小学STEM 跨学科课程教学实践

□ 江苏省海安市实验小学 佘友军

一、引言

分科教学是目前广泛采用的一种教学形式，它以某一领域知识的逻辑体系进行组织，确保知识技能的完整性、连续性，将知识按照难度进行螺旋上升编排，符合学生的认知特点。但分科教学也存在缺点，分科教学割断了学科知识间的联系，不利于从部分到整体的理解和把握知识体系。学生在面临问题情境时，不能从整体的角度识别问题和解决问题，统整应用知识的能力得不到提升。

以数学学科为例，早期的数学是为了解决实际问题而存在的，往往融合了哲学等不同领域的内容。中国古代数学名作《九章算术》包含丈量土地等各种应用场景。这种活动融合了多学科多领域的知识，与生活应用非常密切。进入近代，随着自然科学飞速发展，数学逐步剥离了其他学科，成为“纯粹数学”。“纯粹数学”的教学模式提高了数学知识教学的效率，但混合状态的数学更符合学生的思维水平。“纯粹数学”远离生活应用，失去了鲜活的成分，趣味性和应用性相对较弱。

二、为什么实施STEM 跨学科学习

STEM 教育是一种跨学科的融合教育方式。它将科学、技术、工程、数学四门学科甚至更多学科的内容自然整合成一个整体，融会贯通。这种融合不是四门学科简单拼接，更不意味着同一节课的课堂教学需要融合全部的四门学科，而是根据学习内容进行学科知识之间的纵向关联以及跨学科知识之间的有机联系。

基于项目的STEM 教育是一种知识的再生产，让学生从消费者成为生产者。STEM 教学提倡的小组合作的学习方式，能提高学生的沟通交流的能力；工程设计元素的引入，能提高学生解决未知问题的能力。对学生而言，STEM 教育将学生从“做题目”中解放出来，而以“做项目”取而代之，通过“做项目”达到并超越“做题目”的目的。

1.STEM 教育适应了人才发展的需求

STEM 教育在夯实科学、技术、数学和工程等多学科知识基础上，提高学生以跨学科的思维方式解决综合性问题的能力。使学生具备未来社会所需要的关键能力，能解决真实世界中的问题，改变学习的方式，推动学生投身STEM 相关领域的职业。这种模式培养的人才，能满足未来国家、社会的需求。2016年教育部在《教育信息化“十三五”规划》进一步要求，要积极探索信息技术在跨学科学习、创客教育等新的教育模式中的应用。对我国中长期教育改革具有指导价值，文件强调了信息技术在STEM 教育中的作用，关注学生信息素养的提升，着力提升学生的创新意识和创新能力。2017 年教育部在《义务教育小学科学课程标准》中指出，要倡导跨学科学习方式，实施以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，肯定了STEM 教育对培养学生创新能力的作用。

2018 年4 月，教育部在《教育信息化2.0 行动计划》中指出，要加强对学生信息素养的培养，要完善课程方案，充实编程课程内容。2019 年2 月，中共中央、国务院发布的《中国教育信息化2035》中指出，要强化学生创新能力的培养，采用启发式、探究式、合作式等教学方式，创造性地培养人才，发展世界先进水平的优质教育。

2.STEM 教育适应了知识发展方向的需求

当今社会，知识的学习不仅仅局限于单一学科领域，而是发生在“跨学科的社会情境和经济情境中”。近几年很多科学方面的研究成果，都出现在交叉学科领域，这也体现了跨学科整合的趋势。

另外，从微观角度来看，STEM 教育对教师个人发展和学校的发展有很好的促进作用。对教师而言，通过对优秀STEM 课程的研究、亲自参与STEM 课程教学实践，可以提升教师本人跨学科的视野，进而将STEM 教学理念渗透到原来学科的教学，站在全新的角度理解学科的教与学。对学校而言，通过建设STEM 课程，培养一批高素质的创新型教师队伍，能够促进学校办学品质的提升。

三、跨学科课程内容

小学数学课程标准中提出，要让学生在生动的环境中学习数学，要通过自主探索培养学生的研究能力，通过合作交流培养孩子交流的能力。当前的教学实践中，数学学习停留在抽象层面，学生缺少应用知识解决实际问题的机会，学习缺乏热情。合作交流流于形式。教学缺少需要进行合作的学习任务，缺少对合作的过程性指导，小组成员缺少分工。另一方面，计算机学科教学过多关注技术的掌握，学习任务远离学生生活，任务情境缺乏吸引力。针对这种情况，海安市实验小学组建STEM 跨学科课程开发课题组，组织实施了跨学科STEM 课程，以数学为主导学科，选择适合开展融合教学的知识点，以此为纽带，融合计算机学科领域的相关知识（函数、变量、列表、循环、分支、模块等），在数学、计算机、科学、人文艺术多个学科之间建立有意义的联系。

课程用到了Scratch 软件和Python 语言，Scratch 提供了图形化的编程环境，学生通过拖动操作就能进行程序的编写，大大降低了程序设计的成本，使得学生将精力放在算法设计上。Python 语言类似于自然语言，简单易用，有了Scratch 语言的基础，学生能很快的过渡到代码编程。以图形设计为载体，让枯燥的代码变成直观形象的美丽图案，在图形设计的过程中学习程序设计。

课程包涵了四个主题，分别是“圆知识的应用”“负数与确定位置”“时间与角度的知识”“平移和旋转”。每个专题又由3-4 个子活动组成。作为主线的数学内容涉及圆知识的应用、坐标、比例尺、平移旋转等领域。

在“圆知识的应用”主题中，一共包含了四个探究活动：一是使用circle 函数，绘制圆形组合图案；二是使用dot 函数，绘制圆点镶嵌和随机排列图案；三是根据三个地震监测台提供的震中距离，确定震中所在的位置。学生需要掌握圆规的使用方法，并运用画圆的方法确定震中的位置；四是根据航空母舰的作战半径，绘制航母的打击范围。利用画圆的知识和比例的知识，绘制航空母舰的作战范围。该主题涉及到计算机科学、人文艺术、科学等多学科领域。

“负数与确定位置”包括的四个探究活动：一是负数的认识，创作学习负数知识练习游戏；二是利用坐标绘制图形；三是制作辅助学习游戏，输入敌机的坐标，利用导弹进行打击。通过编写确定坐标的游戏，从更高层次上掌握坐标的知识；四是通过连线绘制出曲线效果。该主题涉及到数学、计算机科学、人文艺术等领域。

主题“时间与角度的知识”包括的三个活动为：一是认读钟面时间程序—整点，编写程序出现随机的整点钟面，询问用户此时是几点，并对输入的结果进行判断，如果回答正确给予鼓励；二是认读钟面时间程序—任意时间；三是编写模拟时钟程序，能实时显示当前的时间。

“平移和旋转”主题包括：一是利用平移和旋转制作动画；二是图案设计、视觉错觉图设计；三是制作牛顿盘。

以《利用坐标绘制图形》为例，该活动融合数学、信息技术、艺术三门学科知识。以坐标的知识作为融合点，首先呈现利用坐标设计的火箭图案，通过优美的图形吸引学生投入到数学知识（坐标）和编程知识（goto 函数的用法）的研究中，内在的需要使学习活动由被动变为主动。在掌握了相关知识后，学习小组在坐标图纸上进行图案的设计与规划，最后再利用程序绘制出图形。整个活动以图形设计为载体，以掌握坐标知识和计算机绘图函数为教学出发点和最后的归宿，并在此过程中培养学生的艺术素养、设计规划能力、合作能力、交流表达的能力，其带来的积极情感体验是纯粹的数学知识教学所无法比拟的。

为了让教师熟悉教学理念、教学内容，掌握教学方法，更好推进教学，课题组为执教老师提供了教学设计和课件，便于开展课堂教学。课题组组织了授课教师的跨学科培训。让教师将STEM 教育理念融入到自己所教的学科中。同时，为了学生更好掌握相关的内容，课题组还专门准备了知识海报，将近期学习知识点、函数用法、解决问题的步骤图等贴到教室，便于学生进一步开展研讨活动。

四、教学方法设计

教学方法是影响教学效果的关键因素。课题组教学方法设计的理论基础是建构主义和工程设计过程的相关理论。建构主义强调，将问题融合与真实、复杂的问题中，帮助学生将知识与生活建立联系，将书本知识变成解决问题的方法。学生的角色不再是知识的被动接受者，而是学习的中心。学生主动参与知识的建构，是信息加工的主体，教师则给学生的主动建构提供帮助和引导。在传统教学中，工程一直没有得到重视，在课程体系中比重很低。工程能为数学、科学学习提供真实的问题情境。工程设计过程是一套完整的解决问题的方法，学生在这个过程中掌握解决问题的一般方法，获得解决问题的自信，培养合作交流等必备的思维方式。工程设计过程包括了明确问题、研究问题、列出可能的解决方案、找到最佳的解决方案、创建原型、测试原型、测试评估原型、讨论交流方案、重新设计或者优化方案等基本过程。当然，工程设计的过程并非严格遵循上面的过程，它们可以反复重复多次、也可以改变顺序。最终让学生通过情境获得对知识和方法的掌握。工程设计过程强调解决问题方案的开放性，鼓励学生不断尝试错误，从错误中学习，这个过程将培养学生创造性解决问题的能力，以应对学习和生活中的挑战。课题组确定的教学方法包含六个环节：确定需求、储备知识、设计方案、建立原型、测试改进、交流展示。这六个环节，是教师设计教学活动的指导纲要，同时也有利于学生掌握产品设计的方法，提升学生的工程思维。

1.确定需求

确定需求是教学活动的起点，带着学习需要和问题的学习，才是高效的学习。研究的问题要能调动学生的兴趣，才能保证学生积极投身下一阶段的研究性学习。教育者要设计并创建有利于学生对所学内容意义建构的情境，通过设计任务或者问题来引导学生学习，调动学生的积极性，使得学生成为学习的主体。教学者要将课本中的知识和技能转化为学生感兴趣的真实项目，给学生创造跨学科学习的环境。从实际生活和各种职业应用中寻找跨学科知识融合的项目内容。

2.储备知识

这个环节将单学科思考、单学科学习的方式转变为多学科思考、多学科学习的方式，培养学生解决问题的能力。在《利用坐标绘制图形》活动中，学生观看了利用计算机编程绘制的图案后，产生了解决问题的需要，这种需要促使学生主动投入到数学和编程等多学科知识的学习中，通过提供的支持学习和思考的学习支架，学生积极钻研基础知识和基本技能。这种教学方式有利于学生形成与跨学科学习相适应的认知结构，实现对多个学科知识技能的深度学习。逐步形成跨学科思考、跨学科学习的学习方式。

3.设计方案

这个环节主要进行设计方案的规划，规划作品的内容、呈现形式等。这个过程要发挥学习共同体的作用。每个同学都能从别人的分享中获得启发，有效的交流推动了每个学习者的学习进程。

4.建立原型

建立原型阶段将小组规划付诸实施，在图纸上设计的方案通过计算机程序绘制出来，在此过程中培养学生的创造力。学习共同体的每位成员需要有明确的分工，分别担任项目负责人、发言人、程序设计者、记录者等角色。明确的分工有利于有序开展跨学科学习，提升成员的参与感。通过设计共同体间成员互评表，为成员开展合作学习提供指导和规范，提高成员的参与度。

5.测试改进

工程设计过程鼓励学生应用数学和科学概念，测试原型并分析数据，鼓励方案中体现创造力和实用性，加深对开放性设计的理解。对遇到的问题不断进行改进优化，找到解决问题的方案。上述的步骤3-5可以根据需要多次重复这个过程，不断迭代改进，寻找新的设计可能性，直到找到最优的解决方案。

6.交流展示

交流结果是将小组的作品或者解决方案呈现给其他学习者，展示的目的是为了获得同学或老师的建议，赢得老师和同学的认可。展示是一个很好的锻炼公开表达能力的机会，也是一个互相学习的过程。在跨学科学习活动中，分享自己的学科知识和思考成果，对同伴的想法进行反馈，与同伴之间进行观点的碰撞，以此培养团队意识和合作能力。