基于小学科学教材的STEM项目开发与实践

张硕司

目前，STEM教育发展迅速，是小学科学教师非常关注的教学研究领域。如何在一线教学中真正开展STEM教育是亟需攻破的难题。

2017年版《义务教育小学科学课程标准》中明确指出，小学科学课程是一门综合性课程，要让学生综合运用不同领域的知识和方法去理解自然现象和解决实际问题，并强调探究式学习的方式方法。一定程度上，科学课程可视作STEM教育的雏形。STEM教育是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，它将科学、技术、工程与数学有机地融为一体，有利于学生创新能力的培养。

目前的小学科学教材是以大单元的形式组合和呈现课程的概念框架和活动框架，活动性较强，有一系列典型的科学探究活动及其科学的探究步骤，以深化学生对科学概念的理解、培养科学探究能力和科学态度，如研究电磁铁磁力大小的实验。科学探究活动是STEM项目中不可或缺的一部分。因此，小学科学教材内容是很好的STEM实践材料，科学教师可以根据教材的内容来开发STEM项目，并在科学课堂上进行教学实践。下面，以“设计制作保温箱”项目为例进行阐述。

一、基于教材的STEM项目教学内容的改编

STEM的主要特点是“跨学科整合”“基于问题的学习”“基于项目的学习”“真实情境下的活动中学习”“合作解决问题”“学习者在探究中自主建构知识”。因此，教师首先要在教材中选择一个可以整合成项目来开展的内容。

“设计制作保温箱”项目内容选自教科版五年级下册第二单元“热”。本项目围绕“如何设计保温性能好的保温箱”开展。学生首先通过科学实验来探究“不同的材料的保温性能”，再通过工程设计与技术制作，完成保温箱的原型制作，并通过测试与重新设计，改进保温箱，最后定型评价。而且，在科学探究中，学生利用可编程硬件“micro：bit”和温度传感器来设计个性化温度计代替传统的红水温度计。

二、基于教材的STEM项目教学目标的确立

2017年版《义务教育小学科学课程标准》是教师确立教学目标的依据。教师确定开发的教材内容后，要找到课标对应的领域内容和学段目标，以此确定本项目的教学目标。教师确定教学目标时，也能借此确定各个学科在本项目实践中的作用。

“设计制作保温箱”的教学目标是让学生通过做中学，学会应用跨学科的知识和方法，并以此培养科学探究能力、创新能力、工程思维和计算思维。项目教学目标分解如教学目标分解表所示。

三、基于教材的STEM项目教学活动的实践

“设计制作保温箱”项目的实践活动主要分成以下四部分。

1. 创设真实情境，提出问题

学生在真实情景中的问题驱动下进入项目学习。教师展示外卖骑手的相关资料，创设情境使学生关注“外卖箱”，并提出问题“外卖箱里食物的温度是怎样发生变化的”，然后教授“热传递”的科学知识（教材上的知识点）;再介绍市场上保温箱的结构和材料，最后提出问题，进入项目式的主题学习：“一个好的保温箱有什么特点”“如果让你设计一个保温箱，你要采用什么结构和材料”。

2. 科学探究与数学应用活动

通过科学探究方法和数学方法寻求“不同材料的保温性能有什么不同”这个问题的答案。学生针对这个问题，根据自己的经验，作出假设，选取实验所需材料，然后小组讨论如何用控制变量法来设计对比实验方案。小组长汇报实验方案，大家点评，找出亮点，对不恰当的地方提出修改意见，最终确定实验方案。

每个小组使用“Micro：bit”和温度传感器进行编程设计个性化防水温度计，然后用该温度计进行科学探究实验。学生用数据图表记录数据，并生成折线图来呈现数据，再分析实验数据，得出结论，判断结论与假设是否一致。

3. 工程规划与技术制作活动

明确学生任务“设计并制作一个保温性能好的保温箱”。学生通过工程设计并动手制作，完成制品，通过做中学，提升创新实践的能力。首先，小组讨论“如果让你们小组设计一个保温箱，你希望它有什么优点”“如果让你们小组设计一个保温箱，你希望采用什么结构和材料（里和外都描述清楚），理由是什么”等问题。然后完成设计方案。注意根据设计方案，在成本范围内选择合适的材料。

学生根据自己小组的设计方案，利用已选的材料和工具，协作完成保温箱原型的制作。接着进行原型测试，分析测试结果，并讨论出产品的优点与不足，修改设计方案。学生根据修改后的设计方案对保温箱原型进行修改，修改后再次进行测试，最后定型。

4. 知识拓展与创意设计活动

在这个活动环节，可以让学生走进社会，把知识与社会生活联系起来，如采访外卖骑手和用户，了解保温箱的用途和需求;参观保温箱制造厂，了解保温箱的制作流程和工艺。还可以根据需要，请学生发散思维，在自己小组的保温箱基础上改进，设计一个富有创意或多功能的保温箱，如加上定时提醒功能。

四、基于教材的STEM项目学习评价的设计

设计评价量表，横向对比实验班和对照班学生的思维和能力的变化。针对实验班的学生，还要设计主题相关基础知识测验试卷、PMIQ学习反思表、学习任务完成能力多元评价表。

有的教师在实践STEM项目时，会因为过于关注技术制作和创意设计，而忽视了科学基础知识的学习。所以要设计一个主题相关的基础知识测验试卷来检测学生对科学知识的掌握程度。PMIQ學习反思表可以帮助学生更好地反思自己的学习状况，已学懂的知识、没学懂的知识、还想继续关注的知识、仍存在疑问的知识。学习任务完成能力多元评价表是对学生在这个项目实践过程中表现的评价，其更关注学生的学习过程。

经过课程开发实践，笔者初步得出以下结论：第一，开发基于教材的STEM项目，可让教师在自己的日常教学中使用STEM课程的理念与方法，利于STEM教育在一线教育中真正普及。第二，改编成基于问题的项目式学习可以让科学课变得更加有趣、高效。将内容整合成项目教学后，学生的学习目标非常明确，他们的学习动机也会增强;同时知识的联系紧密性更强，更有利于学生建立知识体系。第三，技术与工程设计思想的融入，用书本的知识来解决现实中的问题可以加深学生对知识的理解和应用，提高了课堂所学内容在现实生活中的实用性。第四，学生有更大的展示空间，发挥自己的创意。学生的创新思维、工程思维、计算思维、解决问题的能力和动手实践能力都得到了更多方位的锻炼。

注：本文系广东省STEM课题“小学STEM课程体系构建与模式研究”（课题编号：2018GDSTEM003）的研究成果。

责任编辑 黄博彦