基于STEM的小学科学课堂教学例谈

(江苏省南京市锁金新村第一小学,江苏 南京 210042)

1 引言

美国《新一代科学教育标准》强调将知识学习与生活实践结合起来的STEM教育，用于解决真实世界中的问题，在我国也兴起了STEM教育热，STEM该如何融入本土教育，如何与新课标结合，服务于日常科学教学？笔者分享了应用STEM教学策略前后课堂的对比，结合STEM教学特点，探讨提升学生探究力的有效途径。

2 教学对比

2.1 “搭支架”的常规教学

师：请同学们以小组为单位，搭建一座既高又稳，承受力大的支架。

生1：高、稳还要承重力大？

生2：那怎么测试承重力？

师：拿书放上面测试。

学生领材料，设计草图，动手操作，部分学生合作呈散漫离群状。教师来回巡视，不停督促。快下课时，学生交上来各种形式多样、造型奇特的支架。

课堂反思：本课的教学任务是搭建一座“既高又稳，承受力大的支架”，但学生的作品效果却不甚理想，教学目标并未如愿实现。纵观课堂，本课提问容量大、不聚焦，脱离学生现实生活，也没有给学生提供明确的学习支持。至于塔的高度、稳定性、承重力三者该如何协调，也缺乏有效衡量标准，故无法综合评价学生作品。

在学习了STEM教学理论后，笔者有了新的实践思路，重新构思了“搭支架”一课的教学设计。此次，笔者设置了具体的教学目标，以增加支架承重力为焦点，并创设“支架变形”这一生活中常见问题情境，激发了学生解决实际问题的愿望。与此同时，为学生提供了有效的学习支持和评价方式，让探究细致化、深入化、生活化，重新开展了教学。

2.2 改进后的“搭支架”教学

图1

2.2.1 问题源于生活

师：前几天，老师在网上买了一个这样的挂物架，可用一段时间后，问题来了，请看如图1的实物照片，你们看出来了么？

生：架子有点变形了。

师：好！今天老师想和大家一起在课上解决这个问题。

学生充满好奇，情绪被调动。

图2

师：为了便于大家研究，老师制作了一个模型(出示吸管架模型,如图2)。我们先来测测目前它的承重力。

教师演示：放一个光盘在上面，架子塌了。

师：我们要增加它的承重力，最后要能承受得了一盒钩码的重量，想不想来挑战一下？

学生觉得不可思议，但跃跃欲试。

片段说明：作为第二课时，学生已掌握在平面的情况下构建三角形、增加支架稳定性的知识。本课正是从亟待解决的生活实际问题出发，引导学生在真实情境中展开探究。考虑到课堂教学实际和STEM的特点，为方便操作，教师先建立模型，与学生共同研究。

2.2.2 方案设计导向明确，支持学习发生

教师用课件出示评分标准，并为不同组提供数量相同的吸管、大头针，钩码等材料。

评分标准如下：(1) 作品承载1盒砝码得60分，每增加一个钩码加5分。(2) 每减少一根吸管的用量加5分。(3) 在规定的20分钟内完成，提前1分钟加1分，超时10分钟成绩无效。

学生根据评分标准交流设计方案，方案如图3所示。

图3

片段说明：为学生提供方向明确的设计依据，学生在时间、耗材尽可能节约的情况下重点聚焦于“承重力”，让学生的思考有方向，同时对学生的设计不做过多评价，在多方案共存的现实情境中激发学习兴趣，通过对后期支架的承重测试来帮助学生自主发现问题，优化方案，从而解决问题。

教师指导学生将自己的方案付诸实践，组织搭支架比赛。

学生兴趣盎然，在真切地体验到三角形结构在稳固形状方面的显著效果后，不时发出惊呼声和赞叹声，即使挑战失败，也不甘示弱，主动要求再设计。

时间一到，所有组都完成了对支架的加固，和以前一节课只做几个造型奇异的支架相比，课堂效率明显提高，学生们带着解决问题的主动性，在比赛中充分发挥了自己的聪明才智。

2.2.3 评价反馈多元、开放

师(找出承重测试最高组A、D和最低组B的作品，手持三个支架)：对比一下，成功或失败的关键是什么？

学生意识到成功组的三角形结构比较多。

师：多在哪里？

学生交流分析后发现，支架的每条腿上，每个面上都有两个三角形结构，这样的设计承重力更强。

生1：老师，如果再给我们点时间，我们肯定做得更好，我们刚才第一个交，我们的材料得分和速度得分都是冠军。

同组生2补充：对，我们的设计并不是相邻两条腿之间的连接，而是1、3连接，2、4连接，这样更节约材料。

师：细看他们C组的作品，节约材料，设计具有创意，但对增加支架承重效果不显著，其原因在于这里并没有完整的三角形结构。你们的设计很有创意，下面我将备用的材料送给你们，请你们发现问题，优化方案，在原来基础上继续研究。

老师综合成本得分，选出推荐的如图4所示的作品D，图中每个盒中放有6个钩码，它利用三角形增加支架的承重力。进而引导学生又回到解决生活中的架子承重力不理想的问题上。

图4

图5

师：根据这个作品的启示，大家怎么帮我解决挂物架问题呢？

学生交流分析，认为应增加几个三角形，轻松得出如图5所示的解决方案。

图6

片段说明：学生分析数据，在体验和反思中积累经验，从生活中来，并回到生活中去，鼓励学生用多种方法解决现实中的问题。

2.2.4 联系生活会迁移

师：以这个桌子为例，如图6所示，联系我们刚刚的实验，你能说出为什么这样设计吗？

生：每条腿上都有两个三角形，这样可以显著增加桌子的稳定性及承重力。

师：还有谁要补充吗？

生：每个三角形都很小，这样在保证稳定性的同时还可以节约成本。

片段说明：联系生活中的应用，帮助学生识别并准确提取有助于得到结论的信息，说明桌子的每条腿上都有两个三角形的设计在生活中确实有其存在的意义。

3 案例反思

3.1 前后两课对比分析

“搭支架”一课常规教学与STEM教学的相关特点总结如表1。

表1

STEM教学是基于任务情境的、学生主动参与探究的动态过程，能更好地让学生的探究能力得以体现。在日常教学过程中，需要一线教师深入思考，科学应用。

3.2 基于真实问题解决的STEM教学策略

3.2.1 精心创设问题情境

在应用STEM教学策略的科学课堂中，需要教师创设真实的问题情境，引导学生感受科学的现实性，感受其在生活中的重要性，激励学生内在的学习动机。

对比前后两次教学，第一次教学设计脱离具体情境，“搭支架”的目的、用途不明确，学生的学习也缺乏热情和章法；在改进后的教学中，解决“生活中支架易变形”的真实问题被转化为一系列的学习任务，开展基于真实问题情境下的探索式学习，学生的探究积极有效。

3.2.2 在问题解决的过程中提供有效的学习支撑

应用STEM教学策略于科学课堂中，需要教师引导学生在问题解决的过程中习得相关知识技能。在本课中，学生已有在平面情况下，构建三角形、增加支架稳定性的知识经验，因此才能去解决生活中立体支架的问题。

3.2.3 跨学科、课内外融合解决问题

STEM教学是多学科整合、课内外融合的一种教学方法，其课程要求提供给学生们一些数学和科学知识。在本案例中，不仅包含“三角形最稳定”的科学原理、成本计算和数据处理等数学方法，还包含了如何改善支架承重力、优化制作工艺等工程技术问题。这些内容和使用的技能、实验方法都与学生正在学习的科学课程、综合实践课程内容相对应。笔者有意识地将数学和科学课程中的内容联系和整合起来，引导学生寻找最佳问题解决方案。

3.2.4 解决问题的结果多元可迭代

在应用STEM教学策略的科学课堂中，允许有多个答案，对失败作品的重新设计也是学习的一个必要部分，失败被认为是发现和设计解决方案过程中的必经阶段。在本课中，学生能够在活动中建立承重力与耗材之间的关系，最终就这两者的关系形成自己的最佳解决方案，这就是成功。测试优化也是应用STEM教学策略重要环节，本课中学生即使测试失败，也不甘示弱，主动要求优化方案，进行迭代式设计。

4 结语

应用STEM教学策略的“搭支架”一课，取材简单廉价，操作方便高效，通过学生分析、解决问题的过程，在日常科学教学中体现了STEM教育的理念。一线教育工作者应客观认识STEM教育的特点，结合现状，深入学习，勤于实践，为STEM理念的本土化开展探索出有效的途径，以利于学生科学素养的培养。