2022年冬奥会在即！清凉一夏的系列STEM冰雪课程送给你
《北京2022年冬奥会和冬残奥会中小学生奥林匹克教育计划》要求全国中小学校通过综合实践活动课程、体育课程、德育活动等方式，开展主题教育。乘“三亿人参与冰雪运动”的东风，文章作者将目光投向冰雪教育活动，并开发了系列冰雪STEM课程。
冰雪STEM课程设计漫谈
文 | 徐德亮 张丽萍
STEM教育是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，它将科学、技术、工程、数学有机地融为一体，有利于学生创新能力的培养，锻炼学生的批判思维、合作能力和创造性解决问题能力。很多学科的课程标准倡导开展STEM教育，倡导以科学的方式开展课程教学。
课程从哪里来，如何开展STEM课程教学？近年，笔者结合地区特色，先后将“智慧有机种植”“冰雪创客教育”与STEM教育有效整合，开发问题导向型综合课程，有一些心得。
冬季北方地区，冰雪对于当地学生来说尤为亲切，而冰雪文化背后的科学内涵有着很大的教育价值。
《北京2022年冬奥会和冬残奥会中小学生奥林匹克教育计划》要求全国中小学校通过综合实践活动课程、体育课程、德育活动等方式，开展主题教育。乘“三亿人参与冰雪运动”的东风，笔者将目光投向冰雪教育活动，并开发了系列冰雪STEM课程。
首先，整体设计校本课程。
STEM教育强调与学生生活的联结。笔者设计冰雪STEM课程，是从学生学习、生活的背景和兴趣出发，以项目为依托，重视学生利用互联网、智能手机、编程、开源硬件等拓展探究范围，并且强调可视化，探索学科融合，最终以作品形式呈现成果。
学生一开始设计的是单个产品，如智能扫雪工具、打雪球机器人等。随着学习的深入，学生有了一定的系统思维能力，围绕冰雪环保、冬奥、科技主题，展开动漫、冰画创意设计，冰雪小实验，小搭建等活动。
我们划分了三个学段，一、二年级为低年级，三、四年级为中年级，五、六年级为高年级。低年级学生的探究项目为小型主题雪雕和环保主题冰画，中年级学生的探究项目为彩雕、智能冰雪和冬奥系列冰画，高年级学生的探究项目为加入智能元素的冰雪小镇（乡村）和科技主题冰画。
其次，智能迭代，事半功倍。
第一阶段，产品多是利用电子元器件完成的小制作，如冰灯、建筑物、雪雕等。第二阶段，利用简单电子硬件，通过编程升级产品。第三阶段，利用传感器等智能元件，通过编程完成智能产品的制作，如智能滑雪教练机、雪地捕捞车等。
中、高年级学生冰雪STEM作品往往体积较大，学生需凿槽后再将灯饰、传感器等智能元件放入。学生在探究中遇到一个麻烦，就是实验中用220V电压供电不安全且接线距离过远。师生们在网上查找并反复实验后找到了解决办法——网购太阳能板，利用农用车拆下来的12V蓄电池加上控制器，构建供电系统。
不同年级的课程内容链接连接互通、进阶提升，这样有利于学生渐进掌握自主学习的方法，同时对于已经适应传统讲授式学校教育授课方式的教师来说，也提供了向STEM教育过渡的缓冲机会。
在课程教学中，我们制订了科学探究方案，引导学生开展科学探究实践并收集数据，使学生在跨学科学习知识、不断试错的过程中提高科学探究能力。这些在中年级学生身上体现较为明显。
例如，学生制作科技冰画，需要完成绘图、测量、上色、修改等工序，看似容易，但其实这是一个有趣又充满挑战的过程。学生用常温水调色，很快刷子就冻在冰上了。
这是为什么呢？学生开始尝试，找来了等大的冰块分别放在两个杯子里，分别注入温水、冷水放置3分钟，发现注水后冰块都浮在水面上了，温水中的冰块在逐渐融化，而放在冷水中的冰块变化不大，由此认知了凝固点、熔点和浮力。学生通过实验得出结论：调色时需要使水保持一定的温度。
如何对调色装水容器进行保温处理？在教师的引导下学生做一个保温装置以减少温度下降后的持续填水次数。学生由此不仅了解了材料，而且懂得了热传递的知识。
为拓展学生知识面，教师还就冰雪路面撒盐降低凝固点、全球气候变暖影响因素等问题进行讲解，无不让学生感受探究之妙、探究之奇。
在教师引导下，学生基于证据分析、比较、推理、分析，深入探究科学。例如，中年级学生探究冰雪清理问题，设计智能扫雪工具，将带有风扇的电动机安装在一个长方形盒子内并调整转向，反复测试相同时间内，盒子不同开口大小对收集雪量的影响及能源损耗。
学生还探究了如何利用太阳能提高工作时长等问题。基于冰雪STEM课程开展科学探究实践并收集数据，学生在既有学科知识的基础上拓展了认识，生发出新的探究问题。
冰雪STEM课堂上，教师的工作不再是对文本进行储存、分析，而是指导学生完成项目，引导学生进行跨学科项目式学习。此外，我们尝试将冰雪STEM教育与综合实践、劳动技术、信息技术、科学等学科教学融合，通过科学探究和工程实践两条路径开展课程教学，对课程内容进行趣味性改造，在整体情境中引导学生学习。我们在中年级的冰雪小镇STEM课程教学中就有比较成功的尝试。
我们组建了项目团队，科学地引导学生活动。学生在语文教师的带领下走出教室到街头调查访问，分组讨论并制订小镇规划（以思维导图梳理讨论，用数字化工具记录冰雪小镇故事）。
在科学、综合实践教师的带领下，学生设计冰雪小镇草图、冰雕电路图，并标注位置及功能，分组讨论，研究硬件分布和控制方式，拟定灯光布设和智能灯光控制方案。
美术教师引领学生将构想根据图纸进行创意物化，使学生更好地了解模型创作方法与重点、难点。
数学教师指导学生根据设计图纸，用尺子对冰雪块测量后按需切割成型，计算应用数量和镂空部分的承重力（学生利用手机在不同阶段跟踪拍摄数据采集）。
信息技术教师引导学生学习与传感器相关的知识，帮助学生建立基于“智能控制”的知识体系。学生使用编程软件结合开源硬件搭建了体感灯。完成“智慧冰雪小镇”整个工程则需要学科联动。这可以造就许多小设计师、小工程师。
“为什么用温水加少量盐冻出的冰块可以减少气泡？为什么‘冷冬’或‘暖冬’时节冰块变得易碎？怎样增大摩擦力以防止雕刻时冰块滑动？冰块间为什么用水能黏合？”在教师的引导下，学生对探究活动进行反思、优化、总结、评价，完善探究报告。
学生在历史、地理、生态等方面的知识得以发展，全过程在真实问题情境中探究，参与了科学研究的方案设计、电子传感器的搭建应用、数据探究和推测等活动，学会了流程设计、工序操作及检验，了解了人类运用科学技术改造自然，改善生活环境，充分体验探究的艰苦和乐趣。
当然，教师需要根据微创新的不同水平对学生进行有针对性引导，建立相应的标准和评估机制。
通过一点一滴的浸润，特别是活动的设计、赛事的参与，如开展“冰雪STEM网络点赞活动”激发了学生的热情。在同伴的鼓励下，学生能对着镜头自信地表达自己的想法，创作也很执着、认真。
我校每学期都评比“冰雪STEM小达人”鼓励优秀和进步学生，并从中选拔出一批优秀的作品参加校外比赛，倡导师生将本校项目和校外项目展示、竞赛、活动相结合。
值得一提的是，很多比赛评委不仅看学生们提交的作品和创作说明，而且看重整个研究过程。学生参赛时提交过程材料（如研究过程中生成的数据、图片、视频等），有利于评委了解其创新能力。
我们巧借冬季银妆素裹以及秀美风光和淳朴民情，因地制宜开展冰雪STEM教育，设计冰雪研学课程，推动冰雪STEM教育向纵深发展。学生通过一段时间的学习不仅获取了知识，而且开阔了眼界，提升了能力。随着STEM教育不断的优化，冰雪STEM课程会越来越完善，冰雪STEM的创新教育之路将不断拓宽。
（作者徐德亮系黑龙江省齐齐哈尔市碾子山区教育局信息技术研究室主任、齐齐哈尔市碾子山区第四小学副校长；张丽萍系黑龙江省电化教育馆研究室主任）
文章来源：《中小学数字化教学》2019年第4期
责任编辑：祝元志
微信编辑：李中华
监 制：朱哲
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