STEM教學(xué)案例的實(shí)施策略

科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，人類在與自然界打交道的過(guò)程中，為了適應(yīng)自然、改善生存條件而產(chǎn)生了技術(shù)；人類對(duì)已有的物質(zhì)材料和生活環(huán)境加以系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)、加工、建造，以滿足人們的需求，就產(chǎn)生了工程。現(xiàn)代技術(shù)、工程和科學(xué)相互影響與相互促進(jìn)，越來(lái)越密不可分，共同推動(dòng)了社會(huì)進(jìn)步。工程活動(dòng)的本質(zhì)是創(chuàng)造人工實(shí)體，設(shè)計(jì)與物化是其中的重要環(huán)節(jié)。STEM教育強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的互相融合，不僅引導(dǎo)學(xué)生從不同的切入點(diǎn)理解科學(xué)與技術(shù)知識(shí)，還讓他們用所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，解決實(shí)際問(wèn)題。由此可見，STEM教育的理念與我國(guó)科學(xué)課程改革的要求有著異曲同工之妙。

在教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，通常只會(huì)依靠從課堂上獲取的科學(xué)知識(shí)，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題還需要他們運(yùn)用綜合思維能力，在充分調(diào)動(dòng)已學(xué)知識(shí)的同時(shí)，發(fā)散性地運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)，這樣才能有效地解決問(wèn)題。由此，我們從目標(biāo)設(shè)定、內(nèi)容呈現(xiàn)、師生角色、學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)方式、評(píng)價(jià)方式這五個(gè)維度比較傳統(tǒng)教學(xué)與STEM教學(xué)（見表1）。STEM教學(xué)的特點(diǎn)是：課程目標(biāo)制訂有明確依據(jù)，任務(wù)目標(biāo)清晰；課程內(nèi)容中素材的選取貼近真實(shí)生活，并融入了跨學(xué)科知識(shí)；采用以實(shí)驗(yàn)探究和工程設(shè)計(jì)為主的項(xiàng)目式教學(xué)模式；教學(xué)評(píng)價(jià)多樣化，充分考慮了學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性；等等。現(xiàn)以“我的植物工廠”項(xiàng)目為例，探討STEM教學(xué)的實(shí)施策略。

一、明確課程目標(biāo)

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)生學(xué)情，我們制訂了如下課程目標(biāo)。

科學(xué)觀念：知道技術(shù)與工程改變了人們的生產(chǎn)和生活，種植技術(shù)的改變能提高植物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

科學(xué)思維：能比較全面地分析影響植物生長(zhǎng)的各種因素；能針對(duì)具體問(wèn)題作出假設(shè)，基于情境提出觀點(diǎn)，建立證據(jù)與假設(shè)之間的聯(lián)系。

探究實(shí)踐：查閱資料，設(shè)計(jì)并討論“植物工廠”的建造方案；能嘗試運(yùn)用所學(xué)科學(xué)原理制作簡(jiǎn)單的裝置，進(jìn)行模擬演示，并簡(jiǎn)要解釋如何提高植物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

態(tài)度責(zé)任：小組成員合理分工，在活動(dòng)中積極協(xié)作、互相幫助；積極參與展示分享，認(rèn)真聆聽其他組的匯報(bào)，相互給予意見和建議；堅(jiān)持觀察記錄，通過(guò)分析數(shù)據(jù)尋找植物工廠的不足之處并加以改進(jìn)。

二、創(chuàng)設(shè)生活化情境

STEM教學(xué)強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的融合，不僅注重引導(dǎo)學(xué)生從不同的切入點(diǎn)理解科學(xué)與技術(shù)知識(shí)，而且讓他們用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行探究實(shí)踐，解決實(shí)際問(wèn)題。因此，情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)聯(lián)系學(xué)生的生活實(shí)際，讓他們積極主動(dòng)地投入探究活動(dòng)中。

本項(xiàng)目創(chuàng)設(shè)了如下情境：我們生活在高樓林立的城市中，土地資源十分有限，卻向往著田園牧歌的生活，希望吃到綠色、無(wú)污染的新鮮蔬果，怎么辦呢？這個(gè)情境激發(fā)了學(xué)生的興趣，聚焦項(xiàng)目主題“植物工廠”。教師適時(shí)引導(dǎo)“如何在有限的空間里種植植物？如何提高植物的產(chǎn)量和質(zhì)量”，進(jìn)而提出驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題——影響植物生長(zhǎng)的因素有哪些？學(xué)生分小組討論確定各自的研究主題，開展科學(xué)探究。

三、提出驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題

驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題的提出表面看是為了解決具體的問(wèn)題，實(shí)際指向的是核心知識(shí)。這個(gè)核心知識(shí)可以是學(xué)科知識(shí)體系中的核心概念，也可以是跨學(xué)科概念。本項(xiàng)目中，“影響植物生長(zhǎng)的因素有哪些”這一問(wèn)題的提出，不僅僅是為了完成種植植物這樣一個(gè)項(xiàng)目，更為重要的是幫助學(xué)生深層次地理解學(xué)科核心概念。學(xué)生知道，要想植物長(zhǎng)得快、長(zhǎng)得好，就要考慮光照、水分、土壤、溫度等因素，進(jìn)而整理出項(xiàng)目的研究問(wèn)題（如圖1）。通過(guò)開展項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，我們希望幫助學(xué)生建構(gòu)概念：植物的生長(zhǎng)和環(huán)境息息相關(guān)。

四、重視體驗(yàn)與合作

STEM教學(xué)以項(xiàng)目為載體，通過(guò)探究活動(dòng)讓學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建知識(shí)，并應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決真實(shí)問(wèn)題。學(xué)生以小組為單位，按照一定的流程開展探究（如圖2）。活動(dòng)的每個(gè)環(huán)節(jié)都注重體驗(yàn)與合作，既激發(fā)了學(xué)生的探究樂趣，也培養(yǎng)了他們的實(shí)踐精神。

本項(xiàng)目從問(wèn)題的提出到方案的設(shè)計(jì)、從材料的準(zhǔn)備到實(shí)驗(yàn)的實(shí)施、從數(shù)據(jù)的收集整理到撰寫研究報(bào)告，都讓學(xué)生經(jīng)歷了豐富的實(shí)踐過(guò)程，如查找資料、選種、播種、種植、日常管理、收集信息等一系列任務(wù)。雖然植物的種植與觀察記錄需要很長(zhǎng)時(shí)間，但學(xué)生積極的心態(tài)和高漲的熱情支撐著他們的探究。每個(gè)學(xué)生都參與其中，對(duì)植物的生長(zhǎng)情況了然于胸，為了完成植物工廠的研究付出了大量的心血。可以想象一下：當(dāng)學(xué)生看到第一株幼苗破土而出時(shí)會(huì)是一種什么樣的心情；當(dāng)學(xué)生看到自己精心設(shè)計(jì)的自動(dòng)供水系統(tǒng)開始工作時(shí)會(huì)是一種什么樣的心情；當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的植物長(zhǎng)勢(shì)明顯不同時(shí)是一種什么樣的心情。這些持續(xù)的、豐富的學(xué)習(xí)實(shí)踐必然會(huì)給學(xué)生帶來(lái)不一樣的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，加深他們對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解。

五、規(guī)范設(shè)計(jì)與實(shí)證

科學(xué)探究實(shí)踐的過(guò)程要遵循科學(xué)本質(zhì)的實(shí)證性。我們要促進(jìn)學(xué)生按照科學(xué)的原則設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，基于證據(jù)驗(yàn)證假設(shè)并得出解決問(wèn)題的方案，讓規(guī)范的工程實(shí)踐幫助他們認(rèn)識(shí)和運(yùn)用科學(xué)規(guī)律。

本項(xiàng)目中，每個(gè)組圍繞各自的研究問(wèn)題開展對(duì)比實(shí)驗(yàn)。從設(shè)計(jì)圖（如圖3）中可以看出：學(xué)生寫出了控制變量的條件，所選材料的尺寸、數(shù)量也都有清晰的標(biāo)注。這既保證了制作的順利進(jìn)行，也為后續(xù)的反饋評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。學(xué)生通過(guò)每天收集信息可以發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，為后續(xù)的方案改進(jìn)提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

例如，有的組為了研究色光對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，把白菜分成了兩組，只改變光的顏色，其他條件保持不變。學(xué)生通過(guò)觀察對(duì)比兩組植物生長(zhǎng)的情況（植株的高度、色彩等），最終得出結(jié)論：植物的生長(zhǎng)與光的顏色有關(guān)。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生需要思考在實(shí)驗(yàn)中要改變什么條件，要控制哪些條件，怎樣運(yùn)用工程和技術(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的控制和改變，需要收集哪些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，怎樣整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，怎么對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出合理的解釋等。很明顯，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要綜合運(yùn)用觀察、測(cè)量、比較、分析、推理等多種學(xué)習(xí)策略（如圖4）。

六、倡導(dǎo)評(píng)價(jià)方式多元化

STEM教學(xué)的評(píng)價(jià)是一個(gè)系統(tǒng)性的評(píng)價(jià)過(guò)程，教師要對(duì)學(xué)生進(jìn)行全方位的評(píng)價(jià)，不僅包括原有的學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能，而且包括態(tài)度責(zé)任等方面（見表2）。

以上評(píng)價(jià)方案注重學(xué)生的自我評(píng)價(jià)和各小組的互動(dòng)評(píng)價(jià)，將總結(jié)性評(píng)價(jià)、過(guò)程性評(píng)價(jià)有機(jī)結(jié)合。它不僅重視對(duì)最后結(jié)果的評(píng)價(jià)，還注重對(duì)項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生計(jì)劃實(shí)踐、分工合作、交流表達(dá)、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題等方面的評(píng)價(jià)。