基於STEM理念的科學課教學
文 | 鄧翼濤 樸蕾
近年來，隨著教育改革與科學教育發展，STEM教育逐漸受到人們的關注，相關研究加速增長。2017年教育部頒布的小學科學新課程標準指出，小學科學課程是一門基礎性課程、實踐性課程、綜合型課程，強調領域間的相互滲透和聯繫。從STEM教育的發展進程看，跨學科整合性是STEM教育的發展趨勢。跨學科意味著，STEM教育將重心放在特定問題上，強調利用科學、技術、工程或數學等學科相互關聯的知識解決問題，跨越學科界限，從多學科知識綜合應用的角度提高學生解決實際問題的能力。
然而，當前的科學課教學缺乏工程類課程的實踐空間，很難對學生進行系統思維訓練，學生的工程和技術素養較低，難以自覺主動地從應用技術和工程的角度思考問題。我校地處中關村高科技核心地帶，大多數學生來自高知家庭，普通的科學課已經不能滿足他們的學習需求。基於此，學校結合實際情況，對科學課進行了基於STEM理念的改革。
STEM教育涉及跨學科整合、項目式學習和以學習者為中心等內容。其中，跨學科整合指的是，明確科學、技術、工程和數學每個學科的側重點：科學重在發現探索，技術側重發明革新，工程強調集成建造，數學強調邏輯推理，在工程項目中解決真實情境的問題時，各學科知識既各自獨立又相互滲透，跨學科綜合應用，培養學生的綜合素養。
項目式學習是一種動態的學習方法，學習者在學習過程中主動探索現實世界的問題和挑戰，獲取知識並體現解決實際問題的技能，領會更深刻的知識和技能。學生以團隊形式完整地經歷項目各階段的持續互動，經歷複雜推理、思辨決策、遠端遷移等錯綜複雜的問題解決過程，創生意義，獲得知識與技能，不斷發展實踐應用能力、遷移創新能力和跨領域合作溝通能力，逐漸形成學科觀念和思維方法。以學習者為中心是指，建構主義強調學習者的主動性，認為學習是學習者基於原有的知識經驗主動構建的過程。
基於此，科學實驗室的構建，要以學習者為中心，結合生活中有趣、有挑戰性的問題，建立教學者、學習者和環境的交流平臺，使學習者動手實踐、嘗試合作並解決問題，提高解決問題的能力。基於此，我們從科學實驗室的教育內容、受眾、目標等維度思考，明確基於STEM理念的科學實驗室定位。圖1為基於STEM理念的科學實驗室構建的總體框架。
圖1 基於STEM理念的科學實驗室總體框架
科學實驗室的教育內容是實驗室建設的核心，結合STEM教育理念，構建科學實驗室整體知識體系，打破學科壁壘，以學習者為中心，形成以問題驅動或項目研究為出發點的知識學習路徑，以技能、思維培養為依託，促進學習者綜合能力的提高和科學素養的培養。在這一過程中，我們的研究重點是如何將STEM理念貫徹到科學實驗室建設中，如何將STEM 理念與科學課程和科學實驗室建設相融合，而且，明確STEM理念下小學科學實驗室的基本定位，釐清STEM理念下小學科學實驗室教育內容構建的框架體系，探究STEM理念下科學實驗室的有效教育活動。
例如，教學「探究帆船運動的密碼」一課時，先利用教師提供的材料構建組合配件，運用工程師思維，簡單快速地做出3D立體模型，探索真實的問題：不同形狀的船帆與風力之間的關係，激發學生的興趣與創作潛能，建立學生的觀察、邏輯與空間概念，提高問題解決能力。
構建學生的整體知識體系，需要把解決問題或項目實施中使用的多學科知識有機融合起來，形成教育內容相關的知識線、知識面或知識體。因此，在科學實驗室中進行教育活動實踐，要根據科學教育當前工程類課程缺乏實踐空間、工程和技術素養較低的現實，結合科學探究思維和工程設計實踐，以學習者為中心，結合課程設計模式，提高學生科學素養，從教學設計的角度探索落實STEM理念的有效教育活動。
STEM教育倡導真實的問題情境，鼓勵學生結合自身經驗採用創意發明、實驗設計或手工製作等方式開展項目式學習。我校嘗試將STEM理念融入傳統科學課，重視學生技能素養的同時，緊抓知識學習的落實，用更生動、更深入、更靈活的方式幫助學生通過參與獲取直接經驗，增強對知識的深層次理解。
結合六年級科學「搭高塔」一課，我們將STEM理念融入教學進行課程設計，開展了「形狀與結構——小小建築師」的教學，共2課時。本課以高塔為何穩定不倒為起點和歸宿，引導學生從真實世界中的高塔圖片出發，像工程師一樣，用代幣計算造價，經歷發現問題—將問題可視化—設計方案—調試改進—解決問題的過程，在培養學生工程師思維的同時實施探究性學習過程，落實科學知識的學習。
第一步：引入。教師出示世界知名高塔的圖片，帶領學生觀察它們的形狀與結構，並提問：你喜歡這樣的高塔嗎？為什麼？
第二步：出示並分析材料。工程師在設計高塔時要先建立模型，教師提出課堂上建塔可用的材料有吸管、紙膠帶等，由學生分析：這些是很好的建築材料嗎？為什麼？學生觀察吸管形狀，動手探索進行拉拽，教師則出示框架結構，分析三角形的受力情況，思考工程師為什麼喜歡用三角形結構。
第三步：出示任務，由學生設計、搭建高塔。學生使用給定的材料，限時五分鐘搭建一座50 cm高的塔。搭建一座不容易倒的「高塔」，是對前一活動研究結論的應用，也是一個持續研究的過程。
第四步：購買材料，重建高塔。教師進行防風測試，由學生購買材料，重新搭建高塔。購買材料時，貨幣用「代幣」表示，調動學生學習的積極性。
第五步：展示高塔成果。將探索的結果與最初的設想進行比較，加深學生對高塔不容易倒塌的道理的認識。任務完成用幣少、做得好的學生分享經驗，讓學生在自評、互評、教師評價中提高交流能力和合作能力。
隨著STEM課程的不斷深入推進，越來越多的學生參與到科學課的STEM教育活動中。在實踐中，面對生活難題和疑惑，學生嘗試運用在STEM化的科學課中學習的工程師思維創造性地解決問題，如開展北京市5種常見樹木吸附大氣顆粒物的能力調查、樓宇智能電子火災逃生指示裝設計、可攜式微型溫室氣體採樣箱的設計及對北京不同土壤類型溫室氣體的檢測等。
儘管在推動STEM教育時遇到諸多問題和困難，但其倡導的跨學科學習、項目式學習彌補了分科教學的不足，促進學生的智慧成長，也為學校教育改革提供了新的可能。因此，我校師生將繼續努力，不斷釋放STEM教育的力量，構建促進學生智慧生長的校園，提高學生的科學素養、綜合素養和創新能力，讓他們更加腳踏實地，穩步地前進。
結合六年級科學課教學內容，我校開展了關於「鳥喙」的STEM課程學習，共3～4課時，主要是讓學生在理解進化論後動手設計並製作「鳥喙」。學生通過親身經歷思考、探索和製作的過程，理解實證理論的內涵，培養工程師思維，提高創造性解決問題的能力。
首先，介紹達爾文和進化論。達爾文是英國生物學家、進化論的奠基人，在其著作《物種起源》中提出了生物進化論學說，從而摧毀各種唯心的神造論以及物種不變論。在《物種起源》一書中，他系統闡述了進化學說，論證了兩個問題：一是物種是可變的，生物是進化的；二是自然選擇是生物進化的動力。
其次，出示鳥類圖片，讓學生觀察喙（堅硬的殼狀嘴）的不同。通過觀察白頭海雕、丹頂鶴、白鵜鶘、黃嘴慄啄木鳥等圖片，學生討論獲知鳥類的喙與其食性密切相關。短而直的喙是食蟲的鳥的，強大、末端有彎鉤的喙是主要以鳥獸等為食的鳥的，有長而直的喙的鳥主要以魚蝦為食，有強直且尖銳的喙的鳥以昆蟲為食，扁的喙以雜食性鳥居多。這個時候並不要求學生進行歸納，但要讓學生能將鳥類名稱和其食物性質相對應，說出鳥類的特點。
再次，宣布任務、材料和評價量規。教師要讓學生觀察給定材料，每人選擇製作「鳥喙」的材料，比一比單位時間哪個小組製作的鳥喙吃得多，檢驗「鳥」在野外生存的情況，計算他們製作的鳥喙吃進的食物量佔食物總量的百分比，觀察班裡能吃進食物總量最多的「鳥喙」的構造。之後，出示材料，如筷子、塑料勺子、塑料叉子、硬紙板、寬膠帶、塑料飲料瓶、剪刀、熱熔膠槍、皮筋、毛根、小木棒、塑膠袋。然後，明確評價量規，這可由師生共同完成，從製作和使用模型、分析數據、運用的數學知識、論據中的論點、聯繫模擬測試、調查等方面進行評價。
最後，執行任務。當學生初步製作好鳥喙後，可以到其他組觀摩和觀察。這時教師提問：其他組同學設計的鳥喙與你們組相比有什麼優勢和劣勢？其他組同學的鳥喙是模仿哪些鳥類？是捕食較大的動物，還是較小的動物，抑或是雜食性的？之後，進行評估和改良，觀察哪些設計是有效的，哪部分需要重新設計與完善，是否在吞食食物的咬合過程中出現困難？測試過程中，教師宣布下列要求：每人拿一個大小相同的紙杯，這就相當於鳥的「胃」，用於儲存「食物」。測試考查的「食物」必須在「胃」裡才算數。測試分四部分，每組在每次15秒時間用於捕捉「食物」。教師計時，或由小組長完成這個任務。
最重要的是，比賽後要通過觀察進行總結和反思，帶領學生觀察班裡設計較好的幾個「鳥喙」的構造，從形態和堅固性等方面進行點評。通過歸納可以發現：什麼樣的鳥喙適合吃什麼樣的食物？製作中的哪些材料是必要的，製作「食道」起了什麼樣的作用？哪個小組製作得最好，為什麼？拓展思考：讓學生觀察鑷子、尖嘴鉗、湯匙和起釘器，歸納每種工具各像什麼鳥類的喙。
由於本課具有一定的難度，允許每個學生選擇一個問題向教師請教，教師則儘量用提示性問題來回答，尤其是要提示學生進行思考的出發點。這一過程中，教師要鼓勵學生模仿真正的鳥喙來完成製作。另外，材料一經選定，每人只允許進行一次添加或變更，學生可利用頭腦風暴法設計和製造鳥喙。教師適時提問：如何模仿製作鳥喙？首先考慮使用什麼樣的材料，然後思考需要用幾片材料拼接製作鳥喙？怎能讓鳥喙更好地吞食圓形食物、長形食物······
（作者鄧翼濤、樸蕾系北京市海澱區中關村第一小學教師）