STEM教学案例探析——以《设计喂鸟器》为例

李倩 李红艳

（淄博高新技术产业开发区华侨城小学，山东 淄博 255086）

随着教育模式的革新，教育正在全球范围内被重新定义。近几年，STEM 教育理念被越来越多的人所认可，培养具备综合素养的下一代是教育者的终生奋斗目标。在美国，培养具有STEM 素养的人才，成为全球竞争力的关键。美国政府也在不断加大对从小学到大学各个层次的STEM 教育的支持力度，鼓励改善STEM 教育，以激发年轻人对科学知识的兴趣。在我国，这几年也在尝试推广STEM，《教育信息化“十三五”规划》中明确指出有效利用信息技术推进“众创空间”建设、探索STEM 教育、创客教育等教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识。2018 年伊始，学校引入项目式学习，开始进行跨学科融合教学研究，以新型的教学方式探寻学生发展核心素养的新途径。全新的学习方式，带动了教学的多方位联动，自上而下地改变着学校教育的生态。如何将STEM 与学科教学进行融合，我们不断进行尝试，在四年级开展《设计喂鸟器》的项目活动。

一、《设计喂鸟器》引入背景及意义

确定问题之前，先了解“什么是STEM？”STEM 教育融合科学、工程、技术和数学四大领域。这四个领域之间存在着一种相互支撑、相互补充、共同发展的关系。任何一个部分都不能独立，只有在交互和碰撞中，才能实现深层次的学习。

人与动物和谐相处，可以促进社会内部和谐，加快社会主义精神文明建设，提高国民综合素质和社会整体道德水平。小学生喜爱自然，对很多动物有天然的亲近感，引导学生正确认识人与动物的关系，可以培养学生爱护动物的意识与行为。以此为背景确定了本项目。通过这样的情境导入，让学生初步感知：入冬后天气寒冷，鸟儿觅食将存在很大的困难。那么，作为小学生的我们，可以为鸟儿做些什么呢？我们是不是可以做一些喂鸟器来帮助鸟儿觅食？让鸟儿在寒冷的冬季有个温暖的休息站？这些都在一定程度上激发了学生爱护帮助鸟类和设计、制作“喂鸟器”的欲望。

在研究之前，要先得知学生的兴趣点及知识面，以此展开研究。讨论通过什么方法保护冬天的鸟儿，制作喂鸟器成为首选，于是确定研究主题。由于学生在生活中了解到的关于“鸟”“喂鸟器”的知识都是零散的，首先要进行的是前概念补充。于是对四年级学生对鸟类的认知情况进行了调查：一是研究鸟类的身体构造、不同类型的鸟嘴、鸟类生存环境与身体构造的关系、周边常见鸟类；二是在校园内或周边借助望远镜或其他设备观察鸟类，再借助网络详细了解，完成活动记录表。

在STEM 活动中一个富有挑战性的问题可以激发学生的兴趣。在“设计喂鸟器”项目中，根据学生的调查研究，提出许多问题。这个喂鸟器有什么好处？设计喂鸟器要考虑哪些因素？选择什么样的材料制作喂鸟器？要给鸟儿喂哪些食物？食物和鸟喙又有怎样的联系？等等。

学生经过查阅资料了解到，鸟类的喙主要用来获取食物、捕捉、叼住、撕咬以及水中过滤食物，有时也用于攀登、修饰、争斗和筑巢。每种鸟的捕食习惯都与它们喙的形状和大小有直接关系。喙的多样化使得它们适合吃不同的食物，这样多种不同的鸟类就可以在同一个地域中生活。

学生经过小组讨论表示，喂鸟器要有喂食区、饮水区、休息区，设计喂鸟器既要考虑喂鸟器的牢固性、防水性，还要考虑环保等因素。喂食口的高度要考虑鸟的身高，站台要能承重。在选择材料时都表示选择环保材料，比如塑料瓶、易拉罐、罐头盒等，这些材料具有良好的防水效果，鸟儿可以在盒底落脚，盒身又能像伞一样为鸟儿遮风防雨。

通过一系列的搜集和探究活动，借助学生的讨论和交流，教师引导和启发学生的思维，将书本知识和现实生活中的问题进行链接，将主动权还给学生，让学生成为探究的主体。这样既提高了学生的探究兴趣，又培养了解决问题的能力。同时向学生渗透环保教育和爱护鸟类等动物的理念，进行德育教育。

二、《设计喂鸟器》教学实践过程

（一）《设计喂鸟器》教学基本信息

（二）《设计喂鸟器》的教学目标

通过让四年级学生调查研究、运用多种方法去研究认识鸟类、进行工程设计、制造完成喂鸟器产品、测试产品、进行产品发布这样一个过程，使学生在逐层分析和逐步解决问题的过程中获得知识，了解喂鸟器的工程原理。在面对新问题寻找切入点的过程中，培养创新、创造能力。同时，通过让学生动手制作，体会科学和工程在实际生活中的融合方法，培养学生对工程设计的认识，体会探究的快乐。

（三）《设计喂鸟器》预设问题

1.实用性设计。要制作一个喂鸟器，首先要考虑其实用性，那么就要考虑选择一样容器来盛放食物，这个容器可以是瓶子、罐子等能盛放食物的，但还要考虑到食物颗粒的大小问题，一般情况下，我们喂食的食物主要以小米等为主。所以盛放食物的容器可以选择有镂空的，但不能镂空太多，至少要保证食物不漏出来。

2.材料选择。喂鸟器很多是放于室外的，这就需要考虑挡风遮雨的问题。因此，材料需要是能防水的。进一步思考：为什么要选用这种材料呢？所选材料要尽可能地为鸟儿进行遮挡，也要保证食物不被雨打湿。还要考虑所需要使用的其他材料及工具，如胶枪和胶棒主要用来粘接，剪刀主要进行裁剪，等等。

3.考虑安全因素。小组合作时相互提醒与关注，尤其注意尖锐物品，如剪刀头、塑料瓶剪开的口、牙签头等，还要注意不把尖锐的一面对着人，以免出现安全事故。如确实有困难，及时向教师寻求帮助。

（四）《设计喂鸟器》教学策略

1.搭脚手架。围绕《设计喂鸟器》项目，通过启发学生观察和研究身边的鸟类出发，让学生按“最近发展区”建立概念框架。

2.独立探索。根据学生自身的研究，教师引导学生思考“为什么要设计喂鸟器”“设计喂鸟器需要考虑哪些因素”“选用什么材料做喂鸟器最合适”。通过思考，让学生自己分析，沿着概念框架继续攀升。

2.2.1 女生体质健康标准测试各指标间相关分析 从表4（见下页）中可以看出，体重与50m跑、立定跳远、一分钟仰卧起坐，BMI与一分钟仰卧起坐共4组变量间相关无显著性外，其余变量间相关都具有显著性。

3.合作学习。面对每个人的思考，综合考量最合适的方案。经过小组协商，可以使原来多种意见矛盾的复杂局面逐渐变得明朗、清晰。在共享思维的基础上，达到对概念全面、正确地理解，最终完成意义建构。

4.效果评价。通过组内互评、组间互评，完成对自主学习能力、对小组贡献、改进完善作品的评价。促进学生对STEM 意义的理解，提升自身的信息素养。

（五）《设计喂鸟器》教学过程

1.绘制设计图。基于以上的研究，学生首先绘制自己心目中的喂鸟器，大部分同学在设计过程中，富有创造力，甚至加入了很多科技色彩。但忽略了其他问题，比如成本是否增加、是否具备可操作性等。绘制完成设计图后，学生在小组内进行自评和互评，互相指出优点及需要改进的地方，明确评判和制作标准：一是能给鸟儿喂食，二是可以遮风挡雨，三是适当考虑外形美观。这样以任务驱动引发学生制作喂鸟器的兴趣，让学生有了一定的想象与选择的空间。最后选择相对最优设计图作为最终设计图，进行讨论、修正、完善，形成定稿。接下来，组间展示小组设计图，并对作品进行投票，选择最实用的、最牢固的、最符合工程原理、最美设计……各小组阐述投票理由，学生各抒己见，畅所欲言。根据组间建议，各小组再次对设计图进行完善，像真正的工程图纸一样，用图片和文字明确自己想要制作的喂鸟器是什么样的。比如，每一部分用什么材料？尺寸和比例是怎样的？怎么对各部分进行粘接？包含了什么样的科学原理？通过工程图，让学生对完成整件作品有一个清晰的认知，明确每一个步骤。

在这个环节中，教师会担心学生是否具备完成设计图的能力，事实证明，学生具有惊人的创造力和设计力。在STEM 课程中，教师引导小组学生共同完成，学生之间互相提醒、互相补充、互相修正，逐步搭建支架，不仅培养了交流合作的能力，而且体会了工程制作的原理。

在STEM 教学中，学生经历设计活动后要充分展示和交流，在质疑中完善。交流的过程，既是思维显性化的过程，又是思维精细化的过程。我们要求学生将自己的作品张贴到黑板上，让每一个学生充分了解每一件作品，交流时能够有理有据。最终评选出最具创意设计、最合理设计、造型最美观设计。

设计是制作的前提，也是工程技术的核心问题。让学生通过探究过程中获得的知识，解决现实问题，将想法呈现在纸上，促进思维的发展。

2.设计制作喂鸟器。准备好材料后，给学生两小时的时间进行制作。制作前各小组明确分工，由组长做总指挥，组员按组长的要求完成相应任务。小组成员热情高涨，积极参与。但每组动态又各不相同。多数小组能够达成共识，进展顺利。有一个小组因成员意见不一致，迟迟未动。有一个小组的罐头罐太过坚硬，制作过程中颇费了一番力气。各小组在制作的过程中不断发现新问题，不断修正。完成制作后，对喂鸟器进行测试。各小组在老师的带领下，将喂鸟器放到鸟儿常出没的地方。测试时间为三天。学生每天自行观察、记录。三天后，发现有的喂鸟器已经散架、有的掉落、有的喂鸟器食物没有减少。各小组根据出现的问题进行二次设计。小组成员聚在一起讨论优点和不足，反思整个设计，提出改进方案再设计。二次设计时抛弃了原来的理想主义，在牢固性、轻便性、防水性上再下功夫。

通过制作喂鸟器，学生在实践中深刻理解了STEM对科学、工程、技术和数学四大领域的融合。学生在制作过程中，运用测量、建模、论证等方法，体会到做中学的乐趣，培养了将科学运用到工程的实践能力。

3.项目发布。作品发布会是最精彩的部分，各小组分享成果并听取他人意见，展现沟通、质疑、协作能力。在展示过程中，所有学生聚精会神，认真倾听。八组的“爱心喂鸟器”展示结束后，有的同学提出：“没有站台，鸟儿如何吃到食物？”“遮阳伞太小了，如果下雨或者下雪，喂鸟器不就被淋坏了吗？”这样的问题。九组的“环保喂鸟器”展示结束后，有的同学提出“你们的喂鸟器喂食口太小太长，鸟儿吃食很不方便。能不能再拓宽喂食口？”……学生几乎都能根据每组的展示，提出质疑，给出合理的建议。通过评价，大大提升了学生的工程思维，确保教学目标的完成。

（六）《设计喂鸟器》教学评价

绘制完成设计图后，学生在小组内进行自评和互评，互相指出优点及需要改进的地方，并选择相对最优设计图作为最终设计图，进行讨论、修正、完善，形成定稿。接下来，组间展示小组设计图，并对作品进行投票，选择最实用的、最牢固的、最符合工程原理、最美设计……各小组阐述投票理由，学生各抒己见，畅所欲言。

作品发布会，台下学生纷纷提出肯定的和有建设性的意见，评价喂鸟器功能是否完善、是否满足要求。重点是喂食口大小和高度，是否方便鸟进食；防水能力是否够强，不要出现渗水、开胶的情况。

通过评价，大大提升了学生的工程思维，确保教学目标的完成。

借助《设计喂鸟器》这一项目，希望每个学生能够通过设计、制作、改进、实践等过程的体验，进一步了解鸟儿的生活状况，切实体会到保护鸟儿、保护环境的重要性，从而在孩子们心中种下发现问题、解决问题的种子。

三、实施《设计喂鸟器》案例后的反思

（一）STEM教学要求

教师掌握系统的专业知识和专业技能，这是开展STEM 教学的基础和前提。基于教育价值方面的考虑，教师要理解STEM 教育、理解学生、理解科学教学；基于学科整合方面的考虑，教师要具备相关学科基础，并具备探究和指导的能力；基于教学能力方面的考虑，通过教学，要帮助学生建立工程思维和素养；基于专业发展方面的考虑，要不断自我反思、自我评价、自我发展，提升自身的专业化水平。

（二）STEM要解决真实的问题

以实际生活中的问题为出发点解决问题。比如“设计喂鸟器”项目，“冬天到了，天气变冷，食物减少，鸟儿们怎样解决吃住的问题？”从身边的问题出发，切实寻找解决问题的办法。如果只是根据常识就急于展开制作，设计过程有了，但缺乏前期调查和思考，活动的价值会打折，评价也会没有着力点，最终学生也不会习得多少STEM 素养。

（三）STEM教学要以学生为中心

STEM 的起点并不完全是学科知识，只要有兴趣，具备探究精神就可以开展。在整个设计“制作喂鸟器”项目中，我们完全信任学生，为学生提供充足的探究时间，包括制作环节，教师没有过多干预，让学生在动手过程中自己发现问题、解决问题、修正问题。只有这样，学生工程意识和科学素养的种子才能萌发，直至长成参天大树。

先进教育理念的引进，要与学生的发展核心素养匹配，让STEM 教育落地生根，是我们努力追求的目标。