例谈STEM课程组织方式在小学科学教育中的应用
吴章德
[摘 ? 要]科学教育应尝试借鉴STEM理念设计课程，尤其是“技术与工程领域”，应融合科学、技术、工程和数学，以项目学习的思路开展研究性学习。同时在科学活动设计中融合验证型STEM、探究型STEM、制造型STEM、创造型STEM等各种类型的活动设计策略，使学生在学习知识的同时提升能力，实现从验证到创新的突破。
[关键词]STEM理念;融合;小学;科学教育
《义务教育小学科学课程标准》提出：倡导跨学科学习方式。STEM是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，它将科学、技术、工程、数学有机地融为一体，有利于学生创新能力的培养。科学教师可以尝试运用于自己的教学实践[1]。STEM是一种重实践的超学科教育概念，科学教师可以将STEM运用于小学科学教育，在STEM教育视域下，通过技术与工程领域的学习，打破常规，大胆尝试学科融合，创新活动设计，以项目学习的思路开展研究性教学活动，使学生综合所学的各方面知识，体验科学技术对个人生活和社会发展的影响。
有學者认为，可根据不同的教学内容将STEM教育活动分为验证型STEM、探究型STEM、制造型STEM、创造型STEM，针对STEM类型的不同，教育策略也有所不同。但不论是哪种策略，都要使学习者经历完整的科学研究过程[2]。在STEM教学方式下，学生并不会自发地像科学家那样进行研究或像工程师那样思考，而是需要教师为他们提供一定的典型材料，设计一定的结构化程序，提供一些必要的指导。同时，从验证型STEM到创造型STEM，研究的成分会越来越多，教师的指导会随之逐渐减少，以促进学生自主性和创造性的发展。总之，在小学科学课的教学中，教师可通过借鉴不同类型的STEM活动培养学生的创新能力，实现从验证到创新的突破。
一、验证型STEM
验证型STEM是在验证性实验的基础上延伸而来的，是当学生对研究对象有了一定的了解，并形成了一定认识或提出了某种假说后，为验证这种认识或假说是否正确而进行的一种项目式学习活动。它强调演示和证明科学活动，更注重探究的结果（事实、概念、理论），而非探究的过程。
如STEM活动“胡萝卜叠高塔”，要求在规定时间里，用一定数量的牙签和胡萝卜现场搭建尽可能高的“塔”。由于六年级学生已经学习了形状与结构的基本知识，知道高塔之所以不容易倒塌与它的结构有重要关系等。所以这项活动更适合六年级的学生。相应地，科学活动的设计应包括以下环节：了解现实生活中的塔;提出问题（怎样叠才能使塔更高）;设计图纸（画出各结构形状）;模仿建造;改进结构;修改设计;创新建造。这样，搭建一个稳定的胡萝卜高塔的过程就成为一个验证和运用所学知识的过程。借鉴验证型STEM活动的科学课程，需要学生有一定的相关知识储备。
二、探究型STEM
探究型STEM在探究性实验的基础上延伸而来，事先不知道可能的结果，探究的影响因素也往往有多种。学生要看到实验结果才能判断实验假设是否正确，并获得某种知识。这一点不同于验证型STEM。
例如，笔者在一次培训中，观摩了一堂“制作一个陀螺”的STEM展示课。教师让学生从观察陀螺的结构入手，通过问题引导学生思考如何制作一个能够稳定旋转的陀螺，并探究影响陀螺旋转稳定性的因素。教师提供了智高玩具器材，让学生从中自选材料制作一个陀螺，并设法让它转起来，通过观察陀螺转动的情况分析影响其稳定性的因素，在改进制作后再进行调试。通过互动交流，学生归纳了一些影响稳定性的因素：一是陀螺的重心，重心越低旋转越稳;二是布局尺寸，陀螺低处的直径小一点，中间偏下的直径大一点，盘面上部的轴要比下部的轴稍长些。展示作品后各组分享了制作经验，并优化了陀螺的结构。紧接着，教师组织学生开展“陀螺大战”，看哪组陀螺旋转最久，进一步引导学生探究影响陀螺旋转时间的因素。有学生认为“转得快的转得时间也长”，教师又追问“如何才能转得快”，引导学生回顾学过的大齿轮带动小齿轮可以使转速变快的知识。然后让学生先画出陀螺的设计图，同时遵循“用最节省的材料打造最优质产品”的设计理念，用现场的智高玩具器材完成制作，并可在制作和调试过程中不断修改设计和改进产品。
又如，笔者所在学校的教师组织四年级学生用硬纸片和火柴等成本更低的简单材料，进行了类似的科学探究。学生先后探究了陀螺盘形状与旋转时长的关系，陀螺重心高低与旋转时长的关系，陀螺中心平衡与旋转时长的关系，陀螺质量与旋转时长的关系，陀面大小与旋转时长的关系等（见图1）。
以上的探究型STEM经历了“模仿设计—收集证据—实践改进—优化思路—创新作品”等过程。科学探究活动与此类似，也可以采取这一形式进行活动设计。
三、制造型STEM
在小学科学课程标准关于课程内容的第四大板块“技术与工程领域”中提出：人类为实现自己的需要，对已有的物质材料和生活环境加以系统性的开发、生产、加工、建造等，这就是工程，工程的核心是建造[3]。而制造更趋向于小型化和具体化，指把原材料加工成适用的产品或器物的过程。
例如，一位教师展示了一节“沙漏”的制造型STEM课。该教师从沙漏的结构入手，通过问题引导学生思考如何制作一个能够计时一分钟的沙漏。教师演示了一只准备好的沙漏，学生发现这只沙漏不能计时一分钟，那么是哪些因素影响了沙漏计时的准确性呢？学生通过讨论交流，归纳了两方面的影响因素：一是沙子的数量;二是漏口的大小。接着，教师请学生利用课堂提供的一些结构性材料制作沙漏。学生在不断的尝试、调试、改进、再调试中，最终制作出了一个计时更接近一分钟的沙漏。
以上教学以完成一件作品的形式，促进了学生的思考与实践，鼓励学生在反复调试与改进中完成制作。这种制造型的STEM经历了“模仿制作—实践调试—优化改进—创新作品”的过程，在促进学生学习知识的同时，提升学生动手操作和积极思考的能力，使学生体验了将原材料加工成适用产品的过程，并获得了成就感。
四、创造型STEM
小学科学课程标准中还提到：人类运用科学、技术和工程，创造了丰富多彩的人工世界。课标在活动建议中也提出：教师应指导学生，通过设计和制作一件作品或产品，了解设计作品、完成项目的基本过程;体会科技产品给生活带来的方便和舒适;认同创意设计能够改善生活质量[4]。科学教育要让学生认识到创造给社会带来的益处，引导学生用创新的思想进行创造，有意识地对世界进行探索性劳动。而创造型STEM强调培养学生的创新意识，与课标的要求高度一致。
例如，在“灯彩针刺”的创造型STEM课堂上，教师从引导学生欣赏非遗灯彩导入，通过交流灯彩的八大技法，即针、裱、糊、画、刻、扎、结、拗，让学生体会丰富的民间文化和灯彩工艺的特点。在接下来体验八大技法中的针刺技法环节，教师引导学生观察灯彩，了解哪个部位是针刺，并交流针刺的作用与特点，让学生了解好的针刺应具备的特征。课堂上，学生利用教师准备好的材料和工具进行了尝试、展示、交流、改进、创新、再尝试。最后学生总结出了好的针刺应具备圆润、细腻、透光性好等特点;体会到操作的技巧是要扎得深、扎得直、扎得匀;认识到针刺时心要细、手要慢，还要有耐心。最后环节是对比人工针刺与机器针刺的不同，体会到人工灯彩针刺作品更具灵活性和创新性，并由于人在劳动中倾注了情感，使每一件灯彩都成为独一无二的作品。这堂科学课，不仅让学生在实践中体验了灯彩针刺的技能技巧，更重要的是鼓励学生在基本技法的基础上，大胆创新，制作出富有个性的灯彩针刺作品（见图2）。
綜上所述，每种类型的STEM活动都有其侧重的一面，但不同类型又有其共通之处，甚至有时很难区分它们到底属于哪个类别。在小学科学课程活动设计中，特别是涉及技术与工程领域时，可以通过预设问题情境，在“模仿设计—实践改进—优化思路—创新作品”的过程中，引导学生思考解决问题的方案，设计制作工具或“产品”来解决现实问题或满足现实需要，促进学生在学习知识的同时提升综合能力，并学会运用理性方法对问题进行验证。
总之，STEM教育提倡科学、技术、工程、数学等不同学科之间相互支撑、相互补充、共同发展，倡导不同学科之间的相互融合，在交互与碰撞中使学生加深对知识的理解，实现更有意义的学习，真正培养学生的工程思维与科学精神。小学科学课程是实施STEM教育的良好载体，教师在考虑如何将STEM活动或学习方式引入小学科学课堂时，更要有意识地将STEM教育理念融入科学活动的设计。
参考文献
[1][3][4]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2017.
[2]傅骞，刘鹏飞.从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究[J].中国电化教育，2016（4）：71-78，105.
（责任编辑 ? 郭向和）
