STEM教育與科學教育深度融合的實踐研究

0 引言

《義務教育科學課程標準（2022年版）》提出，科學課程要培養的學生核心素養，主要是指學生在學習科學課程的過程中，逐步形成的適應個人終身發展和社會發展所需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力，是科學課程育人價值的集中體現，包括科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任等方面[]。《義務教育科學課程標準（2022年版）》繼承和發展了2017年版課程標準提出的增加技術與工程內容。STEM教育通過整合科學、技術、工程和數學學科，強調跨學科能力培養，與《義務教育科學課程標準（2022年版）》中的“技術、工程與社會”內容高度契合。

當下，提高全民科學素養，著眼拔尖創新人才培養，已經成為國家科技創新發展的現實需要。20年來，我國公民科學素質水平有效提升，公民具備科學素質的比例從21世紀初的不到 2% 到2024年達到 15.37%^[2-3] 。但公民對科學研究的過程和方法理解水平還有待提高。

近年來，學校不斷深化科學課程改革，做好科學教育加法，探索STEM教育與科學教育的深度融合，提升學生科學核心素養，培育具有科學家潛質的時代少年。通過STEM科教項目的實證實施，探索STEM教育與科學教育的深度融合路徑，對提升學生的核心素養具有重要意義。本研究通過系統記錄項目實施過程，提煉融合模式的理論與實踐價值。

1項目設計與實施概述

蘇教版科學五年級上冊第2單元“熱傳遞”中第8課“物體的傳熱本領”安排有設計并制作一個保溫盒的活動。STEM項目“設計并制作車載電加熱保溫盒”為此活動的拓展延伸。對照《義務教育科學課程標準（2022年版）》，活動主要指向“能的轉化與能量守恒”“技術、工程與社會”“工程設計與物化”等學科核心概念和“物質與能量”“結構與功能”“系統與模型”等跨學科概念。實施過程如下。

1.1 問題聚焦

以“小明的爸爸在野外工作，他需要一個保溫效果好并且能用汽車點煙器電源加熱的午餐保溫盒。同學們能幫助設計并制作一個嗎？”這一問題引發學生的參與興趣，進而引導學生了解需求，明確問題。

1.2 調查研究

指導學生利用網絡購物平臺查詢保溫盒合適的尺寸和材料、常用陶瓷發熱片的價格與參數（重點關注價格、尺寸、電壓、溫度、干燒功率等），通過多種方式了解溫控的開關原理與參數、汽車點煙器支持的功率和用戶需求等。

1.3 設計方案

這一環節旨在讓學生認識到工程的關鍵是設計。教師引導學生討論保溫盒體尺寸與材質選擇、影響保溫效果的原因和對策：熱傳導——利用泡沫板或珍珠棉隔熱；熱對流——加強盒體密封性；熱輻射—采用鋁箔粘貼內壁。

教師指導學生畫實物電路圖和產品設計圖，培養學生用圖形表達設計思路的習慣。引導學生討論并認識到元器件擺放設計需要理論結合實際，既要讓設計科學合理，又要考慮用戶體驗，如發熱器件放置于側面底部，既有利于熱對流，又不影響用戶盛放物品；接駁點煙器電源方式的選擇要考慮便捷、牢靠、可拆卸等；正溫度系數熱敏電阻器等元器件需要學生對比選擇，這有利于發展學生的科學思維。

1.4 模型制作

工程是設計方案物化的結果。學生經過一系列動手實踐環節，在解決實際問題的過程中，理解了保溫盒的產品特點，發展了實踐能力和創新能力。這里實踐的重難點包括盒體內部泡沫板裁剪粘貼如何做到嚴絲合縫、塑料盒的開孔（方孔、圓孔）工藝和元器件的焊接工藝等。

1.5 實驗檢測

嚴謹的實驗方案設計能提升學生思維的嚴密性和深刻性。同時，解決實際檢測遇到的問題，分析實驗變量控制，能培養學生的創新思維。

1）引導學生討論編寫電加熱產品說明書需要測試哪些參數，告知學生真正的產品除了測試保溫效果、電加熱效果、電加熱工作時電流外，還需要進行阻燃、防水、跌落、環保等多項測試，培養學生對工程技術的職業認同。

2）測試方案設計。重點討論如何做到只改變一個因素，其余無關變量保持一致；實驗時長多久為宜；溫度變化數據多久采集一次為宜。

3）將收集到的實驗檢測數據用Exce1或手工繪制溫度變化曲線圖，可視化的數據更有利于分析解釋，編寫使用說明書。該環節可以融入多學科知識。

1.6 改進拓展

如果說設計與制作側重學生創造性思維的培養，那么改進與拓展環節更側重對學生分析、批判等高階思維的訓練。同時，要讓學生知道，技術與工程需要實事求是，應該正確評價和對待作品的缺陷。引導學生分析保溫效果不佳的原因（如鋁箔太厚成了散熱器），增加不同保溫方案效果對比，對在保溫盒使用中發現的其他問題（如底部吸盤不好固定）逐一改進，迭代優化。

引導學生思考“這樣的產品和技術，在智慧技術與全球能源低碳技術飛速發展的背景下又有哪些拓展與應用？”激發學生進一步探究和改進，例如，加裝半導體制冷片實現制熱與制冷的切換、藍牙數顯溫度計解決遠程讀取盒內溫度的問題，在建筑環境和新能源汽車設計中應用保溫技術以節約能源等，幫助學生體會技術與工程對人們生產生活的影響和對社會進步的推動作用。

1.7 展示評價

讓學生用多種方式呈現自己的作品是培養學生綜合能力的契機。要求學生制定展示方案，制作PPT或展板，介紹設計、制作、測試過程，在智慧課堂平臺上的個人空間或線下核心素養展示活動中進行展示。用預先設計評價量表對學生進行表現性評價。

2STEM與科學教育的融合路徑分析

2.1STEM教育融入科學教育的必要性

STEM教育強調加強學生四個方面的素養：1）科學素養，即運用科學知識理解自然界并參與影響自然界的過程；2）技術素養，即使用、管理、理解和評價技術的能力；3）工程素養，即對技術工程設計與開發過程的理解；4）數學素養，即學生發現、表達、解釋和解決多種情境下數學問題的能力[4]。

這些理念與《義務教育科學課程標準（2022年版）》理念相契合（科學課程設置有“技術、工程與社會”“工程設計與物化”學科核心概念）。技術與工程素養是一種專門的素養，應該進行專門的訓練。新編蘇教版小學科學教材專門設置了若干針對技術與工程領域的主題單元和學習項目，STEM項目學習就是其中重要的組成部分。這個設計與美國的項目引路計劃類似，該計劃中STEM課程以情景學習為驅動齒輪，通過工程設計提供系統化的問題解決模式，運用科學探究來解決真實世界的問題[5]。三者關系如圖1所示。

2023年5月，教育部等十八部門聯合印發的《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》提出，深化學校教學改革，提升科學教育質量，實施啟發式、探究式教學，探索項目式、跨學科學習，提升學生解決問題能力[6]。作為技術與工程實踐活動的STEM項目學習，以工程設計為基石，強調讓學生用科學、技術、工程、數學各個領域的知識自主解決遇到的問題，不僅凸顯體驗的真實性、增加學習的意義性和趣味性，還指向科學概念的建構和高階思維的發展。推進STEM教育與科學教育的深度融合是做好科學教育加法的有效路徑。

2.2STEM項目落實的科學核心素養

在某學校開發和實施的科學教育課程圈（圖2）中，STEM課程更易與科學課程進行整合，落實科學核心素養，并且可以完全依照“科學”這一國家課程標準（界定工程設計核心概念和跨學科概念）搭建STEM教育框架體系，制定評價標準，進行有效的教學指導。該STEM案例作為科學教材安排的探究活動的拓展，聚焦技術與工程領域的學習，落實高年級學段的課程目標，見表1。

2.3STEM教育融入科學教育的模式

STEM教育與科學教育深度融合的主要實施路徑是科學探究與工程實踐整合。在小學科學課程中存在著科學探究與工程實踐兩類活動，它們看似有不少相同之處，如都要運用科學、數學知識，都要做實驗、分析數據，等等，但兩者有很大區別，科學探究強調證據一致性和理論解釋力，必須著力篩選最合理的解釋和理論，而工程設計關注問題解決方案的開發和優化。二者的共性和差異為兩種探究實踐活動的整合提供了契機。華東師范大學占小紅[認為，科學探究和工程實踐的整合主要有三種模式：1）以工程實踐為框架的整合，2）以科學探究為內核的整合，3）科學探究與工程設計并重的整合。

圖1情景學習、工程設計與科學探索的關系圖

圖2某學校開發和實施的科學教育課程圈

該STEM項目可以劃歸為第三種，強調兩者比例和重要性的均衡，利用探究到的熱傳遞知識，應用到車載保溫問題情境中。如此整合，一方面可以達到深化科學探究形成科學觀念的目的，另一方面，運用科學、數學和技術領域的概念系統解決真實情境中有意義的、復雜的問題可以為高階思維的養成提供機會。這樣的學習可以使學生有機會綜合所學的各方面知識，體驗科學技術對個人生活和社會發展的影響，使學生體會到“做”的成功與樂趣，養成通過“動手做”解決問題的習慣。

具體實施時，項目將學生可能經歷的工程設計流程上的關鍵節點作為次級主題，包括問題聚焦、前期研究、方案設計、模型制作、檢測檢驗、拓展改進、展示評價等七個要素，構成一個連續性的整體。

國際技術與工程教育家協會（InternationalTechnology and Engineering EducatorsAssociation，ITEEA）從科學探究與工程設計的整合角度出發，提出工程設計的6E教學模式，包括吸引（Engage）、解釋（Explain）、探索（Explore）、工程（Engineer）、延伸（Enrich）和評價（Evaluate）[5]。本項目借鑒該教學模式，并為落實科學思維的培養突出實驗檢測環節，見表2。

表1“設計制作車載電加熱保溫盒”落實的科學核心素養

從工程設計的執行過程來看，上述七個要素表現為七個操作流程，或者說構成學生要做的七件具體事情。具體來說，通過問題聚焦，了解需求明確任務，有哪些具體要求和限制條件；通過前期研究，突破技術難點，確定設計點；通過方案設計，將各種想法建構為一個可操作的施工藍圖；通過模型制作，將想法落到實處；通過檢測檢驗對標找差，作出調整；通過拓展改進不斷迭代優化；通過展示評價回顧整個設計制作保溫盒的過程，評價效果，提升認識。從工程設計的思維過程來看，這幾個要素不是線性的，而是前后關聯的，學生要不斷經歷回頭看的過程。

3 實施注意事項

1）在STEM項目主題的選擇上，要考慮“三適應兩遵循”，即適應學生的知識經驗、認知水平（即思維水平）、興趣特點，遵循學科規律和學習規律[8]。要從學生身邊常見的問題、話題入手，從科學課程涉及的話題入手。該項目作為科學教材熱傳遞單元實踐活動的拓展延伸，前期科學探究獲得熱傳遞知識是不可或缺的環節，該STEM項目實踐又是科學知識、方法合理性檢驗的重要途徑，這為STEM教育與科學教育的深度融合奠定了堅實的基礎。

2）教師不要過于看重學生制作的車載電加熱保溫盒模型的質量，否則容易把課程上成勞動技術課。要充分考慮小學生的實際情況，他們的知識和能力都有所欠缺，如果過分追求物化成果，可能會出現無視學生實際而刻意拔高要求，強行灌輸知識點、訓練技能點的情況。該項目重在引導學生經歷車載電加熱保溫盒從需求到物化的完整工程實踐全過程，提升學生的技術與工程素養，培養小組有效分工和合作意識，讓高階思維在真實的應用場景中真正開啟，從而提升學生的問題解決能力。

4結束語

STEM教育與科學教育的深度融合，整合了科學探究與工程實踐，有助于幫助學生認識科學的實用性及其社會影響力，培養他們的學科實踐能力，增強其科學從業意愿。科學教師應當深刻領會和把握科技強國建設與科技人才培養的時代訴求，進一步研究、實踐STEM教育與科學教育的深度融合，豐富科學教育的內涵，促進科學教育高質量發展，助力科技拔尖創新人才培養。

5 參考文獻

[1］中華人民共和國教育部．義務教育科學課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022：4.

[2]2020世界公眾科學素質促進大會召開共話公眾科學素質提升與科學抗疫[N].光明日報，2020-12-09（1）.

[3]中華人民共和國2024年國民經濟和社會發展統計公報[EB/OL]. （2025-02-28）[2025-03-22].https：//www.stats.gov.cn/sj/zxfb/202502/t20250228_1958817.html.

[4]STEM（科學、技術、工程和數學教育）[EB/OL].[2024-04-15].https：//baike.baidu.com/item/stem/2641759.

[5]黃樺.STEM教育深度融入科學課程教學的實踐路徑［J].現代教育技術，2018，28（5）：121-126.

[6]教育部等十八部門關于加強新時代中小學科學教育工作的意見[A/0L].（2023-05-29）[2024-06-12].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A29/202305/t20230529_1061838.html.

[7]占小紅．工程實踐融入基礎科學教育：內涵、目標與路徑[J].基礎教育，2017，14（3）：45-49，59.

[8]胡衛平．為培養科技創新后備人才創建高質量義務教育科學課程[J].全球教育展望，2022，51（6）：67-74.