STEM在小學科學課堂中的應用研究

☉單文濤

STEM 教育與傳統教育的最大的差別是突破學科的局限，并不是單一學科的教育。教師在教學的過程中融入科學、技術、工程、數學等學科的知識，學生在問題的思考、研究、解決的過程中會試圖理解現實問題與學科之間的關聯性，加深知識學習的印象。STEM 教育理念以提升學生的科學精神、批判思維、邏輯思維和創新能力為目標。在如今的時代知識本身的重要性在逐步地下降，未來人才的評判更多是看一個人是否具備溝通協作、創新精神、實踐能力。不斷發展每一位學生的學科理解力與生活理解力，培養學生創造性解決問題的能力，樹立學生審視問題全新的廣泛的視角是STEM 教育理念的不變追求。

一、STEM 的含義

STEM 是科學（Science），技術（Technology），工程（Engineering），數學（Mathematics）的英文首字母縮寫。STEM 課程重點是關于學生科學素養、技術素養、工程素養、數學素養四個方面的教育。STEM 最早是在美國提出的，2009 年美國國家科學委員會發布致美國總統奧巴馬的公開信主題就是《STEM 教育》，2011 年的73 屆國際技術教育大會的會議主題為“準備STEM 勞動力：為了下一代”。美國政府近年來加大從小學到大學各個層次的STEM 教育的支持力度，開展相關教師的培訓工作，解決STEM 教育公平的問題。鼓勵要求科學家多進行戶外演講與課外活動，給學習者提供優質的STEM 學習體驗，來激發年輕人對科學知識的學習興趣。［1］中國2016 年教育部出臺的《教育信息化“十三五”規劃》探索STEM教育?？茖W、技術、工程，數學之間存在著一種相互支撐、互為補充、共同發展的關系，要想讓學生實現深層次的學習，就不能讓學生獨立學習其中的任何一個部分。STEM 教育找到科學、技術、工程、數學之間的隱形的線索，在貌似不相同的問題中找到本質的知識，讓學生在問題的思考、研究、解決的過程中試圖理解現實問題與學科之間的關聯性，讓學生在交互碰撞中加深知識學習的印象，培養學生各個方面的技能。

二、STEM 在小學科學課堂中的應用價值

STEM 教育不是科學、技術、工程和數學知識的簡單疊加，STEM 教育具有跨學科性、情境性、實踐性、協作性、實證性的特點。STEM 教育以提升學生的科學精神和創新能力為目標，主張讓學生通過科學實驗、現場觀察、社會調查的方法，尋找問題的答案，滿足了小學科學的學科特點，有助于提高小學科學的教育品質。［2］小學科學課是科學啟蒙的課程，科學教學對兒童未來的思維形成及素養發展發揮著舉足輕重的作用。我國對小學科學學科的重視程度不夠，忽視了學生科學素質的培養?？茖W是一門具有探索性的學科，很多學校沒有專門的科學實驗室，阻礙學生科學學習的積極性與動手探究能力的提高。STEM 教育側重于科學探究與科學實踐，有助于充分發揮學生的主動性，促進學生向著自主方向發展。STEM 在小學科學課堂中的應用激發學生學習科學課程的興趣。

三、STEM 在小學科學課堂中的應用策略

（一）創建特色科學課堂，提高科學探索的能力

STEM 教育注重各學科知識的融合與聯系，在小學科學課堂上，教師可以讓學生自己動手制作實驗模型、相互協作完成科學項目，解決科學問題，在特色科學課堂上培養學生全新的、廣泛的科學視角。學生在親身的實驗探索中可以對科學知識領悟得更全面、更深刻［3］。

例如，教師在《小車的運動》科學課上主要給學生講解“小車運動的快慢與哪些因素有關”的科學知識。在STEM 教育理念下教師還想從學生的實際生活出發，讓學生在生活中受到科學的啟迪，形成跨學科的知識。各式各樣的小車是學生喜愛的玩具，學生在生活中玩小車時總會不小心把小車折騰到散架。教師給學生一個問題讓學生思考能不能設計一輛“頑固”的小車。本次的STEM教育中科學目標是讓學生體驗穩定性在小車牢固上的使用以及體驗緩沖原理在小車牢固上的使用。技術目標是讓學生自主設計方案，繪制模型，選擇合適的方法使小車變得牢固。［4］工程目標上，學生按照設計圖完成牢固的小車的制作，在測試小車的牢固性后，進行方案的改進與優化。數學目標上，學生學會根據物品的價格，選擇合適的材料制作，核算出最佳的組合方案，學會分析實驗數據，利用實驗數據。教師給學生準備制作小車的工具材料，學生用樂高積木材料箱搭建屬于自己的小車。第一個測試是看哪位同學的小車運動的距離最遠。在第一次的測試中學生發現自己制作的小車有零件散落散架的問題。下一個環節教師讓學生想辦法給自己的小車加固。教師舉例埃菲爾鐵塔，讓學生觀察埃菲爾鐵塔結構上的特點，思考埃菲爾鐵塔屹立不倒的秘密，引出三角形結構穩定性的特點。學生用一次性筷子，橡皮筋給自己的小車加固。在第二次的試驗下，小車的穩定性果然比上一次要好。但學生又發現新的問題，小車的緩沖性太差，在運動的過程中碰到障礙物就會翻倒。教師給學生播放降落傘的視頻，讓學生嘗試給自己的小車加一個降落傘，增強小車的緩沖力。學生用塑料袋作為小車的降落傘，在反復的實驗下學生發現有塑料袋的小車在運動過程中掉落零件的數量要少，運動的距離也會更遠。教師列出實驗材料的價格清單，讓學生用計算的方式算出預算最小的實驗組合。在特色科學課堂上，學生完成教師設計的科學、技術、工程、數學目標，科學精神與探索能力得到鍛煉加強。

（二）創設良好STEM 教學環境，培養學生學習科學的興趣

教師在STEM 科學教學中可以運用多媒體教學設備給學生創造出科學探究的學習情境，以學生感興趣的角度出發讓學生對即將學習的科學知識產生強烈的探索欲望。［5］在科學課堂上以問題循序漸進地引導學生探究鉆研，讓學生在教師的引導組織下共同協作學習，在體驗中收獲科學知識，學會用跨學科的思維發現問題，解決問題。

例如，教師在《多樣的動物》科學課上想讓學生用描述繪畫搭建模型的方法展示青蛙生長發育變化的過程，讓學生在動手實踐與體驗中形成STEM 學科能力。教師選擇用情境創設的方法率先激發學生學習科學的興趣，以學生學習過的課文故事“小蝌蚪找媽媽”情境引入主題，讓學生觀看青蛙生長變化的視頻。在學生觀看的過程中，教師以青蛙為例給學生講解生物的生命周期。［6］教師讓學生在小組中討論青蛙是卵生還是胎生、青蛙的生命周期有幾個階段，不同階段的體貌特征有什么不同、植物或類似動物的生命周期是怎樣的問題。學生通過觀看視頻以及聽教師的教學講解后，知道青蛙的生命周期一共分為六個階段：第一個階段是卵，第二個階段是蝌蚪，第三個階段是長出后肢，第四個階段是長出前肢，第五個階段是蛙，第六個階段是成蛙。教師讓學生用小組合作的方式搭建積木，用積木表現出青蛙各個階段的體貌特征。在小組合作中，繪畫能力強的學生負責在紙上畫出各個生命周期的青蛙的圖形，剩余的組員按照繪畫設計圖用積木搭建青蛙模型。教師讓學生展示自己小組制作的結果，在展示的同時解釋青蛙的生命周期，不同生命周期的階段特征，說出青蛙的變化過程，描述自己小組在模型設計上還存在的問題。教師在此時也要給學生提供有效的反饋，記錄觀察有關學生的青蛙模型制作的信息，總結學生在模型制作中出色的地方和需要改進的方面。建立學生觀察評估表格，在表格中記錄學生的實驗實踐表現，給學生實驗方面的指導，幫助學生在科學課堂上取得更大的進步。

（三）聯系生活實際，養成善于觀察思考的習慣

真實源自生活，教師在STEM科學課堂上要培養學生善于觀察思考的優秀習慣。在遵循科學課程開設目的的情況下，教師還要給學生拓展課程外的、生活中的科學應用，讓學生全面地、多角度地分析看待科學現象，弄懂科學原理，完善學生的科學素養［7］。

例如，教師在《熱氣球上升的秘密》科學課上采用STEM 教學理念，給學生設計不同學科的學習目標?？茖W目標讓學生初步了解密度這一物理量，讓學生理解，在不同的溫度下，空氣的密度有所不同，空氣受熱后體積膨脹，比同體積的冷空氣輕，受熱的空氣就會上升。技術目標是讓學生根據教師提供的材料思考如何驗證猜想，利用現成事物去解決問題，考慮在技術上是否可行。［8］工程目標是讓學生將科學知識與理論應用到現實生活中，體會科學的實用之處。數學目標是培養學生結構空間感。在有機融合的科學課堂上，教師給學生設計多個領域的探究活動。教師首先給學生播放一段熱氣球點火升空的視頻，唯美、清晰、真實的視頻畫面引起學生學習科學的興趣。教師讓學生根據視頻，提出自己感興趣的問題，學生的問題多種多樣，教師選擇兩個問題作為本節課探究的重點內容。第一個是熱氣球是怎么飛上天空的？第二個是熱氣球怎么落下來的？教學的第一步是探究熱氣球上升的因素，教師讓學生在小組中討論。學生討論的結果有兩個，第一個是空氣，第二個是氣球的材質。教師讓學生繼續分享自己猜想的理由。學生覺得沒有空氣熱氣球就飛不起來，如果熱氣球的材質太重了也飛不起來。學生的回答有一定的事實基礎，教師首先要肯定學生的猜想，同時還要引導學生全面的思考問題。學生在教師的引導下想到視頻中的熱氣球上升還有火的作用。教師給學生準備一些實驗器材，讓學生用實驗驗證自己的猜想。在實驗中，學生看到塑料袋上升到空中的現象，教師讓學生總結實驗現象所得的規律，學生說空氣受熱會上升。教師舉例生活中的冷空氣受熱、體積膨脹、質量變輕、上升的現象，讓學生思考其中的原因。第一個現象是早點攤上蒸包子的籠屜，教師讓學生回想自己在早點攤上買包子的情景，當老板把蒸包子的籠屜蓋子打開時，是不是有很多的熱氣上升。還有廚房里的抽油煙機安置的位置，是放在下方還是放在上方。結合實際生活學生發現冷空氣受熱上升的現象很多，只是自己沒有發現罷了。

綜上所述，STEM 教育應用到小學科學教育中是新時代發展的必然結果，STEM 教育在我國從理論走向實踐體現了我國素質教育事業的深入發展。STEM 教育與傳統教育的最大的差別是突破學科的局限，并不是單一學科的教育，STEM 教育理念強調多學科之間的聯系，可以全面提升教育的質量，加快思辨型、創新型人才培養步伐。在21 世紀新時代下，教師要帶著對教育的熱情，在學科教學中融入STEM 理念，將學生的學業與生活結合起來，培養學生全新的、廣泛的科學視角，培養學生溝通協作、創新精神、實踐精神的核心能力，讓傳統的教變為適應未來的學。