实施STEM 理念的“4D 课堂”教学范式的案例分析——以“做个太阳能热水器”一课为例

贵州省湄潭县实验小学 封建伟

科学课标中指出了科学学科的核心概念，相关核心概念不仅针对科学概念，还与工程、技术等素养有关。在科学的教与学的活动过程中，落实好工程、技术教育，自觉融入数学思维，对推动社会的发展有着积极意义。STEM理念就是把科学、技术、工程、数学融合在一起，倡导跨学科融合的理念。因此，在科学教学中有必要去落实好STEM的理念，培养学生的STEM素养。

一、STEM教育和STEM素养

一般来说，STEM教育就是在引导学生学习的过程中，通过动脑思索、动手设计、合作探索，利用科学原理，运用跨学科的理念，解决一些实际问题或者进行工程设计的教学行为。STEM素养包含科学素养、数学素养、技术素养及工程素养。科学素养是能解答“为什么”的能力，能解答事物的原理规律，让学生“知其然”的同时“知其所以然”；技术素养是利用已有的科学认知，进行设计并解决实际问题，在此基础上所形成的解决问题的能力；工程素养是进行实践操作的一种能力体现，是把思维物化的一种能力；数学素养是学生对数量、空间关系认识的一种思维品质。

那么，如何有效地融合STEM的理念，培养学生的STEM素养呢？根据课题实践的研究，我们在课堂教学中采取教学“四步走”的方式，按照“4D课堂”教学范式的流程，开展组织教学，能够有效地达到目标。

二、“4D课堂”教学范式的概念

在实践教学中，我们总结了基于STEM理念的关于科学教学的“发现（Discover）—设计（Design）—行动（Do）—展示（Display）”“4D课堂”教学范式。

发现（Discover），是在科学教学中让学生从情境中发现问题，让学生在教师设置的情境中学会“提出问题”。“发现”是一节科学课的首要环节，科学教师在开始上课时要重视“发现”的价值，想方设法去创设一些与课题相关的情境，激发学生的学习兴趣和探究欲望，让学生去“发现”有价值的问题，为接下来的学习做好铺垫。

设计（Design），就是学生针对发现的有价值的问题，开展头脑风暴，利用图表或者文字等形式呈现出解决问题的思路、办法等。设计的过程即为充分发挥想象力、创造力的过程。“设计”指向学习素养中“建立联系”的学习能力的培育，教师在教学中要引导学生通过知识与知识之间的联系、知识与情境问题之间的关联，开展人与人之间的交流讨论、头脑风暴等，形成解决问题的基本方案。

行动（Do），就是通过动手实践不断修正自己的解决方案，最终形成最佳的理论方案或实物作品。“行动”离不开方案，是在方案设计的基础上通过学生的实践活动来体现的。在行动的过程中，学生还要不断地对解决问题的方案进行修正和完善，在实际“动手做”的过程中深化学习，克服困难，最终完成项目化学习。可以说，行动是学生的创造力、团结协作能力、动手能力的综合体现，是落实STEM教育的“工程”和“技术”的环节。

展示（Display），就是将内化的知识进行外显。通过展示，可以培养学生表达与交流、倾听与接纳、融合与建议的能力，是一种高阶的思维层次。

三、“4D课堂”教学范式的案例

下面，笔者以“做个太阳能热水器”的案例来诠释“4D课堂”教学范式。

（一）发现：激趣导入

1.展示生活中大家所使用的太阳能热水器的图片。

2.提出问题：太阳能热水器是如何工作的？它和我们这个单元的内容有什么联系？

学生回答后，教师小结：前面我们学了“光与热”“怎样得到更多的光和热”，知道光强温度就高、深色物体比浅色物体吸热快、物体与阳光垂直比倾斜吸热快等知识。这堂课我们就要运用所学的知识做一个太阳能热水器。

目前在生活中大多数采用的是电热水器，即使用了太阳能热水器，很多人都把它安放在屋顶，学生不易观察到，所以需要用图片让学生对太阳能热水器有初步印象。通过问题把太阳能热水器和本单元的知识建立联系，让学生感受到科学知识的价值与用途，搭建起迁移知识、运用知识解决问题的桥梁。在小结的过程中，让学生知道可以从哪些角度去提高太阳能热水器的效能。

（二）设计

1.介绍太阳能热水器。

（1）太阳能热水器是利用多种科学原理设计出来的一种光热转换器，具有节能、环保、安全的优点，它的构造怎样？它是如何工作的？

教师安排学生先整理资料，然后进行汇报。

（2）现在请几位同学上来汇报收集到的关于太阳能热水的资料，与大家分享。

教师介绍太阳能热水器的构造（放课件）。太阳能热水器的组成包括：太阳能集热器、控制系统、绝热储水箱（保温箱）、连接管道、支架等。

2.想一想：

集热器有什么作用？绝热储水箱是用来做什么的？

教师小结：利用集热器吸收阳光，把光能转化为热能，并通过储水箱来储存热水。

3.工程设计：设计制作太阳能热水器。（1）明确目标：接下来设计一个太阳能热水器。

（2）出示设计要求：能够储水200毫升；能够尽可能地在15分钟内使热水器中水的温度升上去。（多媒体出示）

（3）思考：

①为了让热水器尽快地升温，我们要考虑哪些问题？采取哪些措施？②主要应该包括哪两部分？③需要选用什么材料做？

4.小组先根据要求讨论思考的问题，阅读书上的设计方案。

5.学生小组设计制作方案，绘出设计图。

竖井掘进机的偏斜控制系统工作原理如图3所示，包括测斜系统和纠偏系统。测斜系统由位移测量系统和姿态测量系统组成。位移测量系统包含井筒上部的激光发射器和掘进机上部的PSD光电位移传感器平板，可以从光电传感器平板读取竖井掘进机轴线与井筒设计轴线的偏斜量；姿态测量系统包含2个高精度角度传感器，可实时监测竖井掘进机主轴倾角。

6.学生分组自行设计。

学生思考后知道可以从哪些地方去进行设计，并把思考的结果转化成方案，这是理论物化的一个中间环节，也是体现学生创新能力的过程。学生设计的方案可能有不恰当的地方，这个时候就需要参考教科书上的实例进行设计方案的调整。但教科书上的方案也仅是参考，目的在于给学生提供一个思路。在参考实例后学生动手设计制作才是本过程的核心。这样不仅能使学生的动手能力得到锻炼，而且学生的设计思维也能进一步与实际操作相衔接。

（三）行动

学生按照设计图动手制作太阳能热水器，教师巡视指导。

这是课堂的中心环节，也是学生最感兴趣的一个环节。为了提高学生的动手能力和课堂效率，教师一定要明确分工，让学生按照设计图进行动手制作，在行动中让学生修正方案。

（四）展示：展示太阳能热水器

1.各小组出示设计制作的太阳能热水器的模型，并介绍各自的设计理念。

3.检验我们制作的太阳能热水器。检验的标准：能够装水200毫升，能够在较短的时间内把温度升上去。每隔2分钟测一次温度。为了公平，制订以下规则：装同样温度的水，要同时放在阳光下，要实事求是地记录数据。

4.反思改进。（1）提出问题：我们的太阳能热水器在外观设计上是否美观？（2）我们制作的热水器升温和保温效果怎么样？有哪些不足？（3）怎样改进才能使我们的热水器升温快、保温效果好？

以上是评价交流的环节，为了设计方案的可靠性、合理性以及科学性，教师要重视这个交流环节，鼓励学生相互学习，取长补短，为后面的反思改进奠定基础。教师要引导学生运用前面的知识，发挥创新性，不要局限于已有的方案和作品，以设计出更好的简易太阳能热水器。

四、“4D课堂”教学范式的实施意义

在实践过程中，教师根据“4D课堂”教学范式开展课堂教学，课堂教学流程清晰，教学环节的处理逐步规范，教学时间的分配比较恰当，课堂效率得到提升，教师的执教水平得到快速发展。

通过这一教学流程，教师可以构建“动脑设计、动手制作、团结协作、多元并举”的STEM课程方法体系，并在此基础上提升学生的科学素养。STEM课程的主导思想是让学生在主题项目式的科学学习中进行探究、实践、思考，整合学科理论，提高学生解决实际问题的能力。教师应根据不同学段学生的特征设置有梯度、进阶式的STEM课程，通过实施STEM理念的教学，促进学生创新思维的发展和科学素养的提升。

助推教师用跨学科的思想与理念解决生活中的实际问题。在教学流程中，我们需要运用跨学科的思想去解决一些实际问题，把解决问题、工程设计、研究性学习、项目教学、探索性学习等多种教学理念融合在一起，把不同的、相互有联系的学科或课程融合为一个整体，让学生能综合运用多种技能解决实际生活中遇到的问题。

开展STEM的教学活动，我们主张通过学生在参与式的项目学习体验中获得自主学习的方法，并不断提升自学能力，让学生积极动手、动脑，参与学习过程。项目式学习活动为学生提供了足够动手做的学习体验，学生应用所学的相关知识应对现实世界问题，经过一系列紧密连贯的体验过程，创生新思想、新设计、新产品、新成果。因此，基于STEM的科学教学活动具有体验性特征，学生在参与、体验的过程中获得知识，这就将获得过程性与结果性知识自然地结合。这种在参与、体验中习得知识的方式为学生在后期的学习中奠定了坚实的基础。