基于STEM理念的初中科学概念教学设计

谢杰妹 黄静

摘   要：文章分析了当前初中科学概念教学存在的问题及原因，汲取了STEM理念的相关知识，初步确定了初中科学概念教学实施STEM教育的教学模式，并将其应用于杠杆概念教学之中。其次，结合杠杆概念教学提出了基于STEM理念的初中科学概念教学的建议和意义。

关键词：STEM教育;初中科学概念;杠杆教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）7-0011-5

科学概念是科学知识的基本组成，是科学知识结构的基础。学生掌握科学概念是发展科学能力的必要前提。因此，科学概念教学是形成学生科学概念的基本途径，是科学教学最基础、最重要的内容之一。

1    现状分析：初中科学概念教学的现状

概念教学在初中科学教学中具有重要的地位，因此，教师对概念教学也十分重视。但从师生关于初中科学概念教学的问卷调查数据统计中，发现存在以下几点问题：

1.学生方面：对我校学生进行了抽样调查，整理数据得出概念学习行为统计图（如图1）。从统计图中我们可以发现，“做大量习题学习”和“背诵记忆学习”占90%左右。那么，是什么原因造成绝大部分的学生以题海战术和强行记忆这种低效学习方法来代替对概念的深入理解呢？

2.教师方面：针对学生低效的概念学习行为，再对我县一线科学教师关于初中科学概念课教学现状进一步深入调查，整理数据得出教师概念教学行为统计图（如图2）。从统计图中我们可以发现，绝大部分教师在概念教学中，重讲述，轻建构，缺乏对概念的定位和理解，阻碍了学生思维的发展。

由于教师往往基于自己的经验和知识本位的思想对科学概念进行教学设计，落实在课堂中缺乏将先进的教学理念融入教学。所以，笔者认为汲取合适的教学理念建构初中科学概念很有必要。

2    理念选择：基于STEM理念解决初中科学概念教学问题

2015年，教育部在《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》中首次提出探索STEM教育模式。STEM教育是科学、技术、工程、数学教育的统称，倡导“以设计和探索为手段，运用科学与数学的思想，通过应用技术手段，在解决实际问题中进行知识学习”的教学模式，旨在提升学生解决实际问题的综合能力和跨学科的思维能力。

那么，STEM教育能给我们初中科学教学带来怎样的改变？作为教师，又将如何在教学中开展STEM教育。本文笔者将结合“杠杆”这个概念的建构，谈谈基于STEM理念的初中科学核心概念教学的实践研究。

3    模式确定：初中科学概念教学实施STEM教育的途径

笔者根据STEM教育理念与初中科学概念教学特色初步建立了关于概念的教学模型，如图3所示。

基于STEM理念的初中科学概念教学模式将围绕概念展开，在某一种教学情境下，教师提出核心问题，学生运用STEM四个方面的综合知识和科学探究方式进行主动研究，解决问题并最终建构概念。这样的教学模式突出知识的内在联系;鼓励学生综合运用相关知识，创造性地解决实际生活中的问题。根据以上教学模型可将教学途径分为4个步骤来进行，如图4所示。

第1步：根据概念建立问题情境。创设的情境要便于学生发现问题，并能应用STEM教育的相关学科知识，引出概念。

第2步：学生以小组为单位，运用STEM知识进行问题研究并收集相关问题的解决技术和数据，建构概念。

第3步：學生组间交流讨论，设计出解决问题的最佳方案，深化概念。

第4步：学生利用新建构的概念解决新问题，应用概念。

4    教学实践：凸显STEM理念的杠杆概念建构

杠杆是初中科学教学中的一个重要概念，下面笔者将结合基于STEM理念的初中科学概念的教学模型，以浙教版初中科学九年级上册第三章第4节《简单机械——杠杆》教学内容为例，建立以问题为中心的基于STEM理念的概念教学设计。教学流程如图5所示。

本节课对于杠杆这个概念的建构体现了STEM教育的基本要求。通过学生思考如何拔钉子，让学生理解科学、技术、工程、数学四大领域之间的紧密关系，逐步建构杠杆模型。最后让学生思考并找出当手拿物体抬起时、当踮起脚尖时人体中杠杆的五要素，又将概念与工程联系起来。具体教学过程如表1。

5    实践反思：基于STEM理念的初中科学概念教学实施建议

我们学校科学组对基于STEM理念的初中科学概念教学作了本土化、学科化、操作化的分析与实践，初步摸索出基于STEM理念的初中科学概念的教学模型和教学过程示意图，并将其应用在概念教学新课堂中。在应用实践的一年中，我们总结出了实施基于STEM理念的初中科学概念教学的几点有效建议。

5.1    “工程”的选择要适切

围绕概念引出的工程要有以下三个层次的特征：

1.真实性。教师要创设真实的问题情境，并且在工程设计过程中的问题要具有一定的梯度性，由简入深，吸引学生的兴趣。比如，在建构杠杆概念的教学中，从如何撬起木桩上的钉子到用螺丝刀怎样撬钉子更容易，问题层层深入，再通过学生三次画图建立杠杆模型。

2.学科性。工程中要包含大量的知识与技能，通过对核心问题的拆分，获得细化的知识与技能。STEM理念涉及学科中相关知识、关键概念的组织，具有跨越多个学科领域的重要性。

3.延伸性。工程的问题能够具有继续探讨和延伸的价值，有可以挖掘的潜能。比如在杠杆概念教学中，延伸到寻找生活中的一些杠杆以及人体中的杠杆等。

5.2    学科的整合要聚焦

教师要克服以往那种教学零散片段的内容和活动，聚焦概念，引导学生通过科学探究、数学计算、技术知识与技能的应用来完成工程项目。比如，在杠杆概念教学中，撬起木桩上的钉子这项工程里，涉及到圆的切线和支点，以及运用数学知识引出杠杆概念中的核心——力臂。鼓励学生在核心概念上花更多的时间深入透彻地理解，避免仅仅对教学内容的覆盖。

5.3    学生的活动要协作

STEM理念提倡以小组合作的形式解决问题或完成工程项目。教师可以根据每个学生的不同特点进行分组，每一小组里有动手能力强、数学成绩突出或者实验设计能力好的学生，这样分组更有利于学生学会如何在团队中展示自己所擅长的东西，培养学生的团队协作能力。比如，围绕杠杆概念开展的小组活动有：1.小组内选用工具撬钉子;2.小组交流讨论画出螺丝刀、羊角锤、开瓶器撬钉子时的支点、动力和阻力;3.小组探究杠杆上力的作用效果的影响因素;4.画出螺丝刀、羊角锤、开瓶器撬钉子时的动力臂和阻力臂，投影学生作品，小组内进行交流评价;5.小组内交流讨论，寻找人体中的杠杆。整堂课学生进行合作学习，参与整个STEM工程，充分体现了以学生为中心，主动建构杠杆概念的过程。

5.4    概念的应用要开放

教师应用概念迁移性地解决生活中的新问题以促进学生概念的深度学习。教师要选择着眼于生活中关于科学概念的实际问题，并迁移到学生的实际生活中。以杠杆概念教学为例，在建构了杠杆这个概念后，让全班学生做人体操体现了学与乐相结合。然后，将建构的杠杆模型延伸到寻找人体中的杠杆、展示学生作品、小组交流汇报等形式共同解决生活中的新问题，最终达成深度学习。教师在概念的应用过程中应为学生留足够的认知空间和操作空间，重视学生的体验和兴趣发展，鼓励学生的创新思维。

6    评价交流：基于STEM理念的初中科学概念教学的意义

在人类科学技术日益发展的今天，学科之间的交融越来越明显，而STEM教育涉及到各个领域的相互融合。根据STEM教育包含的四大领域的科学知识（科学、技术、工程、数学），尝试着建立了基于STEM理念的初中科学概念教学的教育体系图，如图6所示。下面将根据这个教育体系图，谈谈基于STEM理念的初中科学概念教学的意义。

6.1    变单一为综合——充分发挥STEM教育的综合性

原本的概念教学以讲述式这种单一的教学手段为主，课堂比较枯燥乏味。而STEM教育包括社会科学、自然科学、工程技术、实用数学等。因此，在初中科学概念的教学中实施STEM教育，让学生充分领会教学法的综合性，将科学知识同生活有机结合，让学生在全面学习中提升思维能力和动手能力。此外，STEM教育强调的是培养学生综合运用数学、工程、技术、科学解决问题的能力，教师对学生提出需要运用多种学科知识解决的任务，进而对学生的综合能力进行有效培养。

6.2    变表面为深层——充分利用STEM教育的开放性

传统的概念课中过于强调知识的记忆，而STEM教育更加关注知识的更新和发展，这些知识的更新与发展除了科学、技术、工程、数学等学科外，还包括科学原理、科学应用等领域。所以，基于STEM理念的初中科学概念教学更强调对概念的理解和应用，学生通过更深层的理解实现对核心概念的灵活应用。根据STEM教育的开放性内容、开放性实施，我们可以将科学概念中涉及到生物、地理方面的概念教学拓展到大自然中去，化学方面的概念教学拓展到家庭等户外场所，让学生在实践的过程中对科学概念进行深度学习，培养学生解决现实生活问题的能力。

6.3    变静态为动态——充分利用STEM教育的实践性

传统的概念教学对学科概念知识过分静态化，缺乏实践平台让学生自主发现问题、尝试解决问题，学生对教师的依赖性强。而STEM教育突破了这种模式，它将工程技术等学科知识的地位等同于科学、数学，体现了STEM教育的实践性。而在基于STEM理念的初中科学概念教学中，教师根据核心概念问题设计相应的动手活动，让学生在动手操作的过程中建构概念。并通过有效的课程组织，推动实践关注逐步取代知识关注。通过动态的实践性课程，实现学生对知识的自由获取，碰撞出更多的火花。

6.4    变“双基”为“人本”——有效利用STEM教育的丰富性

从传统“双基”教学目标—“三维目标”—“核心素养”，这样的目标定位体现了我国深化基础教育课程改革在不断的进步。在实施STEM教育中，教师设置不同层次的教学目标，帮助学生形成不同的STEM水平。因此，基于STEM理念的初中科学概念教学应根据教学内容和学生的实际情况设置不同的教学目标，让每个学生都有适合自己能力的目标，使每个学生都能在收获成功的喜悦中逐渐增强学习科学的兴趣和热情。以杠杆这个概念为例：体验用螺丝刀、開瓶器、羊角锤等撬钉子，说出杠杆在生产、生活中的价值，总结、归纳出杠杆的三条特征，并用科学的语言给杠杆下定义。教师结合学生的能力可以设置进一步的发展目标，使学生在掌握知识的基础上开展更深层次的探究。因此，教师在初中科学概念教学活动中充分借鉴和吸收STEM教育的理念、方法和内容，对提高学生的STEM素养具有重要的意义。

参考文献：

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[2]宋巧颖，黄燕燕.基于STEM教育的课堂教学设计[J].闽南师范大学学报，2017（2）：128-131.

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[4]陈锋.初中科学概念教学新范式的实践探索[J].上海教育科研，2016（11）：84-87.

[5]胡永兵.基于核心素养的初中科学核心概念教学探索[J].中学教学参考，2017（2）：79-81.

（栏目编辑    赵保钢）