STEM引入中学选修课的思考与实践——以“升降梯”课程为例

(江苏省南京外国语学校,江苏 南京 210000)

STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四个首字母的缩写，在各国教育实践中表明：STEM教育有助于培养学生的科学探究能力、创新意识、批判性思维、信息技术能力等未来社会必备的技能与能力，并有可能在学习者的未来生活和工作中持续发挥作用。

“升降梯”课程是美国康涅狄格科学中心向中国青少年科技辅导员协会提供的3个STEM案例之一，它巧妙地将科学、技术、工程、数学四者相融合，依据美国《新一代K-12科学教育标准》，课程内容基于现实情境，有助于培养学生的问题解决能力与批判性思维，具有较高的实践价值。笔者利用18课时对该课程进行实践，现将课程实施情况说明如下。

1 “升降梯”课程内容与特点分析

1.1 课程内容

“升降梯”课程内容主要包括三个部分：“问题引入““背景知识学习”“解决工程问题”，其中“背景知识学习”主要包括力、能量、简单机械、轮轴。

1.2 课程特点分析

(1) 关注现实问题，注重在真实情境中学习

该课程的“问题引入”建立在现实问题基础之上，在学习之初，给学生创设真实问题情境，学生在真实问题解决中学习。

(2) 以学生为中心，倡导自主实践

学生在学习“升降梯”课程时，大多通过自主实践来建构知识，了解相关知识及其应用，教师主要起到引导、点拨的作用，学生学习任务与自主实践活动如表1所示。

表1 学习任务与自主实践活动

(3) 过程与结果开放

该课程对学生制作的“升降梯”结构与外观设计没有明确要求，学生需要做的就是根据所学的知识与给定的器材设计、制作模型，这样可以充分发挥学生的想象力与创造力。对于模型的评价也是多方面的，如：稳定性、成本、外观设计、机械效率等，学生结合自己的设计，撰写工程建议书，最后在班级交流、讨论。

(4) 科学、技术、工程、数学有机融合

在对该课程实施之后，笔者将该课程中涉及的科学、技术、工程、数学内容整理如表2所示。

表2 科学、技术、工程、数学学习内容

该课程将科学、技术、工程、数学进行有机融合，刚开始制作时，学生需要上网查阅相关资料(技术)，从而了解电梯的基本结构(工程)以及其中包含的物理原理(科学)，最后需要将模型以设计图的方式呈现出来(数学)。

2 “升降梯”课程实施情况与反思

2.1 课程实施情况介绍

笔者在南京外国语学校高一年级以选修课形式对该课程进行实践，参加选修的学生共18人，将学生分为5组，进行了为期18课时的实践，每次上课为两课时，每课时40分钟，具体实践时间与内容如表3所示。

表3 实践内容与课时安排

2.2 课程实施中可能出现的问题

(1) 教师随意将学生分组

“升降梯”课程以项目的形式开展，学生以小组为单位进行学习与制作，这样的安排，有利于培养学生的合作、交流能力，但是笔者在实践中发现，学生在小组合作学习过程中存在一些问题，比如：成员分工不明确、有学生无所事事等。教师在分组前应尽量了解学生，遵循“组间同质，组内异质，优势互补”的分组原则，为小组合作学习奠定基础，继而在课程上合理引导，保证该课程的有序进行。

(2) 学生随意处理成本与稳定性之间的关系

在学生制作升降梯模型前，教师需要讲解制作升降梯模型的成本问题，即从工程角度出发考虑制作成本，从而让学生建立起成本意识。但是从学生实际制作情况来看，很多学生片面追求低成本，导致升降梯很不稳定，从工程角度来看，这样的模型是极其危险的，不能成为合格的升降梯。由此可以看出，学生虽然有了成本意识，但是对于如何在成本与稳定性之间做到合理的权衡，是许多学生容易忽略的问题。

(3) 学生不习惯绘制设计图

在学生制作模型之前，教师应要求学生画出模型的设计图，但是从实践情况来看，很多学生对于设计图的重要性认识不足，大多数学生都是习惯于一边做一边调整设计图。这与书面作业不同的是，动手制作类的调整比较麻烦，有时候需要从头开始动手制作，这样不仅浪费课堂时间，而且影响学生制作积极性。所以，教师在学生制作前，一定要让学生先画好相关设计图，再进行制作。

2.3 “升降梯”课程校本化的思考

在对该课程实施结束之后，结合我校“STEM+”课程理念，笔者认为该课程可以进行以下两方面的拓展。

(1) 融入信息技术

“升降梯”课程中的知识对于学生来讲，应该是很容易接受的，学生最终基本都可以实现手动升降。受“互联网+”理念的启发，笔者觉得该课程可以适当加入电动机与编程内容，从而实现自动升降。由此将该课程与信息技术相结合，拓展该课程内容，可让更多的学生参与进来。

(2) 融入艺术

本次课程实施最后学生做出来的升降机，虽然外形各不一样，但是结构与色彩方面比较单调，笔者觉得该课程可以适当融入艺术元素，在学生加工制作的过程中，融入空间设计、外观美化等内容，实现技术与艺术的融合，同时注重学生审美素养的培养。

3 “升降梯”课程对中学开展STEM教育的启示

3.1 重视技术、工程课程的学习

STEM所包含的四个要素相辅相成，在开展STEM教育时，技术和工程课程应该有与科学课程同等重要的地位。STEM教育研究者普遍意识到在实际的社会分工中从事技术和工程的人数要远远高于从事科学和数学的工作人数，在开展STEM教育的过程中，要重新审视技术、工程课程的重要性。

3.2 通力合作，做到学科间融合

我国现行中小学有数学课程、科学课程、技术课程，但是这些课程都主要是分科课程，而非STEM所提倡的跨学科课程。我们的科学教师对科学知识(数学、物理、化学、生物等)了解得较多，但是对于STEM教育项目中涉及的技术、工程方面的内容可能不是很熟悉，这就需要不同学科教师之间多交流，互相学习。笔者在实践“升降梯”课程时，对科学知识比较熟悉，但是工程方面的知识就需要向相关教师请教，只有正确认识该课程中科学、技术、工程和数学之间的相互关系，教师才能更好地理解课程框架，从而实现课程目标。

3.3 勤于思考，积极开发STEM项目

我们现有的STEM项目大多来源于国外，虽然这些项目设计相对比较成熟，但其教学进度与教学内容等并不完全适用于国内。比如，在“升降梯”课程中用一节课的时间，让学生分析静止物体受力情况，而国内学生对该知识大多比较熟悉，所以一般不需要用这么长时间；该课程中关于“机械效率”的定义与国内物理学习的也不太一样。基于上述原因，笔者觉得广大科学教师应勤于思考，开发适合国内教学的STEM项目，让更多的学生参与进来，建议可以从下面三方面进行考虑。

(1) 在现有的课程基础上开发

教师可以在已有的课程基础上，思考、分析不同知识点之间的联系，整合其他学科相关知识，以项目的形式进行开发。

(2) 联合校内其他学科教师进行开发

可以与校内其他学科教师讨论、商量，找出不同学科之间的联系，以此为切入点，然后思考如何进行课程设计，尝试开发。

(3) 联合校外社会力量进行开发

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》明确指出：要“充分调动全社会力量关心和支持教育，完善社会力量出资兴办教育的体制和政策，不断提高社会资源对教育的投入”，以开放的教育办学理念，联合社会上非盈利的教育组织，充分发挥社会参与STEM教育的功能。