STEM课程中结构性材料的选取

陈露

〔摘    要〕    近年来，为培养创新型、复合型人才，提高我国在国际上的竞争力，强调以技术应用和工程设计为主的多学科融合课程——STEM课程在全国各地陆续开展，也相继开发出一系列本土化STEM课程。然而，笔者发现，很多STEM课程配套的材料过于复杂，并且许多教师在进行STEM课程教学时过于强调探究过程的复杂性，将STEM课程上成手工课或拼搭课，而忽略了学生思维能力的提升。本论文运用文献研究法、案例分析法、比较分析法，分析了STEM课程的实施现状与存在问题，结合“可穿戴的LED”STEM课程案例，总结了基于STEM课程材料的结构性主要体现在哪些方面，以期为进一步完善小学科学STEM课程提供理论指导。

〔关键词〕    STEM课程；结构性材料；课程融合；工程设计

〔中图分类号〕  G424               〔文献标识码〕  A        〔文章编号〕  1674-6317  （2023）  09-0073-03

从20世纪90年代开始，世界各国为培养尖端科技人才纷纷开展STEM课程教育，强调课程知识的学习应服务于实际技术应用。为顺应国际形势，积极培养创新型人才，提高国家竞争力，我国教育部于2016年开始陆续出台相关政策。为积极响应国家号召，STEM课程的开发与应用在全国各地如火如荼地展开。

STEM课程教育是科学、技术、工程、数学的多学科融合，是基于建构主义学习理论和美国心理学家加德纳提出的多元智能理论的新型教育方式，也是现在基础教育阶段改革的重点。现今开发的STEM本土化课程大多以基于工程设计的整合型课程为主，强调在动手操作过程中，多向发展学生的思维。但是STEM课程在实际本土化应用的过程中依旧出现了多方面的问题，如，STEM课程标准尚未完善、STEM课程设置不够合理、教学模式不够灵活、STEM教师培养不到位等。这些大方向上的问题多数是由于STEM课程引入年限太短，教师缺乏相应的教学经验。随着理论的不断完善以及实践不断试错，相信这些问题都会得到相应解决。除此以外，还有一些亟待解决的细节问题，比如，很多教师在教学中会陷入一个极端误区——将STEM课程与手工或拼搭课程混为一谈。出现这种情况，除了有教师对教学本质没有清晰认识的原因外，还因为忽略了材料的结构性。

现在学校开展的STEM课程大多分为三种：利用社团时间开展长期的STEM课程教育，这些教育大部分会使用已开发的STEM课程，配有现成的教学思路和所需材料；为适应我国的小学科学课程教育情况，给学生提供更高效的教育，将部分教材中的课程以STEM课程形式呈现，这时候就需要教师重新设计教学流程以及进行材料选择；教师自编STEM课程，开展或长或短的STEM教育活动。不论是哪一种，在实际教学过程中都会出现以下几个问题：1.部分配套材料实验效果并不明显，需要选择更合适的实验材料；2.有些结论通过不同的方法也能实现同样的实验效果，但是产生的教学效果会大相径庭；3.随着科技的发展，部分实验可以用更科技化、信息化的方式呈现，用更科学、更严谨的数据帮助学生理解。

STEM课程是以工程设计为基础的综合性课程，有其相对固定的教学模式，工程设计类的课程大部分以ADDIE的传统教学模型展开。该模型包含5个阶段，分别是：分析（Analysis）、设计（Design）、开发（Develop）、执行（Implement）和评估（Evaluate）。基于STEM理念的ADDIE教学模型在小学科学课程中依旧适用，而如何在各个阶段发展培养学生的科学素养则是每位教师需要思考的问题。课程的铺设与展开往往离不开教学材料的选择，尤其是以工程设计为主的STEM课程，材料往往多且复杂。好的教学材料选择能够事半功倍，学生能较快地记忆和理解，甚至能够举一反三，实现预期教学目标。因此在STEM课程中尤其要重视材料的结构性。下面，我将以STEM课程“可穿戴的LED”为例，简单谈一谈在STEM课程的教学过程中如何选择合适的材料，构建高效课堂。

最早提出“结构性材料”理念的是兰本达教授，他主张将课堂结构分为两个部分：探究和研讨。在“探究”过程中，学生围绕研究目的观察、变革经过教师精心选择和组织的“有结构的材料”（即包含着概念的材料），收集事实和数据；“研讨”就是将获得的事實和数据汇集起来，进行集体讨论、加工，根据学生发展的水平寻找其中的规律。因此，我认为，STEM课程中材料的结构性主要体现在以下几个方面。

一、选取的材料要适应学生学情

STEM课程强调学科的整合，这本身就具有一定的难度，在教学过程中更要注重学生思维的发展程度。教育家夸美纽斯依据“自然并不使自己受过重的负累”的自然主义观念，提出教学适合学生的年龄和接受能力。18世纪的启蒙运动思想家卢梭也提出“遵循自然，跟着它给你画出的道路前进”，强调教学要遵循学生内在的自然发展。以“可穿戴的LED”为例，这个课程涉及的主要知识以“简单电路”为主，新教材改革后，“简单电路”的概念建构主要在三年级，那么在不同年级开设时，一开始接触到的任务设计和材料就会有所区别。

从设计“会发光的可穿戴设备”问题引入后，在设计及开发阶段大体可分为以下几个流程。

三年级的学生需要从头开始建构“简单电路”的概念，选取的材料就要从最简单的小灯泡、电池以及导线开始，一步步建立起“只有形成闭合的通路，才能点亮小灯泡”的认知，再将小灯泡替换成其他用电器。同时，三年级学生掌握串、并联电路也有一定难度。在三年级开设时，可以只点亮一个用电器；四、五、六年级的学生动手能力比三年级学生强，也已经有了“简单电路”概念，在稍微复习后就可进入点亮电光源的步骤；五、六年级的学生甚至可以酌情引入万用表、照度仪的介绍和使用。

二、选取的材料要具有可操作性

科学是一门以实验为基础的自然学科，实验可以帮助学生形成认知、建构概念，也能在学习过程中调动学生的积极性。不同实验材料的选择会对学生学习积极性的调动产生影响，因此有些教师在进行STEM课程教学时，往往会因为过度追求调动学生的学习积极性而选择一些结构过于复杂、操作难度高导致学生不易操作或理解的材料，这样反而会本末倒置。教育学家维果斯基提出的“最近發展区”理论决定“教学应该走在发展的前面”，从而提出“支架式教学”，即教师应当为学生理解知识提供一种概念框架。这种概念框架中的概念是学生进一步理解问题所需要的，而教师在“搭建支架”引导学生进行概念建构时，也要充分了解学生的“认知发展区”，不能误判学生的能力。这就要求教师在选择实验材料时，应该遵循学生的认知发展规律，不宜选择太复杂、难度太高的材料，否则不仅会对学生的概念建构过程产生影响，失败或消极的情绪也会反作用于学习动力。同时，跳跃式的实验难度对学生思维能力的发展也会起到阻滞作用。

在上述STEM课程案例中，帮助三年级学生建构“简单电路”概念时，用电器最好选择小灯泡和小电扇。选用小灯泡，便于观察小灯泡的内部结构，帮助学生建立“闭合电路”的概念；选用小电扇，能让学生不落窠臼，不限于“用电器仅能用小灯泡”的误区。与其他用电器相比，这两样材料都更贴近生活且结构简单易操作，学生可以通过观察、动手等方式获得直接经验和形象记忆。如果选用其他高端电子产品则不利于学生理解。建构主义学生观强调重视学生本身已有的经验结构，教学活动必须建立在学生已有的知识经验基础上。选用生活化的材料更有利于帮助学生建立“概念和表象”，形成对问题的解释，充分体现学生的学习过程是在教师的引导下自我生成、自我建构的，再在此基础上拓展或深化学生已有的知识经验，逐步形成良性的认知循环。

三、注重材料的出现及分发顺序

实验材料是科学探究活动的基石，它在使用上具有时间的优势。这里实验材料的结构性主要体现在探究层次的丰富性。STEM课程的材料一般都较多，教师在进行教学设计时，需要通过对实验材料的选取和组合，确定实验材料的呈现顺序，让学生发现和提出问题，逐渐形成材料的结构性。而不是进行到这一步时，教师直接将其发下去，学生简单机械地拼搭。否则这就是一节手工或拼搭课，而非探究课。

在上述STEM课程案例中，部分材料应由学生自己发现并提出需要，教师再将其呈现。如，需要能够戴在手上的LED，那么电池和灯泡就不能选择太大的，学生自然能联想到小号的LED灯泡和小号纽扣电池；为了节省电量提出需要开关；比较做成的LED穿戴设备的亮度，需要照度仪；等等。此外，拿到材料后也不是直接就能进行实验探究，很多材料需要先仔细观察它们的结构，尤其是在概念建构的过程中，比如，了解小灯泡、电池、导线的结构更有利于学生建构“闭合通路”的概念。在ADDIE的STEM课程教学模式下，还需要对最终产品进行评估。评估过程中出现的问题会再次引导学生思考材料的选择或制作过程中的问题，从而进一步改进。只有注重材料的出现及分发顺序，整个STEM课程活动过程才能层次分明，条理清晰，使学生在逐渐复杂的问题中，思维活动步步深入，促使学生进一步发现，学生的思维也伴随着对这些材料的操作而不断推进。总而言之，教学过程应该遵循从感知到理解、从理解到记忆，再到运用的过程。以夸美纽斯唯实主义理论为基础建立的教学论认为，“知识的开端必须永远来自感官”，脱离感知和理解的活动只是机械化学习，学生的思维无法得到发展，知识的运用更无从谈起。

本论文基于STEM课程下结构性材料的研究与应用提出了三点建议，除此以外，材料的安全高效也是教师要考虑的。结构性材料的开发与在STEM课程中的实际应用还有很多值得研究的地方，需要广大学者进一步探索。

参考文献

[1]徐雯.基于工程设计的小学整合型STEM课程开发与应用研究[D].南京：南京邮电大学，2019.

[2]叶倩.美国K-12阶段STEM课程标准和课程类型研究：以印第安纳州为例[D].桂林：广西师范大学，2019.