STEM教育融入小学科学课程的改革路径与实践探索

刘韬容 肖化

[摘   要]STEM教育在创新人才培育方面具有显著优势，为我国当前小学科学课程的改革创新提供了新的视角。为了促进STEM教育与小学科学课程的有机融合，可从教学情境、课程教学和课程评价三个方面采取以工程设计为主线的改革路径。小学科学教师可参考“太阳能热水器”项目教学实例进行实践探索，在科学课堂教学中深度融入STEM教育。

[关键词]STEM教育;小学科学课程;工程设计

STEM（科学、技术、工程和数学）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STEM知识有机地融为一体，有利于学生创新能力的培养[1]。在我国小学科学课程的改革创新中，如何深度融合STEM教育，是现阶段小学科学教师面临的重要实践课题。

一、STEM教育融入小学科学课程的改革背景

1.时代需求：青少年创新实践能力亟待提升

进入21世纪以来，我国制造业快速发展，规模已跃居世界第一，但科技创新力量薄弱，成为制约我国跻身制造强国的瓶颈。2019年，虽然我国在全球创新指数排名中已升至第14位，但是依然与我国劳动力总量第一和经济总量第二的国际地位不相符合。为提高我国的整体创新力，应从提升青少年的创新实践能力入手。而我国的小学科学课程长期未受到足够的重视，在培育青少年创新实践能力方面没有发挥应有的作用。为此，小学科学课程改革已成为时代需求。

2.新教育推动：STEM教育的优势不断彰显

STEM教育作为新兴的跨学科教育，重视真实、有意义、有挑战性的问题情境创设，强调学生在动手、动脑、动口过程中合作解决问题、提升核心素养。已有研究表明：STEM教育有助于激发学生对科学探究和工程实践的热情，培养学生解决问题、团队合作和创新实践的能力以及坚韧的毅力，使学生最终获得STEM领域的核心能力，发展终身学习所需的核心素养[2]。STEM教育正是因其独特的创新人才培育优势而逐渐在全世界得到推广。

3.国际趋势：新科学课程标准对技术和工程教育高度重视

纵观国内外科学教育的改革与发展，高度重视技术和工程实践是许多国家科学课程标准的重要特征。美国于2013年发布的《新一代科学教育标准》，将工程实践和科学实践合并为“实践”，与“跨学科概念”“學科核心概念”一起作为新标准的三个维度，同时将工程设计提高到与科学探究同等重要的地位，提倡工程设计与科学探究深度融合[3]。美国新科学标准对工程实践和工程设计的高度关注，有力地推动了STEM教育在美国科学课程中的实施。我国也在最新出台的《义务教育小学科学课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）中新增了“技术与工程”，与物理科学、生命科学、地球和宇宙科学一并成为小学科学的四个内容领域，并建议教师在教学实践中开展STEM教育[4]。这是我国首次在科学课程标准中明确STEM教育在小学科学课程中的重要地位。由此，小学科学课程成为我国基础教育阶段普及STEM教育的重要载体。

二、STEM教育

融入小学科学课程的改革路径

如何将STEM教育有效地整合到小学科学课程中？探索符合发展需求且更易“落地生根”的改革路径，是解决这一问题的关键。新课标明确指出，工程的关键是设计，工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动[5]。可见，工程本身就是有机整合科学、技术和数学的学科。实践表明，引入工程设计思路的教学策略能有效促进STEM知识的融合，且科学探究与工程设计的整合最适合我国基础科学教育的发展[6]，年龄越低的学习者越能从这种整合中获得更高的回报[7]。因此，工程设计是将STEM教育融入小学科学课程的突破口。

工程设计是工程的核心，是工程师解决实际问题时采用的一套系统化的思维模式，与科学探究的重要性等同。工程设计没有固定的模式，但是通常包括明确问题、确定方案、设计制作、改进优化与再设计等思维流程。工程设计也没有现成的、唯一正确的解决方案，因此具有反复性、开放性和创新性的特征。借鉴工程设计的思维流程，可梳理出STEM教育融入我国小学科学课程的改革思路：以工程设计为主线，从真实情境中提出满足现实需求的工程问题，通过设计需求驱动知识探究，再将所学科学知识和已知限制因素应用于设计、制作和优化解决方案中，并以适切的课程评价有效检测学生的学习收获。这种改革思路充分体现了科学探究与工程设计的相互增益。

综上所述，从教学情境、课程教学和课程评价三个课程要素可以凝练出以工程设计为主线的改革路径：真实的工程问题情境—基于工程问题解决的教学模式——多元化课程评价（见图1）。其中，多元化课程评价包括项目评价、同伴评价和标准化测验。

1.真实的工程问题情境：有效连接STEM教育与科学课程

工程设计的问题源于生活中的需要，最终又运用于生活。因此，有效连接STEM教育与科学课程的问题情境应凸显其真实性、工程性和知识性。真实性指问题源于真实世界的生产生活，并基于学生已有的经验。工程性指从情境中提出的问题是为了满足人类的现实需求和期望，且解决方案需要综合考虑现实的制约因素，如要经济、耐用、方便和安全等。知识性指解决情境中的问题要蕴含课标所要求学习的知识。

例如，《科学探索者》是美国最权威的研究性教材，在每章开篇处都营造了真实的问题情境以引出一个需要解决的工程问题。如在“功和机械”一章开篇创设了“几千年来，机械一直是人们的好帮手”的问题情境，然后提出“自己动手制作一辆起重机模型”的任务，这样就使STEM教育与科学课程自然地连接起来。

2.基于工程问题解决的教学模式：促进STEM教育与科学课程的融合

基于工程问题解决的教学模式是以工程设计为主线的项目教学法，包括三个主要环节和七个教学步骤[8]。该模式的主要特征是依托工程设计思维流程，将背景知识的探究和工程问题的解决串联起来，促进STEM教育与科学课程的融合。