4个问题，帮你从零开始设计STEM课程

作者简介：吴向东  特级教师，广东省名师工作室主持人，教育部国培计划首批专家，华南师大教师教育学部兼职教授。现致力于推动深圳市龙岗区人文引领的A-STEM教育项目，和主持有关批判性思维的教育部重点课题。

STEM是当下国际教育改革的潮流，它强调学以致用，是锻炼学生用理工科知识技能解决真实问题的实践性课程，这样的课程可以弥合知识学习和应用之间的裂缝，真正锻炼学生的批判性思维、合作能力和创造性解决问题的能力等。但怎样着手设计STEM课程呢？刚开始接触STEM的新手教师，最先遇到的往往是不知从哪里下手、课程从哪里来的问题。

笔者在推动深圳市龙岗区人文引领的A-STEM教育（A-STEM是STEM的一种变式和发展）的过程中，也经常被这样询问。为此，本文对笔者多年来在这方面的经验做了一些梳理，通过四个方面的提问来帮助教师们着手设计STEM课程。

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着眼学生：我将教谁？

我要教的学生是哪个社区的学校、哪个年级、哪个班的？他们的家庭生活背景是怎样的？他们目前整体的学科学习水平是怎样的？他们日常生活中接触的是什么，对什么感兴趣，以前接触过哪些STEM活动，或者价值观是怎样的……

如果通过展示STEM项目来吸引学生的兴趣，哪些活动可以把他们吸引进来，让他们感到自己也可以去做类似的学习活动？他们的实际能力有可能解决哪些问题？通过一定的训练后，他们有可能挑战哪些较难的问题？学校及社区的自然环境和其他物理环境有助于开展哪些STEM项目？

根据学生学习和生活的背景和兴趣来产生STEM项目，就是回归儿童生活，这是STEM的出发点，也是归属。

有一次，笔者在学校院墙边寻找适合学生拓印的树叶，一位一年级的小男孩手里捧着10粒左右的蓝色小果子，举起手给笔者看：“老师，好多蓝莓！”顺着学生的指向往院墙上看，院墙上长满了爬山虎，爬山虎的叶子掉落了不少，在一些裸露的茎秆上，蓝色的小果实一小串一小串地挂着，的确像蓝莓。

正值带领一年级学生学习“植物”单元，该单元包括：我们知道的植物、观察一棵植物、观察叶、这是谁的叶、植物是“活”的吗、校园里的植物。这个单元无论是知识还是观察活动都非常浅显，有些内容难以激发学生的兴趣。从发现学生在院墙上找爬山虎的“蓝莓”开始，我们注意到完全可以把这个索然无味的“植物”单元变成兴趣浓郁的有一定深度的观察。既然STEM课程着眼于学生，不如把学生从教室里带出去，让学生四散到院墙边，贴近观察爬山虎，去了解爬山虎的奥秘。

同时，将平板电脑发放给学生，教学生如何用拍照的方法近距离拍摄爬山虎的“脚”、叶脉的细脉结构及其他细节，学会用APP识别植物、了解植物等。学生有了许多发现，不仅仅是爬山虎的“脚”，还有教师与学生在交流中生成的“为什么”。于是，一年级的“爬山虎”A-STEM课程就这样逐渐展开。

2

立足教材：哪些内容有可能设计成STEM课程？

教师最熟悉的莫过于教材了，与教材内容相结合是寻找STEM内容的最佳捷径。教材大多编排为循序渐进掌握知识的教程，看一看手头的教材，哪些内容有可能设计成STEM活动？

比如小学一年级科学课中有关于观察校园植物和常见小动物的内容，这些仅仅是观察了解和获取知识的内容，能否根据学生兴趣，设计成更深入的探究“为什么”和应用知识去“怎样做”的解决问题的活动呢？经常这样思考，往往可以激发出灵感。

深圳市龙岗区特别强调课程的重构融合性，在《深圳市龙岗区A-STEM课程建设指导意见》（以下简称《意见》）中指出，要“立足国家课程标准对现有教材内容进行重构，同时融合真实的现实生活情境与跨学科内容，突出把知识获取和应用统一到一个项目实践中，注重学以致用”。以下是融合重构的几个策略。

（一）学科内，将按知识顺序编排的线性教程，转换为以解决问题为线索的开放性课程

比如在小学科学的能量单元，教材的编排顺序是：电和磁、电磁铁、电磁铁的磁力（一）、电磁铁的磁力（二）、神奇的小电机、电能从哪里来、能量和太阳。这样的编排反映了从电磁转换知识到能量转换知识的递进学习，采用的学习方式是用一个实验揭示一个知识点。在转换为STEM课程时，我把前面4课的内容转换为一个4课时的挑战性STEM项目：用身边找得到的材料，设计一个磁力最大的电磁铁，并要求学生用实验证明到底是哪些因素在影响电磁铁磁力的大小，是怎样结合这些因素制作电磁铁的。

这样的转换，同样把有关电磁铁的知识点囊括其中，把知识获取和应用融合在一个长周期的项目中，不仅弥合了知识学习和应用之间的裂缝，加深了学生对知识概念的理解，更锻炼了学生的批判性思维和解决问题的能力，增加了知识迁移的可能性。

（二）学科间联动，同时开展相同的主题互促

一天，美术老师说，我们在一年级一起试试昆虫主题吧。笔者作为科学老师，结合动物单元让学生多观看昆虫的视频，如《微观世界》，带学生多观察校园里的各种昆虫；语文老师带领一年级的学生读《昆虫记》的绘本，并结合科学课上的观察，把语文的“看图写话”变成根据现场观察的“看虫写话”；美术老师教学生画昆虫，用昆虫的外观和一些功能来启发创意设计，比如设计瓢虫外形的家具等。

大半个学期下来，原本松散的多个学科联动，逐渐显现出了成效。一大群昆虫学家出现了，设计理念中融入昆虫外观与功能的一大群设计师出现了，“看虫写话”的小作家出现了，比如公蚕蛾死后身体断为两截，是怎么回事？课堂对话和文字间表现出的对蚕的爱护和同理心，对蚕的生活习性的疑问和批判性思维等展露无遗。

学科间对同一主题相互联动的结果，学生对昆虫的了解更深了，带来了语文写话、科学观察、美术设计的相互促进和成长。

（三）在解决问题中实现跨学科深度融合

学科间的联动是基于相同主题的，可以让学生在不同学科中各自收获。而跨学科融合是基于问题解决的，因为要解决复杂的现实问题，一个学科的知识不足以支撑，就需要其他学科知识的介入，一起协同解决问题。

语文老师一直在鼓励学生观鸟写周记，学生发现公园中的鸟儿越来越少了，这是什么原因呢？是公园里修剪植物引起的？还是农药的喷洒引起的？还是季节变换引起的？科学老师指导学生对鸟的习性做研究并做科学调查，当聚焦于在公园里锻炼的人多且播放音乐声太大这个原因时，学生的争论来了：“不大声播放音乐锻炼，不足以释放身心，不能只为了鸟的生活，人也要生活！”

一个涉及科学和人文社会的两难问题摆在面前，学生各自的证据和观点都期望把对方压倒，除了期望公园里人流变少、噪音变小之外，有没有其他途径呢？科学提供调查方法和证据，语文基于人文观念和同理心做价值选择，批判性思维让所有的学生深度思考，两个学科各展其能，深度融合就有了开始。

3

基于课标：哪些内容标准可以采用工程挑战的方式学习？

课标中的内容标准规定了要学哪些知识，根据我们对学生情况的了解和生活经验，我们要思考课程标准中的哪些知识可以融入工程活动中去学习。

比如小学科学课标中的“材料具有一定的性能”，如果只是学习知识点，介绍各种常见的材料，如金属、塑料、陶瓷、木材、纸张等就万事大吉了。但如果是要用某些材料的性能做出某些功能的制品，那就要设计成工程项目了。

比如做一个保温装置，看谁上学时带来的冰融化得慢。这样的工程挑战活动，不仅了解了材料，还把温度及温度如何传递的知识也融入其中，实现了通过一个工程活动去学习多个知识内容的目的。这样的活动就是将知识的获取和应用融为一体的STEM活动。

STEM课程强调工程实践，用技术与工程的方法解决现实难题，具有相当高的挑战性。但在我国中小学科学、数学类的课标中，工程与技术方面的内容是相当少的，学生很少有机会动手做个什么制品或用工程的方法去解决什么生活问题。但科学类课标中的很多内容，比如关于声、光、电、热、磁、材料、力和简单机械的知识，本身就是工程的基础，把这些知识点的学习融合到解决工程问题中去并不难。

比如，学习物理学中声音的知识，可以融合到制作吸管笛这类小巧发声的玩具或乐器制作中。还可以结合生物学中有关听觉器官的学习，研究“兔子耳朵为什么这么大”这样的问题：做不同动物的耳朵模型，在耳道孔处放置手机，把手机话筒放在耳道孔中间，打开智能工具箱APP中的分贝计，保持安静，在几米远处打开另一个手机播放恒定分贝的声音，检测不同大小、不同形状、不同材料设计的耳朵模型收集声音的本领。

这是一个典型的应用模型方法的工程实践，高质量的STEM项目需要重视模型的学习和应用，通过因果关系的调查和实验让学生发现变量之间的关系，形成科学模型，而后应用这个模型去理解和分析需要解决的工程技术难题。

模型在美国新一代科学课程标准中属于跨学科概念，也是龙岗区建设A-STEM课程所强调的，通过这样的工程活动理解跨学科概念，不仅有利于STEM各门类知识之间的联系，还可以增加工程活动的严谨性，减少随意性，与课标对接，避免“热热闹闹，啥也学不到”。

4

呼应时代：哪些内容需要更新或补充？

课标和教材是专家们多年研发的结果，但整个世界在高新科技的驱动下变化太快。课标和教材的开发和更新基本要用10年计，相对于时代发展来说，科学和数学类课标和教材的滞后性就难以避免。这就需要学校和教师思考：哪些内容是与时代相呼应的，是先进的和需要补充的？补充这些内容，甚至可以引起对课程的全面重构。

比如小学信息技术教材长期以教Windows和Office的操作为主，而人工智能、物联网早已大行其道，不学编程显然是不行的。2010年开始，我们在全国率先为小学生开设Scratch搭积木式编程课程，部分取代了小学信息技术教材。时至今日，在国家教育政策的影响下，搭积木式编程已经成为国内小学信息技术教材的基本内容。

再如小学科学中，电路的学习用到的是小灯泡，但市面上的照明装置早已被LED代替，如果学习电路还用小灯泡，显然已不合时宜。

另外，物联网中大量使用的传感器模块，也完全可以加入到以两节干电池做电源的电路中，让电路可以通过声光电磁等传感器做些控制，使简单电路变得有些“智能”，再与不同颜色的LED进行组合，还可以设计成鲜艳的电子艺术作品。

如此等等，一个全新的、智能感和艺术感十足的“智能”电路设计的STEM课程就可以开展起来了。再进一步地，如果科学教师与信息技术教师合作，加入Micro:bit、掌控等开源硬件和编程，一个个真正包含有智能设计的STEM课程就会不断生发出来，使课程能更紧密地与智能时代接轨。

在《意见》里，龙岗区鼓励教师结合时代需要开发STEM课程，将人工智能、物联网、大数据、机器人、VR/AR、电子艺术等内容设计为全新课程内容。特别是关于智能技术的内容，对小学、初中和高中各阶段提出了具体的要求，到了高中阶段“要熟练使用各种先进实验设备和计算工具，对编程工具、开源软硬件的使用达到的一定熟练程度，并具备一定的创造性解决问题的能力”。在研究的技术手段上，“将先进的信息化研究手段，特别是数字化研究方式、模拟实验手段和数据处理技术等纳入课程内容，以发展学生的计算思维，帮助学生适应高科技的学习、工作与生活环境”。

指向学生、教材、课标和时代的四个方面的提问是指引教师创建STEM课程的思维策略，其实质是期望教师做观察学生生活的有心人，做时代的先行者，克服科学与数学类课标和教材的滞后，克服分科的局限，善于与其他学科教师协作，锻炼自己的批判性思维，大胆对现有课程内容进行创新性重构，在STEM项目中与学生一起进步成长。

STEM课程已经在国内外蓬勃开展，网上已积累了相当丰富的课程资源，善于搜索，善于学习借鉴，善于加入有关STEM的网络社群去寻求帮助，设计自己的STEM课程将不再困难。

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文章来源丨中小学数字化教学

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《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。

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