STEM视野下的小学科学教学实践

姚佳荧

摘 要：为丰富STEM教育在小学科学中的实践研究，本文将STEM理念与小学科学课程的课本内容结合，开展以STEM视野下科学教学实践活动，以期为STEM教育在小学生根发芽提供一个参考视角。本文从STEM项目学习与探究学习的比较入手，发现探究学习中存在的不足;其次参考STEM教学中常用的“5E”模型重新设计“污水与污水处理”教学，让学生亲历污水处理器的设计、制作、测试与优化过程，有效提升学生科学探究能力。最后通过反思，总结STEM项目学习在小学课堂实施的局限性。

关键词：STEM项目学习;探究学习;教学實践;污水与污水处理

一、问题提出

小学科学课程是一门实践性课程，探究活动是学生学习科学的重要方式。小学科学课程把探究活动作为学生学习科学的重要方式，强调主动参与、动手动脑、积极体验，经历科学探究的过程，以获取科学知识、领悟科学思想、学习科学方法。STEM项目学习主张以真实的情景或问题为学习背景，以项目学习、问题解决为导向的课堂组织方式，它将科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）、数学（mathematics）有机地融为一体，有利于学生创新能力的培养。

二者追求共同的目标，即让学生能够利用科学方法和科学知识解决某些简单的实际问题，同时培养学生的创新意识、合作意识，为今后的学习、生活以及终身发展奠定良好的基础。但在具体教学实践中，笔者发现相较于STEM项目学习，探究学习还存在一些不足。

二、基于STEM项目学习的小学科学教学实践

（一）学习任务分析

目前在国外的STEM教学活动中，5E模式被广泛应用，即吸引（Engagement）、探索（Exploration）、解释（Explanation）、延伸（Extension）、评估（Evaluation）本课是教科版小学科学六年级下册《环境与我们》单元第6课，围绕污水处理为中心，以5E教学模式为设计参考，从了解水污染，了解水污染的处理方式到利用手边材料自己设计一个可以处理污水的简单装置，优化再实践的过程开展。学生在逐步探究中，了解水污染、珍惜水资源。

（二）教学目标

STEM指标 内容

科学（S） 1.水污染主要是人类的活动造成的，知道污水经过复杂的处理才能使用。

2.了解自来水厂净水流程。

3.知道可以用过滤、吸附的方法去除水中不溶性的杂质。

4.知道pH试纸能测量出水的酸碱性。

技术（T） 1.会使用pH试纸来检测水的酸碱度。

2.做污水处理实验，制作简单净水装置。

工程（E） 1.能绘制简单的净水装置设计图。

2.测试净水装置，并能优化自己的净水装置。

3.增强保护水资源的意识和责任感。

数学（M） 1.绘制、记录实验结果。

2.通过计算，综合考虑过滤效果和价格因素，从而控制成本。

总目标 知道污水主要是人类造成的，是需要复杂处理才能使用的;能够掌握处理污水的方式，设计并制作出简单的净水装置，增强保护水资源的意识。

（三）教学重难点

1.重点：设计并制作简易污水净化装置

2.难点：不断改进简易污水净化装置

（四）实验准备

特殊处理过的空瓶、细沙子、小石子、大石块、滤纸、活性炭、纱布、海绵、污水、烧杯、pH试纸、生活污水。

（五）教学过程

1.吸引：提出问题，激发兴趣

STEM项目学习主张以真实情境或问题为学习背景。巧用学生身边的事例引入新课，让学生感受科学就在身边，科学问题存在于生活。以生活情境引入的主要目的在于引起学生的学习欲望，调动学习的主动性。熟悉的但又未知的知识情境，能激发学生主动学习的意识，引发学生积极思维，使学生乐学、想学。

案例：《污水与污水处理》引入片段

在姚西北地区，有两家污水处理厂。我以污水处理厂发来的求助视频引入，使学生处于真实的生活情境中。

教师：污水处理厂中的污水主要来源于哪里？

学生：工业污水、生活污水和农业污水。

教师：污水处理厂遇到了什么困难？

学生：我们生产生活所产生的污水越来越多，但污水处理厂的设备不足，而且没有足够的资金去购买新设备提高污水处理效率。

教师：我们可以怎样帮助污水处理厂渡过难关？

学生：制作一个成本低，效果明显的污水处理器。

设计意图：展示真实的情景，通过污水处理厂的求助视频，激发学生的求知欲和完成使命的动力。视频内容让学生意识到污水必须处理后才能排放，思考自己家庭、班级每天产生哪些污水。引入处理污水的必要性。在观看视频过程中，不知不觉引入新课，出示任务，引发思考，为后续设计净水装置做铺垫。

2.探索：头脑风暴，发展思维

STEM项目学习有着模糊的任务和明确的结果，至于怎么取得这一结果的途径由学生团队自己来决定。成功的工程设计会考虑最终的方案应该满足多种制约因素和评估标准。要平衡每一种评估标准的重要性，同时也要满足所有的制约条件，这是颇具挑战的一件事。

案例：《污水与污水处理》讨论片段

教师：观看污水处理厂净水流程，净水的基本流程是什么？

学生：沉淀——过滤——吸附——灭菌——消毒。

教师：有哪些可以借鉴用于我们的污水处理器？

哪些材料可以用来处理污水？分别起到什么作用？

这些材料需要成本多少？

处理后，是否满足污水排放标准？

学生：自行自由讨论上述问题。

教师：提供详细成本数据。

装置共需要金额：

设计意图：连续问题导引能促进学生自主学习，引导学生思考。不同的制约因素有着不同的优先级，学生首先需要考虑污水处理器的实用性，再去考虑产品的成本因素。两者可能会相互排斥，这就需要学生学会权衡它们的利弊。

3.解释：聚焦设计，交流修改

工程设计图是STEM项目课的一大特色，模型需要严格按照设计图纸来建立，所以設计图的优劣会直接影响项目的成败与否。

案例：《污水与污水处理》设计片段

教师：以小组为单位，绘制污水处理器设计图，要求注明材料，计算成本。

学生：绘制设计图。

教师：组织学生对自己组的设计图进行汇报交流。

学生：对各小组的设计图进行评价，并完成PMI小组互评表。

各小组交流展示后重新修改自己的设计图（①设计层数合适，材料取量合适;②过滤层顺序要使水流上快下慢;③过滤层要压实）。

设计意图：学生在此已经对污水处理器产生想法，小组内初步的画图和计算成本是一个构思的过程，也是讨论优化的过程。在交流过程中，学生不知不觉地理解了所学内容。PMI小组互评表的填写也为后续重新修改设计图提供了依据。

4.延伸：建构模型，有效沟通

在设计过程的每一个阶段，通过动手来解决具体问题的学习方式时必须的。模型的建立提供了切实可行的联系，它将学生的学习与抽象的概念联系起来。有效而连续的书面和口头沟通是STEM项目学习的一个关键组成部分，要求学生既能够面对技术人员做展示，也能面对外行听众做展示。

案例：《污水与污水处理》制作片段

教师：以小组为单位选择合适的材料制作一个简易、成本低、有效的污水处理器。

学生：根据设计图，相互合作，合理分工，紧张有序地制作。

教师：组织小组团队演示简易污水处理器。

设计意图：动手动脑是STEM项目学习所追求的，学生也对制作模型兴趣最高。模型的建立不但是对设计图的检验，也是对学生动手能力的鉴定。

5.评估：测试优化，激励反思

基于测试的结果，学生会优化他们的设计方案。这个过程要求对照问题标准和目标，对结果进行分析。在比较自己的预测和不同的测试结果时，学生应该对自己设计的长处和缺陷进行批判性思考。

案例：《污水与污水处理》测试片段

教师：小组将相同数量的生活污水放入自制的处理器中。

学生：观察水质情况，用pH试纸检验水质，根据污水处理器设计评价量规来计算得分。

教师：我们组污水处理器效果不明显的原因是什么？需要怎样改进？

我们组的污水处理器怎样改进可以不降低效果的前提下减少成本？

在评价标准改变的情况下，应该对设计进行什么样的调整改变？

学生：对自己的设计进行批判性反思，继续优化设计。

设计意图：当学生的发现源于自己独特的经历时，他们的理解程度就会提高。学生经历完整的工程设计过程，能了解合格水质的标准，从而引发对水资源的思考，增强保护、节约水资源的意识。

三、STEM视野下的小学科学教学反思

本节课以“吸引——探索——解释——延伸——评估”的模式开展STEM教学。在STEM项目学习的各个环节中，灵活运用各种手段，巧妙结合小学科学的知识特点，激发学生的学习兴趣，注重学生思维发展，培养探究能力，提高评价交流的水平。但是STEM项目学习实践，让我明白还有很多方面需要提高。

1.时间方面的限制

目前小学高段科学每星期授课3节，每节课时长40分钟，《污水与污水处理》STEM项目课授课时长为120分钟。如何优化项目学习的流程，使STEM课能在日常教学课堂中实施值得我们继续研究。

2.课堂秩序的调控

在项目学习中，学生在课堂上来回走动，而不坐在指定的课桌上学习。在这个过程中，为了避免部分学生游离教学之外，项目设计评估量表的制定和实施起到关键作用。完善的评估量表督促学生进行小组分工合作。

3.学生前概念的了解

学生具有个体差异性，他们所掌握的知识或许不同。大班上课的环境下，教师很难精准断定学生的前概念，因此很难让每个学生按照自己的层次和进度去学习。

参考文献：

[1]黄阳.STEM教育理念下科学教学环节优化策略的研究[J].小学教学研究.2017（11）：80-81.

[2]刘韬容，肖化.STEM教育融入小学科学课堂的改革路径与实践探索[J].基础教育参考.2019（17）：34-37.

[3]尹小燕.从科学教育走向STEM教育——小学科学教师教育理念的重构[J].实验教学与仪器.2019（Z1）：117-119.

[4]冼雪仪.“5E”教学模式在小学科学教学中的案例研究[D].吉林：东北师范大学，2017