基于STEM教育在小学科学课堂融合的探索与研究

蒋红

摘要：学生的综合素质培养离不了有效地课堂组织形式。针对目前小学生科学课堂存在的问题，本文将秉承综合性理念的STEM教育引入传统的科学课堂，介绍了其内涵的同时提出基于STEM教育的创新教学活动设计，将6E教学模式与协作探究模式相结合，并在具体案例中应用。本研究不仅能有效提高学生对科学课程学习的兴趣，而且给学生带来了不一样的学习体验。

关键词：STEM教育;科学课堂;课堂融合

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）34-0079-03

1 引言

目前我国小学科学课程知识内容注重于经验和过程，以单学科讲授式教学的传统课堂是无法把重点落实到培养学生自主探究和协作学习能力的问题上，也无法高效地将理论知识与实践生活相联系。因此，在面临综合处理问题时，学生学到的知识与技能难以运用于实际，就会表现出能力欠佳。现阶段STEM課程教育正在各地如火如荼开展，其传入无疑是对我国综合性人才的培养和劳动力水平的提升产生了积极作用，但不是每个教育阶段都适合或者说有能力有条件开展STEM教育。在基础教育中，STEM教育给传统中小学学校带来全新的理念冲击的同时也给学生带来不一样的学习体验，其中包括由传统教室走向户外，从分科教学走向融合，自知识获取到知识运用等等，然而如何将原作为分科课程的数学、物理、科学和技术等整合为一门综合课程是我们中小学教育从业人员值得深入思考的。

2 起源及内涵

STEM教育是集科学（Scince）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的多门学科首字母缩写，其起源于1986年美国国家科学委员会所提出的科学、工程和数学教育集成战略，随着之后30多年不断完善，已全方位服务于美国的K-12基础教育[1]。区别于重书本知识的传统单科教学方式，STEM是一门重实践的超学科教育。目前，存在两种界定方式。其一认为STEM教育核心理念是引导学生综合应用跨学科知识来解决现实生活中问题，因此它是一门作为整体跨学科知识的综合性课程;其二观点提出STEM教育是一种教学策略，运用于教材课本开发或者是依托课程进行的教学设计[2]。STEM教育并不是多门学科简单组合，而是跨学科知识的交叉融合，是相互联系、相互补充，相互作用的有机整体，具有跨学科、协作性、体验性和设计性等特征[3]。鉴于此，本文所指STEM教育是学生在跨学科理念指导下，教师以培养学生高阶思维能力为目标，有效整合综合知识，设计基于真实问题情境课程的教学设计。

3 教学活动设计

从STEM的实施经验来看，需基于项目式学习形式进行教学活动。项目式学习强调真实情境或是高度还原真实场景基础上以解决实际问题为核心来进行教与学。在教学过程中大多数项目需要多方式多学科知识的配合，但研究表明学生独立整合知识、思考问题的能力较弱会导致学生在不同学科之间建立联系或者连接不同知识的表达模式是存在困难的。因此，会造成项目式学习效果不佳。而另一种STEM经典教学模式——5E教学，是美国生物科学课程研究在1989年基于建构主义理论演变而来的探究式学习。该模式的基本环节包括：参与（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、精致（Elaboration）和评价（Evaluation）[4]。2013年美国国际科技与工程教师学会（ITEEA）在5E基础上提出将“精致”环节细化为“工程（Engineering）”设计和“丰富（Enrich）”整体思维的6E教学，完善以学生为中心的教学模型，目的是要强化STEM教育中的设计与探究能力的培育。要求学生像工程师一样真正参与设计与建造工程中，将工程设计理念环节融入课堂中，但该模式中仍被研究者提出在各环节衔接不够紧密问题[5]。基于上述的经验与不足，本研究采用“做中学”理念，让学生从“做”中“学”，从亲自动手操作到学习知识并运用到日常生活中。注重培养学生协作探究学习以及动手操作能力，通过伙伴帮助，提升自身独立整合知识的能力与本文采用的协作探究学习（Collaborative Inquiry Learning，CIL）教学模式不谋而合，充分迎合了STEM教育协作性特征，从理论上更加贴合STEM教育的教学需求。

因此，本研究将6E和CIL教学模式相融合，使得两者在学科跨度、情境性、趣味性以及协作性方面有更好的学习体验，如图1所示。STEM教育与传统知识驱动模式的区别在于，首先对学生进行前期分析的考虑充分性体现，包括学习需求、学习目标、学生个体特征等确保学习个性化，接着在围绕STEM教育理念的真实情境性体现，完成由教师设计的面向高阶思维和高级技能培养的协作学习活动，最后对学生学习成果评价多元化体现，包括诊断性评价、过程性评价和总结性评价。学生在此活动过程中彼此进行交流评价并分享经验和成果，培养其自主探究能力的同时也促进师生之间、生生之间的情感互动展开，营造良好学习氛围。

在参与和工程活动设计环节融合项目式教学，由于两者在体验性、情境性方面有较高契合度，让学生基于真实情境和实际问题参与并设计工程，这对于STEM教学的开展具有较强的适用性和支持性。参与又称导入，是学习者初体验环节，教师将学生引入创设情境中进行新课探究，将知识内容置于有意义的活动或者生活场景中，并以问题或者项目为导向，促进学生思考并引发学生已有知识和新知识之间发生认知冲突，进而激发学习兴趣和探究意识;而工程环节是6E教学模式的特色，学生需明确分工自己需要完成的任务，达成共识，利用已有材料和工具，将方案原型制作出来，加以改良。在此环节中，学生所学的知识可以为他们提供工程建造的基础。相反，学生在实际设计建造过程中又会有新的学习需求，从做中学，在动手实践中思考。

在探究和工程活动设计环节借助工具进行科学探究。探究是STEM重要环节之一，学生作为探究活动的主体，以小组为单位采用自主探究方式对相关的知识、经验的收集，明确拟解决的问题后进行分析再提出的相应策略或方案;同时经过数据的采集、处理等步骤确定最佳的方案。教师作为探究活动的主导者，运用学科知识进行启发式教学，对学生给予个性化指导，并提供“支架式”支持，引导学生探索工程对应相关问题，注重培养学生具有主动性、综合性等特征的创造性思维和积极探索、发现及解决问题的态度与意识[6]。工程环节上文已做描述，此处不做多余赘述。

在解释、丰富和评估环节中融入CIL教学模式，其强调人与人之间的互动，包括知识互动以及情感交流。学生结合探究过程所遇到的问题，用自己掌握的知识观点与同伴进行知识分享，同时在互动过程中发现自己所学知识与技能不足之处，就会回到知识获取阶段——“解释”环节进行知识扩展，逐步学会知识迁移，建构新知识应用体系，“丰富”自己原有知识结构，达到知识内化效果。在“评估”环节中教师通过汇报、展示、交流等活动让学生进行自我评价和伙伴评价，教师也给出相应评价与改进策略以便巩固知识，促进知识发生迁移。由此看出，互动的设计初衷在于让STEM教育在趣味性、协作性方面有较好的相容性。通过教师的及时答疑解惑、积极客观评价以及伙伴之间合作交流使得师生之间、生生之间情感交互发生实时反馈，促进师生关系良性发展。学生自身认知也在知识互动过程中发生有意义建构。

4 案例应用

基于上述的创新教学活动设计，以具体案例证明活动设计的有效性。选取的“保温包设计”是小学四年级科学课程中关于导体与绝缘体的知识点延伸的活动设计，包括科学、物理、数学和技术等综合知识点，如表1。基于STEM教学模式中，更加侧重学习的各个环节，通过真实情境以协作学习形式为学生创设良好的互动情境，这样的课堂设计充分培养学生的主观能动性和创新思维，教师起到的主要作用是课堂的组织者、活动协助者和教学指导者。

（1）引入：教师在PPT上展示夏日炎炎，学生们在户外野餐场景。通过真实情境使得学生有代入感，思考去湖边去野餐时，为什么要把冷饮和冰块放在凉爽的地方？如果把它们放在普通背包里会发生什么？给学生5分钟时间通过与同伴进行交流互动，学生按自己想法对材料的隔热性进行初步判断。引出本节课的知识点——探究哪种材料是最好的绝缘体。

（2）探究：教师基于绝缘体、导体相关知识点提供尽可能多的资源或形式（包括资料分析、小组讨论、头脑风暴），让学生能建构对绝缘体和导体的理解。学生凭借自己已有相关知识经验以及收集到相关资料，提出方案探究哪种绝缘体最能减缓温水中的热量损失？哪个最差？哪种最适合保温一杯冰：泡沫塑料，棉花或者空气（对照组）？同时经过数据的采集、确定最佳的方案。采用小组合作的探究形式，按準备材料清单和步骤进行操作。仔细观察材料，动手探究哪个材料最隔热。再次对材料的隔热性进行排序，判断哪个材料隔热性最好。

（3）解释：教师通过播放视频、多媒体虚拟演示、提示讨论等方式对方案进行解释或补充，引导学生解释探索的结果，并分组派代表相互补充。给学生解释并重新思考所学，并借此使学生所学到的知识更完善;学生通过思维导图工具梳理自己的观点，将想法和判断分享给大家听，说明会有怎样的效果？为什么是这样结果？以及预测怎么去实施？最后教师总结学生观点，补充学生未涉及关于导体、绝缘体、能量等相关概念的知识点。

（4）工程：温度调节应用几乎与所有工程学科都是相关的。在判断出哪种材料隔热性好基础上，采用任务驱动法让学生完善自己简易保温包探究材料如何组合达到保温效果最好。学生利用现有的材料和工具，按方案制作出来，加以完善。在做中学，学生新获得的知识可以为他们任务完成提供基础，在动手中思考，把学习到的概念应用到日常生活中，对导体绝缘体知识专题有更深层的理解。

（5）丰富：完成保温包项目后，让学生对所学进行更深度地探讨，以便于解决更复杂的问题。教师引导学生进行拓展任务，探究铝箔片是不是一个好的绝缘体？用铝箔包裹一个杯子，用纸包裹另一个杯子。将冰水倒入杯中。握住杯子，判断哪种材料是最好的绝缘体。教师指导学生把学到的知识和技能转移到新的学习情境和领域中去，体现出学习深化和迁移。

（6）评估：教师引导学生通过参与讨论、协作交流进行总结归纳。将评价贯穿整个教学活动中。活动前预测中让学生感受并检查测试绝缘材料（泡沫塑料，棉花，空气），并让学生预测最有效的方法，学生的预测反映出对传热和绝缘概念的理解程度。过程性评估中在实验过程中观察学生，使用“性能评估量规”中提供的标准评估他们对主题和活动参与的理解，该标准考虑了他们对绝缘材料和团队合作的理解。总结性评估中教师让学生完成布置的作业，通过他们的答案，以衡量他们对知识内容的掌握程度。

5 反思与总结

通过两节课的具体设计和探索过程中，笔者发现基于STEM小学科学课堂设计还存在不足之处需加以完善。

（1）多种学科融合，提高教学的综合性

STEM主张的多学科融合是没有学科边界的，不仅仅局限于数学、工程、科学和技术四门工科知识内容。在本次实践中过程中，融入了语言或者美术等人文社科知识内容。例如，我们在讲解导体绝缘体相关内容，提到绝缘体材料大多运用与航天事业，而导体运用与电子芯片等领域，拓展学生的知识面。同时我们在设计保温包时，如何将其制作精美和美术也密不可分。STEM教学强调学科的综合性，我们在应用STEM理念是需注重与其他学科进行紧密联系而不是拼凑，以帮助学生系统地掌握小学科学的知识内容。

（2）创新活动设计，有效提高教学互动性

小学四年级的学生存在年纪小、基础薄弱、自律能力弱等特点，仅让他们按部就班的学习课本知识是枯燥无味的教学形式，会直接造成的课堂氛围活跃度低，间接导致课堂教学效果不佳。如何激发学生的学习兴趣并让学生主动产生联系其他学科知识解决问题的意识是教师在进行教学活动设计需要考虑的。利用多媒体动画微课资源吸引学生注意力或者角色扮演进行教与学互动或可提升学生兴趣。例如，在案例设计中最后评价可更替为评比环节，增加生生互动频率，学生扮演教师角色，选出谁的保温包最实用保温效果好，设计美观，不仅仅可以充分激发学生合作与竞争意识，还能更加直观了解学生学习效率与质量。

（3）培养综合能力，发挥STEM教育作用

STEM的教育理念是让学生系统地学习知识。因此作为小学科学老师应意识到培养学生综合能力的重要性，将其他学科的知识应用到小学科学教学中，以切实提高学生的理解能力和实践能力。因此在设计活动中不仅要有针对性选择符合学生认知负荷的内容，也要在此基础上遵循多样性原则尽可能提高学生各方面素养。在培养学生知识与技能的同时也要注重学生的情感态度与价值观。例如，在制作保温包的探究环节中将导体与绝缘体相关理论知识与动手操作制作简易的保温包实践相结合，同时不能忽视学生的情感与态度培养，教师在课堂中需及时肯定学生爱思考、爱钻研的科学精神，培养了学生综合素质能力，做到全面发展。让STEM教育在学生的信息素养、创新精神、科学态度等方面发挥真正作用。

参考文献：

[1] 余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21（4）：13-22.

[2] 孙微微.基于STEAM教育视域下小学信息技术应用的探讨[J].电脑知识与技术，2020，16（15）：172-173+175.

[3] 张屹，赵亚萍，何玲，等.基于STEM的跨学科教学设计与实践[J].现代远程教育研究，2017（6）：75-84.

[4] 刘永革，姚传进，付帅师，孙晓飞.基于可视化实验的油藏数值模拟5E教学模式实践与认识[J].教育教学论坛，2020（22）：388-390.

[5] 李艳燕.STEM创新教学模式与实践[M].北京：电子工业出版社，2019：52.

[6] 赵呈领，赵文君，蒋志辉.面向STEM教育的5E探究式教学模式设计[J].现代教育技术，2008，28（3）：106-112.

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