基于STEM理念的课程对中小学生科学思维能力的培养——以智能桌面实验盒学区课程为例

劳浩勋

(广州市八一希望学校，广东广州，510000)

越秀区辖内的16所中小学于2016年组成立体学区，以学区内资源共享及交流合作为途径。实践中发现，形成学区一体化课程开发机制，共同建设体现学区特色的学区课程，能有效推动教育向优质、均衡的方向发展，促进教育公平。STEM和创客教育的兴起，给技术学科特别是信息技术与通用技术学科带来了新的生命力。课程教学融入STEM理念，强调培养学生不断提问、假设、探究、试错和总结的科学思维能力，给学生带来全新的体验。

一、概念界定

进行智能桌面实验盒项目中应用STEM理念分析之前，有必要对STEM理念、学区课程、智能桌面实验盒、科学思维进行概念界定。

(一)STEM教育理念

STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)四门学科英文首字母的缩写，学习者接受STEM教育有助于更深入地理解数学和科学等内容，有助于培养自身在真实世界中运用这些知识来解决跨学科问题的能力。需要指出的是，STEM素养，一方面是上述四种素养的组合，另一方面是需要把学习到的各学科知识融合与整合、拓展与创新，最终转变成有机整体。STEM教育的课程设计应该使用“整合的课程设计模式”，旨在培养学生超越传统学科界限，动手解决实际问题的能力。

(二)科学思维

科学思维是一种正确、高效、具有可操作性的思维，在科技创新活动中起到核心作用，是创新活动的灵魂。科学思维方式强调的是思维加工处理方式和途径的科学性。学生在开展基于智能桌面实验盒的设计制作活动的过程中不断提问、假设、探究、试错和总结，对自身用科学思维方式思考问题、解决问题有着积极的指导意义。

(三)智能桌面实验盒项目

智能桌面实验盒项目是技术学科的教育载体，STEM和创客教育的技术套件极为丰富，为智能桌面实验盒的设计提供了有力的支撑。广州市第一中学、广州市第三中学整合ScratchPi、树莓派等产品，根据学习需求改件、补件，联合设计了智能桌面实验盒1.0版本(表1)。

(四)学区课程

学区课程是一门特色创新的课程，应是介于地方课程与校本课程之间的课程，是能体现学区教育思想和课程观念的课程。它应根据学区内的经济、政治、文化发展水平和对人才的特定需求，充分利用现有课程资源进行开发、设计、实施。其本位一是为了立体学区，二是在立体学区的学校中，三是基于立体学区的所有学校。越秀区立体学区课程建设主要是在小学、初中、高中整个阶段帮助学生进行生涯规划，将STEM教育理念应用到智能桌面实验盒项目中，是重实践的超学科教育概念创新，使STEM的内涵和外延越来越丰富的同时也体现着创新科技、教育和技术协同发展的探索和趋势。

表1 智能桌面实验盒1.0版本

二、STEM理念在智能桌面实验盒课程中的应用案例

STEM理念的特点是在建立学科集成的过程中将学生思维习惯由“低阶思维”向“高阶思维”提升。2019年，笔者观摩了广州市少年宫与广州市名教师工作室联合开展的基于STEM理念的智能桌面实验盒系列公益课堂，在基于活动、项目、问题解决的课堂上发现了有实现新课改目标的可能性：教师与学生正在共同经历创造、设计、建构、发现、合作并解决问题的过程。笔者记录、归纳、整理了以下优点。

(一)玩转创意编程，提升学生科学与技术素养

丰富多彩的游戏背后是怎样的规则与布局？建构一个个神秘的游戏世界需要怎样的创造力与想象力？在体验课上，陈老师化身为“小小游戏设计师”，让学生自主组合成6个组，每组4人，基于同样的实验盒器材、初始程序和多学科知识锦囊，创造性地在90分钟内合作完成任务，一起设计出专属小游戏。这将大大拓展和提升学生想象的空间。游戏一：学生要解密打地鼠这款既简单又充满乐趣的游戏的制作过程，编写程序后，用传感器实现用编程密语唤醒魔法之锤。游戏二：在浩瀚的宇宙中，一大波蝙蝠突然向宇宙飞船袭来，学生被迫加入了太空之战。学生在完成任务过程中会不断遇到新问题，小组设计与制作的难度不断加大：怎样更快打到地鼠？如何精准打中蝙蝠？需要用到哪些器材？怎样快速编写程序？……教师引领学生逐步应用STEM理念了解游戏背后的编程世界，在项目中突破常规思维，在解决问题的过程中提升学生的技术素养。

根据笔者观测，在合作过程中，小组成员发挥各自独特作用，每个学生都专注地设计、编写、搭建，思维是高度活跃的。这正是基于STEM理念的智能桌面盒下的理想课堂：既是玩耍，又是学习。学生用ScratchPi制作出自己团队的专属游戏，体现了STEM 理念所倡导的学科集成理念：在问题解决的基础上进行建构、发现、合作与创造。总结下来，课堂上团队制作现场具备真实情境、探究、团队协作、解决问题等要素，也是STEM理念所要达到的目的，即趣味编程让学生的思维活跃起来，激发学生的创造力、想象力和不断试错的问题解决能力。

(二)突出STEM理念的试错功能，体现科学性与创新性

智能桌面实验盒课程是避开烦琐的代码语法也能做出精妙的创意编程的课程。在黄老师的带领下，学生迎来创意无处不在的“苹果大丰收”。在ScratchPi里要体验到“摘苹果”的乐趣，学生就要思考如何才能进行高效摘取和运输，考虑需要用到的工具。学生在设计、制作、展示、阐述的过程中总结和感悟，分享心得，提炼问题，拟定修改方案，这体现了技术学科应有的科学性与创新性。

李老师为大家介绍了新的硬件工具——传感器，借助这一装置，学生可以创作出更为丰富多彩的互动作品。在现场设计与制作环节中，学生自主探究，打开程序，安装驱动，将传感器与电脑连接起来。在解决问题的过程中，教师发挥协助、指导、监督、评价的作用，允许学生反复试验，鼓励组员之间相互纠错，让学生设置接口，添加指令，随着手在光敏传感器上移动、遮挡，灯或点亮或熄灭，再试试有什么新发现。在反馈完善的过程中，学生明白了“科学就是一个不断犯错，不断修正，不断假设，不断验证的过程”的道理。

(三)彰显STEM理念对学生创造力的培养，评价标准多维度

在有限的时间里选用实验盒里的器材完成任务，是对学生现场创造力的一种考查。在体验课堂现场，学生与李老师一起研究老鼠晚上才会出来觅食的原因。他们用ScratchPi模拟怕光的老鼠，将光敏传感器与电脑连接起来，编写脚本，点击绿旗后，仔细观察舞台发现：用手遮挡住光敏传感器，当昏暗的时候，“老鼠”便会出来觅食，将手移开，灯光亮的时候，“老鼠”就被吓跑了。在完成任务的构思与制作过程中，学生的综合能力、分析能力与实践能力都将得到激发与展示，学生将成为一个全面发展的完整的人。

为了使课堂评价具有可实施性，有说服力，在参考其他STEM科技项目规则及评分标准的基础上，笔者采纳了13位课程实施教师的建议，整合设计了三个有梯度的评价标准，多维度对学生进行评价，详见表2。清晰可量化，每一个梯度的上升也是对学生综合能力的一次肯定。

表2 中小学智能桌面实验盒学区课程课堂评价标准

三、体现学生发展核心素养的智能桌面实验盒课程

STEM理念注重打破学科界限，建立学科集成理念。这与核心素养的“跨领域性”强调其连接学科知识与生活世界(真实情境)的“可连接性”是不谋而合的。鉴于此，笔者梳理了智能桌面实验盒课程中体现学生发展核心素养的精髓。

(一)彰显人文底蕴，提升科学精神

STEM理念以“智能桌面实验盒”作为教育载体，融入中外儿童故事和游戏，这是对人文积淀与情怀的一种唤醒与传承。笔者发现，学生在编程与制作的过程中，或多或少会对自己设计的作品赋予特殊的含义，有对传统文化的理解，有对自己未来职业的向往……这正是学生人文底蕴核心素养的显性表现。

勇于探究、批判质疑、理性思维的科学精神核心素养在基于STEM理念的智能桌面实验盒体验课中也得到了很好的体现。“海洋的深处，凶恶的鲨鱼要把海底所有的小鱼都吃掉……”跟着陈老师的脚步，学生一起走进“海洋”。怎么拯救小鱼？怎么保护生态环境？怎么把生活语言转换成计算机语言？对这些问题的解答，学生需要综合跨学科的知识与技能，运用理性思维进行批判质疑，尝试个性化的创新。

(二)真正学会学习，进行实践创新

体验课堂体现STEM理念，强调问题的真实性，倡导学生独立完成每个项目，学生在项目完成过程中提升对信息的筛选能力，从网络或其他渠道获取有用的资源，更便捷地完成设计与制作，以达到理想的状态。在体验课中，陈老师念起“嘛哩嘛哩哄”的咒语，学生就想到选用哪个传感器才能产生强大的气流，实现吹走前方障碍物的风之魔法目的。谢老师提出有些生活噪声是无法忍受的。在制作创意噪声监测仪的过程中，学生通过循环往复的试验与改进措施，不断提高检测仪的性能，达到准确、便捷地用波形图检测声音大小的目标。基于STEM理念的评价侧重考查的是定义不良情况下学生的反应，即实践创新能力。这是对以往应试教育下定义优良问题解决的一次改进，与学生发展所倡导的实践创新核心素养理念一致。

(三)构建应用智能桌面实验盒的教学流程

智能桌面实验盒课程参照“生活即教育”的理念，教学方法是“教学情境化、知识生活化、创作体验化”。笔者所在团队在基于STEM理念的体验课实践中，总结出“1+1”双师导学课内翻转的有效教学流程。(图1)

图1 智能桌面实验盒体验课(主教+助教)教学流程

四、结语

广州市实施科技教育提升工程的建设需要更多STEM教育试点课程提供基础支撑。作为一个融合STEM理念，创新与实践并重的课程，考查学生在课堂活动中思维开发的过程将是重点。学生享受科学探索的过程，是发现自己隐性优点的过程，也是展示自己领导力、计划力、学习力、创新力与综合素养的过程。因此，如何依据学区平台，开发学区课程，以STEM跨学科知识融合的教育理念，研究构建和开发具有跨学科性、趣味性、体验性、情境性、设计性的全学段拓展性课程体系，以项目学习、问题解决的方式推进实施科技教育提升工程是非常有价值的。