基于STEM教育理念下小学科学教学设计的应用

曾晓华

摘要：《义务教育小学科学课程标准（2017版）》（以下简称新课标）首次提出STEM教育理念应用于小学科学教育。小学科学课是一门实验课，要求动手实操和教学的情节、内容相辅相成，恰好就是STEM教育最好的实践平台。根据学生的能力特点，设立不同的教学目标，采用不同的教学手段进行课堂教学，才能真正实现有效的STEM特色课堂，培养学生的工程思维。

关键词：STEM教育理念；小学科学；工程思维（解决问题的思维）

一、背景介绍

新课标中将科学的学习提前至一年级，并明确将小学科学课程界定为“一门基础课程”，可见小学科学课程已经成为与语文、数学相当的课程了。新课标中首次提出了STEM教育理念。STEM是科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）、数学（mathematics）的简称，是当今世界各国提倡的新科学教育理念。STEM教育的核心就是解决问题的思维，也就是工程思维。STEM 教育中强调教育工作者不再过于关注学科界限或者将重点放在某个特定学科，而是将重心放在解决特定的工程问题上，强调利用科学、技术、工程或数学等学科的知识共同解决问题，实现跨越学科界限、从多学科知识综合应用的角度提高学生解决问题的能力。与传统科目语文、数学不同，小学科学课是一门实验课，要求动手实操和教学的情节、内容相辅相成，恰好就是STEM教育最好的实践平台。下面结合科教版六年级上册第二单元形状与结构5.《做框架》（以下简称《做框架》）的整个教学过程，浅谈STEM理念在小学科学课堂教学设计中的应用，为将STEM整合融入我国科学教育、改善科学教育课程设计提供一個参考视角。

二、教学实录

环节1.借用前概念调研提出工程问题，落实工程问题

前概念调查问卷

1.下面属于框架结构的是（ ）

[A B C]

2. 你认为下列属于框架结构的特点是（ ）

A.有许多拱形

B.只有四边形结构

C.中间都是镂空

3.你认为以下几种图形哪种最稳固（ ）

A.长方形 B.三角形 C.梯形

4.老师邀请你们小组挑战班级立体框架设计建造大赛。请你们小组讨论怎样才能搭建一个最强的框架？需要解决什么样的科学问题和工程问题？还有什么需要注意的？

工程目标：用木条建造一个形状不限的立体框架，使用框架承托重物。

工程限制：26根木筷，30根橡皮筋

工程挑战：承重同样的大小材质相同的课本，比比谁的框架承重数量最多。

设计意图：对学生的前概念进行摸底，同时根据基本概念的摸底，教师可针对本班情况及时作出学习活动的调整。问卷的第二部分从基本调研直接跳到项目要求，开课就提出项目要求，引导学生用解决问题的思维去思考。在思考的同时，需要解决的问题便一一浮现，例如，“什么是框架结构”“哪种框架结构好”“要用什么搭建”“搭建技术要点是什么”……一开始就提出需要解决的问题，学习的目的更明确，有利于提高课堂效率。

环节2.在学习搭建技术的过程中突破搭建技术（T）难点

微课《如何连接木条》布置为课前前置学习，课堂上重温一遍后即时对学生目前的掌握情况进行统计。学生自由投票，教师统计结果。如大部分同学还没掌握，则现场一起再学习。如大部分学生掌握则可以进入下一部分（个别同学未掌握，可以向小组其他同学学习，也可以由教师进行个别辅导）。

设计意图：在前概念摸底时，学生已经发现要解决的问题就是怎么搭建（T），和搭建的哪种结构更稳固（S），需要成本控制（M），才能解决整个工程（E）问题。而在第二个环节微课《如何连接木条》学习，就解决了该工程问题搭建的技术（T）难点。

环节3.在动手实践过程中探究学习科学重点知识（S）

1.通过埃菲尔铁塔和小丑电线塔寻找框架结构共同点，给出框架结构的定义。

2.请同学们分别搭建一个三角形和一个四边形框架，并测试验证这两个框架哪个更稳固。

3.请学生为四边形设计加固方案。

4.探讨加固四边形中斜杠的作用

学生探讨四边形的加固方案并展示，并讨论分析哪种方案更好并尝试解释原因（使四边形会变成两个三角形）。

设计意图：科学学习的本质之一就是发现事实，通过对比研究得到工程问题中科学概念“框架结构”（S）的定义，通过在动手实践探究中发现斜杠在四边形加固过程的作用，使学生理解为什么斜杠可以使四边形变稳固的同时，加深对科学概念“三角形具有稳定性”的理解，解决工程问题中的科学知识（S）。同时“三角形具有稳定性”也是四年级数学（M）的课程内容。

环节4.在设计中运用数学知识（M）控制工程成本

挑战立体框架设计建造大赛

1.设计并绘制立体框架的搭建方案。

工程目标：用木条建造一个形状不限，能够承托书本这类重物的立体框架。

工程限制：26根木筷，30根橡皮筋

工程挑战：承重同样的大小材质相同的课本，比比谁的框架承重数量最多。

设计意图：了解工程目标，根据工程限制，运用科学（S）和技术（T）进行设计，解决工程问题，结合数学知识（M）控制工程成本，设计一个合理的立体框架的工程搭建方案。

环节5.完成工程建造（E），并挑战承重

小组合力搭建立体框架，教师巡堂，个别辅导。

各小组来进行框架承重挑战——“比比谁的框架才是真正的承重之王”

学生上台展示小组工程成果，并挑战。学生和教师随机点评。

设计意图：动手搭建立体框架是《做框架》的工程目标。以工程建造的成果作为学习结果，也是STEM教育的另一大特色，也是整合多学科学习与评价的切入点。评价过程中不仅要关注学生对学科知识的深度理解，科学性解释及其迁移运用，还要关注学生的劳动意识、技术运用、人文积淀、审美情趣等素养。评价多元化，可以是学生的自我点评，学生之间的相互評价，还有教师的点评。

环节6.分享与感悟

学生分析分享做框架的秘诀，感悟在整个工程问题解决过程中的收获。

设计意图：根据浙江省小学各学科教学建议中有关小学科学教学的第13条“探究不是唯一的学习模式”，我认为分享与感悟也是很好的学习模式。通过分享，引导学生加深“三角形具有稳定性”的理解，引导学生将关注点从建造框架的兴奋回归到建造立体框架的过程，感悟如何解决问题，获得解决问题的能力。

三、教学反思

传统科学课堂的教学方法单一，造成了有的学生喜欢科学但讨厌科学课的尴尬局面。STEM教育具有整合性、体验性、探究性、合作性等特征，通过实践给学生带来亲身体验，对培养学生的创新精神和实践能力起到积极的作用，是符合小学生学习特点的教育方法，也给小学科学课程改革提供了新的思路。

STEM教育倡导的工程思维被视为创新必备的逻辑思维能力，也是国外一直以来研究的重点。从教育的角度而言，解决问题的思维应该覆盖到每一个教育阶段，应该从小进行有意识的培养和构建，帮助学生从小就理解和体会个人、事件和社会的关系，获取解决问题的能力，从而未来可以迎接各种复杂的问题和挑战。

理念决定行动，正确的教学理念产生合理有效的教学行为，引领正确的教学设计。本课的教学设计结合从科学、技术、工程、数学四个方面开发适合学情的教学活动，从工程问题的提出到工程的完成，全课6个环节可分成两个课时进行，引导学生高阶思维与积极情感的投入，解决复杂的工程问题，训练学生的观察力、语言表达能力、小组合作精神和动手能力思维，从而全面提升学生的知识、能力和科学素养，很好地体现了STEM的教育理念。

在将STEM教育引入小学科学课堂的同时，要注意小学不同年级的学生特点，有侧重点的进行教学，不能局限于STEM教育项目的形式，而是要根据学生的能力特点，设立不同的教学目标，采用不同的教学手段进行课堂教学，才能真正的实现有效的STEM特色课堂，培养学生的工程思维。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准（2017版）[M].北京：北京师范大学出版社，2017.

[2]黄晓，李扬.论STEM教育的特点[J].江苏教育研究，2014（15）：5-7.

[3]王智红.STEM教育理念对小学科学教学的启示[J]. 小学教学研究，2017（20）：15-16.

[4]范眉云.小学科学模型制作中渗透stem教育的有效策略探究[J]. 新课程（上），2017（07）：130.

[5]沈香.浅议如何实现STEM教育与小学科学的融合[J]. 科学大众（科学教育），2016（04）：69+57.