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基于STEM理念的科学课教学

文  |  邓翼涛  朴蕾

近年来，随着教育改革与科学教育发展，STEM教育逐渐受到人们的关注，相关研究加速增长。2017年教育部颁布的小学科学新课程标准指出，小学科学课程是一门基础性课程、实践性课程、综合型课程，强调领域间的相互渗透和联系。从STEM教育的发展进程看，跨学科整合性是STEM教育的发展趋势。跨学科意味着，STEM教育将重心放在特定问题上，强调利用科学、技术、工程或数学等学科相互关联的知识解决问题，跨越学科界限，从多学科知识综合应用的角度提高学生解决实际问题的能力。

然而，当前的科学课教学缺乏工程类课程的实践空间，很难对学生进行系统思维训练，学生的工程和技术素养较低，难以自觉主动地从应用技术和工程的角度思考问题。我校地处中关村高科技核心地带，大多数学生来自高知家庭，普通的科学课已经不能满足他们的学习需求。基于此，学校结合实际情况，对科学课进行了基于STEM理念的改革。

一、构建基于STEM理念的科学实验室

STEM教育涉及跨学科整合、项目式学习和以学习者为中心等内容。其中，跨学科整合指的是，明确科学、技术、工程和数学每个学科的侧重点：科学重在发现探索，技术侧重发明革新，工程强调集成建造，数学强调逻辑推理，在工程项目中解决真实情境的问题时，各学科知识既各自独立又相互渗透，跨学科综合应用，培养学生的综合素养。

项目式学习是一种动态的学习方法，学习者在学习过程中主动探索现实世界的问题和挑战，获取知识并体现解决实际问题的技能，领会更深刻的知识和技能。学生以团队形式完整地经历项目各阶段的持续互动，经历复杂推理、思辨决策、远端迁移等错综复杂的问题解决过程，创生意义，获得知识与技能，不断发展实践应用能力、迁移创新能力和跨领域合作沟通能力，逐渐形成学科观念和思维方法。以学习者为中心是指，建构主义强调学习者的主动性，认为学习是学习者基于原有的知识经验主动构建的过程。

基于此，科学实验室的构建，要以学习者为中心，结合生活中有趣、有挑战性的问题，建立教学者、学习者和环境的交流平台，使学习者动手实践、尝试合作并解决问题，提高解决问题的能力。基于此，我们从科学实验室的教育内容、受众、目标等维度思考，明确基于STEM理念的科学实验室定位。图1为基于STEM理念的科学实验室构建的总体框架。

图1 基于STEM理念的科学实验室总体框架

科学实验室的教育内容是实验室建设的核心，结合STEM教育理念，构建科学实验室整体知识体系，打破学科壁垒，以学习者为中心，形成以问题驱动或项目研究为出发点的知识学习路径，以技能、思维培养为依托，促进学习者综合能力的提高和科学素养的培养。在这一过程中，我们的研究重点是如何将STEM理念贯彻到科学实验室建设中，如何将STEM 理念与科学课程和科学实验室建设相融合，而且，明确STEM理念下小学科学实验室的基本定位，厘清STEM理念下小学科学实验室教育内容构建的框架体系，探究STEM理念下科学实验室的有效教育活动。

例如，教学“探究帆船运动的密码”一课时，先利用教师提供的材料构建组合配件，运用工程师思维，简单快速地做出3D立体模型，探索真实的问题：不同形状的船帆与风力之间的关系，激发学生的兴趣与创作潜能，建立学生的观察、逻辑与空间概念，提高问题解决能力。

构建学生的整体知识体系，需要把解决问题或项目实施中使用的多学科知识有机融合起来，形成教育内容相关的知识线、知识面或知识体。因此，在科学实验室中进行教育活动实践，要根据科学教育当前工程类课程缺乏实践空间、工程和技术素养较低的现实，结合科学探究思维和工程设计实践，以学习者为中心，结合课程设计模式，提高学生科学素养，从教学设计的角度探索落实STEM理念的有效教育活动。

二、基于STEM理念的科学课教学课例

STEM教育倡导真实的问题情境，鼓励学生结合自身经验采用创意发明、实验设计或手工制作等方式开展项目式学习。我校尝试将STEM理念融入传统科学课，重视学生技能素养的同时，紧抓知识学习的落实，用更生动、更深入、更灵活的方式帮助学生通过参与获取直接经验，增强对知识的深层次理解。

01

开展“形状与结构——小小建筑师”的教学

结合六年级科学“搭高塔”一课，我们将STEM理念融入教学进行课程设计，开展了“形状与结构——小小建筑师”的教学，共2课时。本课以高塔为何稳定不倒为起点和归宿，引导学生从真实世界中的高塔图片出发，像工程师一样，用代币计算造价，经历发现问题—将问题可视化—设计方案—调试改进—解决问题的过程，在培养学生工程师思维的同时实施探究性学习过程，落实科学知识的学习。

第一步：引入。教师出示世界知名高塔的图片，带领学生观察它们的形状与结构，并提问：你喜欢这样的高塔吗？为什么？

第二步：出示并分析材料。工程师在设计高塔时要先建立模型，教师提出课堂上建塔可用的材料有吸管、纸胶带等，由学生分析：这些是很好的建筑材料吗？为什么？学生观察吸管形状，动手探索进行拉拽，教师则出示框架结构，分析三角形的受力情况，思考工程师为什么喜欢用三角形结构。

第三步：出示任务，由学生设计、搭建高塔。学生使用给定的材料，限时五分钟搭建一座50 cm高的塔。搭建一座不容易倒的“高塔”，是对前一活动研究结论的应用，也是一个持续研究的过程。

第四步：购买材料，重建高塔。教师进行防风测试，由学生购买材料，重新搭建高塔。购买材料时，货币用“代币”表示，调动学生学习的积极性。

第五步：展示高塔成果。将探索的结果与最初的设想进行比较，加深学生对高塔不容易倒塌的道理的认识。任务完成用币少、做得好的学生分享经验，让学生在自评、互评、教师评价中提高交流能力和合作能力。

随着STEM课程的不断深入推进，越来越多的学生参与到科学课的STEM教育活动中。在实践中，面对生活难题和疑惑，学生尝试运用在STEM化的科学课中学习的工程师思维创造性地解决问题，如开展北京市5种常见树木吸附大气颗粒物的能力调查、楼宇智能电子火灾逃生指示装设计、便携式微型温室气体采样箱的设计及对北京不同土壤类型温室气体的检测等。

尽管在推动STEM教育时遇到诸多问题和困难，但其倡导的跨学科学习、项目式学习弥补了分科教学的不足，促进学生的智慧成长，也为学校教育改革提供了新的可能。因此，我校师生将继续努力，不断释放STEM教育的力量，构建促进学生智慧生长的校园，提高学生的科学素养、综合素养和创新能力，让他们更加脚踏实地，稳步地前进。

02

开展“从鸟喙的功能看进化之旅”的教学

结合六年级科学课教学内容，我校开展了关于“鸟喙”的STEM课程学习，共3～4课时，主要是让学生在理解进化论后动手设计并制作“鸟喙”。学生通过亲身经历思考、探索和制作的过程，理解实证理论的内涵，培养工程师思维，提高创造性解决问题的能力。

首先，介绍达尔文和进化论。达尔文是英国生物学家、进化论的奠基人，在其著作《物种起源》中提出了生物进化论学说，从而摧毁各种唯心的神造论以及物种不变论。在《物种起源》一书中，他系统阐述了进化学说，论证了两个问题：一是物种是可变的，生物是进化的；二是自然选择是生物进化的动力。

其次，出示鸟类图片，让学生观察喙（坚硬的壳状嘴）的不同。通过观察白头海雕、丹顶鹤、白鹈鹕、黄嘴栗啄木鸟等图片，学生讨论获知鸟类的喙与其食性密切相关。短而直的喙是食虫的鸟的，强大、末端有弯钩的喙是主要以鸟兽等为食的鸟的，有长而直的喙的鸟主要以鱼虾为食，有强直且尖锐的喙的鸟以昆虫为食，扁的喙以杂食性鸟居多。这个时候并不要求学生进行归纳，但要让学生能将鸟类名称和其食物性质相对应，说出鸟类的特点。

再次，宣布任务、材料和评价量规。教师要让学生观察给定材料，每人选择制作“鸟喙”的材料，比一比单位时间哪个小组制作的鸟喙吃得多，检验“鸟”在野外生存的情况，计算他们制作的鸟喙吃进的食物量占食物总量的百分比，观察班里能吃进食物总量最多的“鸟喙”的构造。之后，出示材料，如筷子、塑料勺子、塑料叉子、硬纸板、宽胶带、塑料饮料瓶、剪刀、热熔胶枪、皮筋、毛根、小木棒、塑料袋。然后，明确评价量规，这可由师生共同完成，从制作和使用模型、分析数据、运用的数学知识、论据中的论点、联系模拟测试、调查等方面进行评价。

最后，执行任务。当学生初步制作好鸟喙后，可以到其他组观摩和观察。这时教师提问：其他组同学设计的鸟喙与你们组相比有什么优势和劣势？其他组同学的鸟喙是模仿哪些鸟类？是捕食较大的动物，还是较小的动物，抑或是杂食性的？之后，进行评估和改良，观察哪些设计是有效的，哪部分需要重新设计与完善，是否在吞食食物的咬合过程中出现困难？测试过程中，教师宣布下列要求：每人拿一个大小相同的纸杯，这就相当于鸟的“胃”，用于储存“食物”。测试考查的“食物”必须在“胃”里才算数。测试分四部分，每组在每次15秒时间用于捕捉“食物”。教师计时，或由小组长完成这个任务。

最重要的是，比赛后要通过观察进行总结和反思，带领学生观察班里设计较好的几个“鸟喙”的构造，从形态和坚固性等方面进行点评。通过归纳可以发现：什么样的鸟喙适合吃什么样的食物？制作中的哪些材料是必要的，制作“食道”起了什么样的作用？哪个小组制作得最好，为什么？拓展思考：让学生观察镊子、尖嘴钳、汤匙和起钉器，归纳每种工具各像什么鸟类的喙。

由于本课具有一定的难度，允许每个学生选择一个问题向教师请教，教师则尽量用提示性问题来回答，尤其是要提示学生进行思考的出发点。这一过程中，教师要鼓励学生模仿真正的鸟喙来完成制作。另外，材料一经选定，每人只允许进行一次添加或变更，学生可利用头脑风暴法设计和制造鸟喙。教师适时提问：如何模仿制作鸟喙？首先考虑使用什么样的材料，然后思考需要用几片材料拼接制作鸟喙？怎能让鸟喙更好地吞食圆形食物、长形食物······

（作者邓翼涛、朴蕾系北京市海淀区中关村第一小学教师）

文章来源：《中小学数字化教学》2019年第3期，文章结构有调整

责任编辑：孙建辉

微信编辑：李中华

监      制：朱哲

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