基于科学探究的STEM教育课程设计与实施

张洁莹（广东省广州市越秀区东山培正小学 510230）

STEM教育课程是学生在问题或任务的驱动下，以项目学习方式开展跨学科学习的一种课程形式。STEM教育以提升学生的科学精神和创新实践能力为目标，通过科学探究、技术应用、工程设计与制作、数学应用等活动开展跨学科学习。其中，科学探究是STEM教育课程学习的根本。科学探究活动为课程学习和问题解决提供事实、数据等证据或依据，学生在探究结果的帮助和指导下，有依据地完成任务和寻找解决问题的办法，形成问题解决和项目学习的思维与行为习惯。

一、课程设计背景

2016年，我国发布了《中国学生发展核心素养》，明确指出我国学生发展应具备人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新等能适应终身发展和社会发展所需要的必备品格和关键能力。要培养这些品格和能力，需要综合各学科知识，以解决真实问题为目标与手段，让学生在问题解决中创造性地把所学知识应用于实践。STEM教育课程形式能较好地实现这一过程。

英国科学技术史专家李约瑟曾在研究中国科学技术史过程中提出一个问题：“为什么近代科学没有产生在中国？”他非常赞赏我国古代的四大发明，认为它们是中国古代文明高度发展的象征。不过，四大发明只是技术，不是科学。比如，指南针指示方向，是一种技术；而指南针为什么能指示方向？当中的原理是什么？有什么科学规律？我们却没有找到明确答案。但答案背后的原理和规律才是科学。

科学探究活动是探索科学规律、获取科学知识的有效途径，是培养科学思维、形成科学态度的基本载体，对培养科学精神和创新实践能力具有重要作用。基于科学探究的STEM教育课程的设计，不仅关注知识的获取，还更关注思维与能力习惯的培养与形成过程，对形成良好的学习习惯、提升学习能力具有一定的实践意义。

二、科学探究与STEM教育课程的关系

STEM教育课程主张以解决真实问题为内容主体，组织学生围绕真实情境中的主题开展实践性活动，引导学生应用跨学科知识和方法来解决实际问题。

解决问题之前首先要提出问题。“为什么要提出这个问题”比“提出问题”更重要，它对问题的解决具有推动作用。问题的依据越清晰有力，对问题解决越积极有效。科学探究可以为问题的提出提供科学、有力的证据。

问题解决需要应用相关的知识，因此在解决问题前需要做好相关知识的准备。研究表明，探究学习是目前公认较好的知识学习方式。

工程设计是STEM教育课程中的主要活动内容之一。在问题的引领下，学生经历“设计—实施—检验—修正—再实施—再检验—再修正”等过程，对设计的思考与实施方法的选定都来源于问题提出的依据。这些依据可以是事实，也可以是规律或现象，可以通过开展调查、观察、实验等形式的探究活动来获得。

总而言之，科学探究伴随STEM教育课程学习中，是STEM教育课程学习的根本活动，是STEM教育课程中的一个根本特征。科学探究为问题的提出提供事实依据，为问题解决提供科学依据或参考思路。

三、基于科学探究的STEM教育课程的设计及实施

科学探究的常用方法包括：调查法、实验法、观察法、比较法等，根据问题的不同，可开展不同形式的探究活动。具体操作形式有以下几种：

1.围绕问题的提出开展调查研究

教师为问题的提出进行可行性分析，获得问题提出的依据。以《垃圾分类》项目为例。在提出“垃圾分类中需要解决什么问题”前，学生经历了两次重要的调查研究活动：（1）我们每天产生多少垃圾？从活动中，学生获得了家庭的垃圾产生量，进而计算出广州城市垃圾日产生量，由此引发了对垃圾处理的思考。（2）垃圾分类中存在什么问题？通过开展“比较各种垃圾的处理方法”活动，学生总结出“垃圾分类”是最佳的垃圾处理方案。但从每天垃圾的产生量及日常观察中，学生发现垃圾分类的实效不佳，由此引发了对垃圾分类中存在哪些困难与问题等的思考。

学生经历两次调查活动后，充分认识到垃圾分类的紧迫性及重要性，明确了垃圾分类的重要意义，提高了开展及推进垃圾分类的积极性，由此驱动他们积极地投入《垃圾分类》项目学习中。

2.围绕问题解决需要的科学知识开展探究学习

与传统教学相比，基于科学探究的STEM教育课程学习更能激发学生的学习动机，促使学生主动参与学习。以教育科学出版社小学科学四年级上册第三单元《运动和力》为例。传统的教学是先让学生学习力学知识和研究力与运动之间的关系，再鼓励学生应用这些知识去设计制作小车。这样的学习方式把知识学习与知识应用割裂开来。因为在学习过程中没有对知识的需求，学生往往在最后的设计制作活动中并没有真正把知识运用起来，并不清楚应用背后的原理，使知识的迁移应用大打折扣。

“行是知之始，知是行之成”，在陶行知教育思想指导下，笔者设计了《载重小车》项目。《载重小车》项目的第一、二个活动是设计制作小车，第三个活动是为小车安装动力，不同于教材中安排的教学顺序。虽然学生在制作小车时还不清楚该用什么力驱动小车，如何用力驱动小车以及如何使小车运动得更快，但是这些疑问却变成了激发学生学习力学知识的动机和兴趣。因为他们很想知道如何才能让自己的小车动起来，如何才能让自己的小车行驶得更快更远。这时，学生的学习目标非常明确，而且动力十足。像这样带着任务与问题的学习，使学习具有了实际意义，学生的学习是积极主动的。

3.针对活动中的生成性问题开展科学探究

要培养创新型人才，提高学生的创造力和实践能力，STEM教育课程的学习过程必须是开放的，这样才能使活动过程不断出现生成性问题。生成性问题是由学生在学习中自主提出的，不同于传统课堂由教师创设情境后再引导学生提出问题，它更能激发学生学习的积极主动性，促使学生进入深度学习。

纵观以上三种形式，学生的思维和行为过程基本是：发现—思考—探究—实践，在实践中遇到问题或困难，可以再次重复这一过程。当这一过程不断重复，学生会逐渐形成一定的思维与行为习惯，科学素养也就慢慢养成了。

四、结语

STEM教育课程是科学、技术、工程与数学等学习的有机统一与整合过程。基于科学探究的STEM教育课程强调了科学探究在课程学习中的重要性，希望学生在学习中能够尊重事实，学会使用科学的方法获得问题解决办法及实证依据，进而培养和发展自己的创造力与实践能力。