新书速递 | 跨学科教学，培养学生综合能力，美国STEM课程这样做！
导语
近年来，STEM教育在世界范围内兴起，并受到了中国学校、家长的热捧。它整合了科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的基础知识和思维方法，通过解决真实问题，融合了写作、社会学、艺术等学科内容。它旨在通过跨学科教学，培养学生综合看待问题、解决问题的能力。
今天小编为大家带来的这本书，提供了大量的课例，更直观地介绍了什么是STEM教育。
《美国STEM课例设计（小学卷）》
陈如平 李佩宁 主编
教育科学出版社2018年4月出版
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内容简介：本书的课例设计按年级分类，每个年级有8个或10个课例。每个课例都从课程背景与目标、课程领域、建议年级、建议时间、课程任务、教学过程等维度进行介绍。教学过程充分体现设计思维和科学研究过程，鼓励学生通过小组合作完成任务。此外，本书每个课例都配备了评价量规，用于指导教师和学生明确高质量学习要求。同时，教师和学生也可以结合自身实际，一起讨论制定评价量规。
目录：
第1章 一年级STEM 课例
一、黑暗中的艺术品——感知世界的触觉
二、慢下来与停下来——摩擦现象的定量测定与应用
三、舌尖上的色彩——视觉、味觉的感知与创造
四、谁咬了我的柠檬蛋糕——感知世界的嗅觉
五、仔细听，咚咚响——初探振动发声的规律
六、纸造型设计——初识材料与受力
七、制作轮子——从身边现象探索本质
八、助我扬帆——你的设计实用吗
第2章 二年级STEM 课例
一、玻璃球轨道——掌控速度与时间的规律
二、光和影——寻找与控制科学现象中的定量与变量
三、火山喷发——运用科学现象，发现科学规律
四、轻轨消声——设计制作消声屏障
五、外星动物——环境如何塑造生命形态
六、纸牌屋——识别边界，不断改进
七、撞上之前停下来——初探减速运动
八、隐藏自己——保护色与仿生应用
第3章 三年级STEM 课例
一、太阳科学家——对照实验的设计与实施
二、超级跷跷板——平衡极限挑战
三、盒子吉他——弦的振动频率与音调
四、建造高塔——严格条件下寻找最优解
五、跨越河道——解决问题的多种思路
六、气象学家——设计并制造研究工具
七、你听我说——声音的定向传递
八、创设一个外星人故事——创造性写作
九、创造外星人物品——打破常规思考
十、遮风挡雨——材料性能测试
第4章 四年级STEM 课例
一、究竟是液体还是固体——非牛顿流体初探
二、防震高塔——地震和建筑物设计探究
三、海上航行Ⅰ——模型设计中的不断改进
四、漂浮的胡萝卜——密度变化的规律与应用
五、设计游乐场——想象并动手付诸实践
六、神奇的植物——科学实验的设计思路
七、水乳交融与油水分离——环境与人类活动的平衡
八、硬纸板自动机——初探机械和艺术的交集
第5章 五年级STEM 课例
一、纸飞机——工程技术文档写作
二、海上航行Ⅱ——力的分解与应用
三、绘制校园地图——STEM project
四、桥梁悬臂——像工程师一样思考
五、去火星——探讨宇宙飞船安全着陆的方法
六、设计热卖的音乐盒——人人都是产品经理
七、物竞天择 “噬”者生存——从鸟喙的功能看进化之旅
八、拯救企鹅——热传导系列课
第6章 六年级STEM 课例
一、保护鸡蛋——工程设计中的冗余与容错
二、方寸之间，稳如泰山——运动与平衡
三、风力使者——我是小创客
四、海上航行Ⅲ——创客初探
五、接骨手术——STEM+X，我是医生
六、小工具与大问题——精确量具的设计、制作和标定
七、信息的加密与传递——密码学初步
八、星星有多远——苍穹上的几何
附录：认知的深度等级工具简介
参考文献
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《美国STEM课例设计》的由来
我国基础教育偏重分科教学的现状不利于学生综合运用所学知识解决问题，不利于学生寻找学习的动机与兴趣，也不利于学生多元智力的发展。《基础教育课程改革纲要（试行）》明确指出，“改变课程结构过于强调学科本位、科目过多和缺乏整合的现状”，“设置综合课程，以适应不同地区和学生发展的需求，体现课程结构的均衡性、综合性和选择性”，“加强课程内容与学生生活以及现代社会和科技发展的联系，关注学生的学习兴趣和经验”。
伴随跨学科整合课程的巨大需求，美国的 STEM 教育理念进入公众视野，并得到了中国教育界的巨大关注。但是，广泛关注的背后也存在一些问题，例如：
2015 年，美国教育联合会（American Education Federation） 常务副主席麦克·乔治先生访问中国教育科学研究院，双方共同探讨了 STEM 教育的未来和目前的这些乱象。最后大家共同决定将美国的 STEM 课程与教学实例编撰成书，帮助我国的教育工作者深入理解 STEM 教育，并为愿意尝试 STEM 教育的教师提供用于教学的课程。本书中所列的课程主题均来源于美国中小学，书中所呈现的教学流程或是我们在美国跟班听课后对课堂的再现，或是我们对美国教师的教学计划的翻译，或是我们与美国教师共同备课后的成果产出。
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对 STEM 的深入认识
许多了解 STEM 的教育工作者都能说出 STEM 的基本含义，即 STEM 是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的英文首字母缩写。它是一个偏重于理工科的领域，强调多学科的交叉融合。但是人们对四门学科以哪个为主以及整合的方式方法等问题很少能说清楚。这种现象很正常，STEM 是一个新的概念，而且是一个快速发展的概念，这样的特征使得我们很难用准确而简洁的语言将其描述清楚。为了便于读者对 STEM 有更深入的认识，我们接下来探讨以下五个方面的问题。
第一个问题：四门学科以哪个为主？这 个 问 题 从 美 国 2013 年 颁 布 的《下 一 代 科 学 课 程 标 准》（Next Generation Science Standards）中可以找到答案。《下一代科学课程标准》作为美国科学课程的专项课程标准，其重要性可与《州立共同核心标准》（Common Core State Standards）比肩。这份科学课程标准从三个维度对各年级的科学教育进行了界定，即学科核心概念、科学与工程实践和跨学科思维。其中，学科核心概念相当于我们教材中的各个知识点；科学与工程实践是关于如何将所学的知识应用于现实生活、研究现象或解决问题；跨学科思维则是让学生体会学科之上的思维方式，如因果思维、结构性思考、系统化思维、模式化解决、规模比例与数量思维等。显然，《下一代科学课程标准》期望教师将学科核心理念与科学研究的内容或工程相结合，进而转化为学生的能力与素养。综上所述，问题的答案呼之欲出，四门学科要以科学或工程作为整合的核心。
第二个问题：科学如何整合其他学科？这个问题的答案我们可以从科学家的故事中寻找。每一个人也许不止一次观察到高处坠物这一现象，却只有牛顿这位伟大的科学家深入研究了这一现象，并发现了万有引力。高处的物体坠落是一种自然现象，因此，科学家就是以研究现象为主要工作的人。他们研究现象，提出问题和假设，寻找变量，控制变量，进行实验，得出规律并验证，这就是科学家的工作思路。科学就是靠这样的研究流程来整合其他学科内容的。
第三个问题：工程如何整合其他学科？同样，这个问题我们可以从工程师的工作中找到答案。工程师是一个很广泛的职业类型，有 IT（互联网技术）工程师、石油工程师、航天工程师等。但是我们发现，即便是 IT 工程师，也有软件工程师和硬件工程师之分，而这两类工程师的工作存在巨大的差异。到底是什么要素使得这些来自不同行业的人都被称为工程师呢？答案显而易见，这些人都是解决问题的人，他们解决问题的思路是基本相同的，即提出问题、界定问题、制定解决方案、落实方案、落实过程中发现的新问题、再次界定问题、制定新的解决方案……直到问题彻底解决。这是一个多次循环的过程，叫作工程设计循环。工程就是靠工程设计循环来整合其他学科内容的。
第四个问题：技术是什么？技术在当今社会中广泛存在，我们并不陌生。在课堂上，我们可以将技术狭义地理解为通用技术和信息技术，广义地理解为帮助教师和学生达成 STEM 课程学习任务所使用的各种实体或非实体工具，它是教师提升学生信息素养的重要实现方式。
第五个问题：美国教师是如何理解 STEM 的？什么样的课程是 STEM 课程？这个问题我们同许多美国教师和校长探讨过，结果发现，课程的主题并不是判断的标准，教师对 STEM 课程的理解也有狭义与广义之分。对 STEM 课程的狭义理解就是指那些体现科学研究流程或工程设计循环的整合课程，还包括由科学现象和工程问题衍生出的培养学生想象力和创造力的课程。对 STEM 课程的广义理解就是那些在 STEM 相关学科中设计了动手环节（动嘴、动耳都不一定动脑，但动手一定动脑），并设计了足够的或想象，或挑战，或创新，或创造的学习环节的课程（目的是让学生将所学快速转化，学以致用）都可以视为STEM 课程。STEM 教育的目的是让更多学生对科学和工程产生浓厚兴趣，以便将来攻读 STEM 相关专业，毕业后成为相关行业的从业者。因此，从动机角度出发，让学生有充分的兴趣是在设计 STEM 课程时必须要考虑的。
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建构主义、认知的深度等级工具与 STEM 课程设计
STEM 教育是建构主义学习理论的产物。建构主义认为，知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得的。因此，建构主义学习理论认为，“情境”“协作”“会话”和“意义建构”是学习环境的四大要素或四大属性。这四大属性与 STEM 教育理念相吻合，并和美国的 4C 核心素养（沟通交流 communication、合作协作 collaboration、批判性思维与问题解决能力critical thinking & problem solving、创造创新 creativity）紧密联系。因此，在 STEM课程中，学生获得知识的多少取决于学生在头脑中建构有关知识的能力，而不取决于学生记忆和背诵教师讲授内容的能力。这与传统以教师讲授为主的教学形式大相径庭，所以我们不能把 STEM 课程当成传统的科学课或劳技课来教。
不过，虽然学习是学生的自我建构过程，但是单纯的学生自我建构是不可能完整的，教师的引导作用非常重要。教师需要通过向学生提问进行引导，使学生积极思考；学生通过回答问题使思考的深度逐渐增加，最终完成建构。我们注意到，美国 STEM 教师非常善于使用认知的深度等级工具（depth of knowledge levels，简称 DOK Levels）来构建 STEM 课程中的提问。这一工具是诺尔曼·L. 韦伯博士在布卢姆教育目标分类法基础上生成的，用于检验学生对所学内容是否达到应有的认知水平和知识深度。本书附录中介绍了韦伯博士的认知的深度等级工具，请读者阅读体会。如果你熟悉布卢姆教育目标分类法，那么你设计的提问可以更加细分和精确。
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本书如何使用
STEM 课程的效果取决于 STEM 教师的知识储备和跨学科整合、设计能力，同时还需要不断启发学生，使之具备开放的思路、沟通合作能力以及较强的动手能力。STEM 教育知易行难，需要我们在实践中解决问题。
在本书中，每个 STEM 主题都以教案的形式呈现，STEM 新手教师可以直接参考教学过程完成备课和讲授。在这个过程中，教师要关注以下问题。
（1）STEM 课程主题跨越多个学科，一名教师不可能做到样样精通，因此优秀的 STEM 教师首先是一个学习者，能够快速学习，熟悉该主题领域尽可能多的知识，同时借助互联网的资源进行资料整理和备课。所以，快速地检索、收集、整理、学习未知领域的信息，是一名优秀 STEM 教师的必备素养。
（2）每个主题的导入是学生构建知识的基础，教师需要重视。导入内容越宽广，学生的知识构建就越有效，而这些都能够很好地反映在学生的最后产出。
（3）每份教案中教师的提问都是经过深思熟虑的，教师要结合认知的深度等级工具来看待每一个问题，深入体会问题属于哪一个等级，然后逐步学习自己设计高阶问题，促进学生思维发展。
（4）每个主题至少有一个任务。对于这些任务，有的教师凭想象认为难度很大，学生不容易完成，因此在教学实践中降低难度。我们通过实际的课程实施发现，难度下降与否与学生的产出并无太大关联，因此不应随意降低任务难度。
（5）每一个任务都会有一句简洁的语言来描述任务内容，教师要带领学生逐字逐句地审读。这和平时学科教学中的审题不同，不但要思考任务条件的限定要素，还要得出任务条件的不限定要素，如此才能更好地完成任务。
（6）学生对实验材料的好奇心往往是巨大的，在传统实验课上，教师不发话，学生不能动实验器材。我们认为，堵不如疏，STEM 教师不但要尊重学生这种好奇心，而且要利用学生的好奇心带领学生仔细分析每一个任务所提供的材料的可能用途与用法。
（7）为便于 STEM 教师对课程进行评价，本书每个主题都预制了评价量规。这种形成性的评价方式能够帮助教师对 STEM 课程实施效果进行评价，教师不能忽略评价量规。在熟悉评价量规的内容后，教师可以对其进行适当的调整，甚至可以和学生一起制定评价细节和要求。
（8）在 STEM 课程中，反思的环节至关重要。反思时不能泛泛地谈情感上的体会，而要具体地说成功的原因与需要改进之处。允许失败、允许犯错是 STEM 课程的特色，学生需要从失败中总结经验来获得未来的成功。
（9）许多主题可以重复讲授，学生再次挑战会有更多的收获。
（10）基于东西方文化的差异与本土化的考量，一些主题内容在编辑的时候做了少许本土化的改良，教师在实际授课时可以做更多的思考与调整。
（11）本书为了面向更广泛的学校群体，在课程选择上有所取舍，课程所使用的材料都是身边容易获得且较为廉价的，甚至是校园中、生活中的回收品，这也符合环保的理念。此外，STEM 教育是一个内涵快速发展的概念，所以本书并不能百分之百地反映 STEM 教育的全貌和各种新进展。
（12）本书中给出的建议年级是参考年级，学校可以根据本校教师水平、学生情况酌情调整。
（13）本书列举了一至六年级的 50 个课例，各位教师对书中 STEM 课例的学习和课堂的复现并不是最终目的，我们希望这些课例能够让教师对 STEM 教育有更深刻的理解，转变教育教学方式，促进学生的创造性学习和自身的专业发展。
文章节选自《美国STEM课例设计（小学卷）》一书，教育科学出版社2018年4月出版。微信编辑时文章略有改动。
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