概數。只有表達得清晰，才能讓學生概括清楚種子的內部結構。從信息技術學科看，學生在了解種子相關知識的時候，還可以到網上搜集資料。從勞動學科看，這是學生綜合勞動能力的運用。因此，研究種子的內部結構，需要不同學科共同參與，完成“技術設計”，發展學生的科學素養。

在這個學習過程中，學生經歷了三個階段。一是“設計與再設計”的階段。首先是理解。植物的生長要經歷哪些過程，學生聯系生活有著直接的經驗，但是這些經驗是不完整的，是具象的。要想完整地理解植物的生長，完成從具象到抽象的概念過程，需要學生經歷一次“挑戰”，即以種植鳳仙花為任務載體，在種植的過程中完成概念的建構。其次是規劃設計。這一學習過程是使用科學的過程。學生往往依然使用已有的科學經驗，學習借鑒家長的種植過程，試圖完成鳳仙花的種植，從而了解植物的生長變化。然后是呈現分享。在這一過程中，由于學生家庭生活環境不同，植物種植的科學經驗不同，學生的科學實踐能力不同，所獲得的鳳仙花生長樣態也不同。學生通過交流分享、對話討論，能夠逐步逼近植物生長變化的真相。最后是建構、實驗的過程。學生在對話過程中所獲得的認知是否正確，是否與植物生長變化有關，學生可以再次完善或者重構實驗，進行實驗驗證，形成概念。這是“雙循環”探究的第一階段。二是“調查與再探究”的階段。學生在經歷第一次“循環”后，通過對實驗的“設計”，體現了科學學習過程的整體性、科學性和反思性。這與STEM 教育的理論是一致的。在第二次“循環”中，首先，學生是建立假設。如對“種子的萌發和植物的生長需要哪些條件”可以進行假設，需要溫度、陽光、空氣與水。其次，學生設計調查，根據調查的結果進行驗證。然后分析驗證的過程與結果。最后進行展示，得出結論，從而完成對問題的澄清。在這樣的學習中，學生的思維得到發展，在具體的實驗過程中通過真實的學習任務進行探究，發展了科學素養。三是在兩次循環中，學生又經歷了“需要做”—“需要知道”的兩次循環，在“知”和“行”中走向了單元知識的習得，單元概念的構建，科學素養的發展。

二、基于知行走向統一，培養學生技術素養

科學源于生活，科學問題源于生活現象。如“為什么茶壺的水過了一夜就不熱了”與“地暖如何安裝才能讓冬天的房子更舒服”看似風馬牛不相及，但是涉及的問題都是“熱量傳遞”。因此，在小學科學的學習中，將科學問題與工程問題進行結合，需要發展學生的“技術素養”。就是將學生在小學科學中獲得的不同概念統一起來，同時基于不同學科的課程屬性幫助學生共同建構起一個“大概念”。

如在“種子的傳播”學習中，學生對于種子“傳播”具有一定的“知”的基礎。學生在小學1～2 年級階段就讀過《植物媽媽有辦法》的故事，在音樂課上唱過“小絨花”，在勞動課上更是接觸了很多種子，在生活中觀察過很多種子。但是種子的不同傳播方式中隱含的科學知識需要學生在“行”中進行探知。一是可以畫一畫。如學生通過觀察，將蒲公英、蓮子、蒼耳、鳳仙花的種子傳播方式畫下來，讓大家了解蒲公英是以“風”為媒，蓮子是以“水”為媒，蒼耳是以各種小動物為“媒”，鳳仙花則通過“爆炸”的形式傳播種子，從而幫助學生建構起不同種子有著不同的傳播路徑。二是可以寫一寫。學生通過觀察，用語言描摹種子的傳播方式，還可以發揮想象，編成故事講一講，再寫下來。三是可以量一量。不同的傳播方式，傳播的距離有多遠，這些傳播種子的成活率有多高？通過計算，都能從中得到啟發，獲得科學認知。四是還可以演一演。學生化身各種小種子，運用課本劇的形式介紹“自己”，在繪聲繪色的演繹中形成科學素養。這樣的學習過程，有助于學生形成“種子傳播路徑”的概念，在以后的生活中，學生遇到不同的種子，會根據種子的特點，結合植物的生長環境，發現種子進行傳播的秘密，從而利用這些知識更好地進行生產與生活。

這些不同的跨學科學習形式都需要不同學科與科學課程的有機結合，形成一體。從技術素養角度，遵循了提出問題、識別問題、做出假設、制定計劃、調查實驗、分析解釋、測試優化和評價這樣的跨學科學習過程。從STEM 教育學習模型看，強調了不同學科的有機融入，激發學生的探究意識。教師是技術素養的“設計師”，在教師提供的學習支架下，學生運用不同的“技術”進行探索、設計和實踐，最終完成了跨學科學習。STEM 教育視域下的科學素養更多的是指向學生的一種學習方式。從目標上看，小學科學跨學科學習目標指向了科學能力本位；從內容上看，指向了跨學科；從問題上看，指向了解決真實的問題；從過程上看，指向了操作實踐；從學習上看，指向了協作學習。

在“種子的傳播”學習中，從STEM 教育學習模型出發，需要學生運用多學科知識完成設計。在目標上，是根據科學單元習得的方法，根據已有種子傳播模型特征，了解更多種子傳播的方式。從高階思維發展看，學生是經歷從“模仿”到“創作”的過程，是從“具象”到“抽象”的過程，是從“認知”到“建構”的過程。在內容上，需要不同學科共同參與，讓學生在真實的情境中進行學習。在STEM 教育中，情境可以分為真實情境、虛擬情境與文本情境。教師根據不同的學習任務設計不同的情境，激發學生的探究興趣。無論哪一種情境的創設，都需要與學生的生活聯系，體現真實性。在探究過程中，學生能夠從生活中的“種子”經驗出發，走向對“種子科學”的探究。一是讓學生摸一摸種子，了解種子的質地；二是看一看種子，了解種子的顏色、大小；三是研究研究種子，通過具體的操作過程，獲得對種子的整體認知。在這個過程中，教師可以創設“小小科學家”的探究活動，讓學生化身“植物學家”“工程師”“科學家”等不同角色，經歷“科學探究環”和“生活經驗環”的交織運用，在“需要知道”與“需要做”之間走兩個來回。這樣完整的過程體現了迭代性。在學習上，指向了協作性。無論是在識別問題還是在交流反思中，都需要協作；無論是在分析解釋還是在種子傳播路徑的設計中，也需要協作；無論是在生長環境還是在種子結構解剖中，仍需要協作。因此，整個學習策略經歷了問題導向、頭腦風暴、協作溝通、思維可視化四個階段，體現了學習的可見性。

基于問題導向的STEM 教育，學習目標是整個跨學科學習的核心。在教學中，教師不能將數學素養與其他素養剝離開來，而是四者的有機統一：在學習過程中，學生的工程意識與設計能力決定了跨學科學習的路徑；數學素養則是幫助學生完成學習的關鍵。在這一過程中，學生是主體，通過兩次“循環”，學生解決問題的能力得到發展，也促進了學生在跨學科學習中走向認知與行為的統一。

三、結語

總之，在小學科學教學中，基于STEM 教育的跨學科學習，需要教師根據學生核心素養發展的要求，找到社會變革下學生學習的要求，強調問題導向，追求真實學習，倡導學科打通；找到課程標準對科學學習的要求，讓科學這門具有“綜合性的基礎課程”更好地促進“技術”與“工程”的素養落地；找到學習方式變革對學生的要求。小學科學具有知識性、實踐性。從STEM 教育視域出發，能夠激發學生對自然現象的好奇，幫助學生接納自然、接納社會、接納科學，更好地認識世界、理解科學，幫助學生端正科學態度，發展社會責任感，樹立正確的科學意識，從而提高學生的科學素養，為其長大后建設科技強國服務。