1、STEM教育引入小學科學課堂的有效策略連云港市沙河中心小學 湯成琳什么是STEM教育？ STEM教育出現于21世紀初，STEM代表科學（Science），技術（Technology），工程（Engineering），數學（Mathematics）。STEM教育就是科學，技術，工程，數學的教育，但它并不僅僅是把這4個詞堆疊在一起，而具有一定的深意、內涵和教育意義。美國政府STEM計劃是一項鼓勵學生主修科學、技術、工程和數學（STEM）領域的計劃，并不斷加大科學、技術、工程和數學教育的投入，培養學生的科技理工素養。在科學界和教育界的共同努力下，于本世紀初逐漸走入基礎教育，特別是2010年前后成為以

2、美國、英國為代表的國際科學與技術教育新興的教育實踐和研究范式的主流。 科學、技術、工程、數學四者之間的聯系與區別 技術：指任何為了滿足人類需求而進行的對自然狀態的改變或者對世界的改造。工程：指為滿足人類需求系統地、反復地設計對 象、進程和系統的一種途徑。 技術與工程素養：指使用、理解和評估技術的能力，以及理解開發解決方案和實現目標的技術原理和策略。 雖然有很多學者對技術素養、工程素養、技術和工程素養等給出不同的定義，但在這些不同范圍的定義中都顯示出技術和工程之間密不可分的關系。2014年提出技術與工程素養評估的領域分為3個部分：技術與社會、設計與系統、信息與通信技術。 工程/技術行動的學科為了

3、產生實際效果研究什么更好些？ 關心特殊性和具體情況不期望能普適科學解釋的科學為了得到新的解釋研究什么是對的？什么是錯的？研究時盡量簡化參量總希望規律能普適化 科學提出關于自然界的問題，并用以基于實證的解釋的方式給出答案；工程學明確有關人類需求和愿望的問題，并以新產品和新工藝的形式給出解決方案。科學、技術與工程之間有著一種很強的共通性和互補關系，隨著人類科學技術的不斷進步，科學、技術、工程和數學領域的聯系也越來越緊密，解決任何一個領域的問題都會涉及到其他三個領域； 任何一個領域的發展都將為其他領域打開進步的空間，任何一個領域的素質都是未來公民基本素質的重要組成部分。即使是最簡單的科學現象和問題，

4、都可以在人類生活中找到它的影子，找到它轉化為技術和工程的途徑；當人類在解決實際生產/生活問題時，想到的不僅是技術、是設計、是工程，同樣也必須考慮其中涉及的科學原理和規律，只有遵循這些原理和規律，才能真正找到問題的本質；而數學作為解決問題的工具在其他三個領域中被廣泛使用。 STEM教育的本質在眾多孤立的學科中建立一個新的橋梁，為學生提供整體認識世界的機會，通過把這四個領域內學科知識和技能的教與學整合到一種教學范例中，使學生學習的零碎知識變成一個互相聯系統一的整體，這樣就消除了傳統教學中各學科知識割裂、不利于學生綜合使用解決實際問題的障礙，是一種跨學科的的學習方法。 STEM教育是一種“后設學科”

5、，即這一學科的建立是基于不同學科之間的融合然后形成一個新的整體，將原本分散的學科形成一個整體，由此形成當今日趨受到重視的、跨領域的STEM教育。美國高度重視STEM教育的根本原因，在于其深刻認識到美國科學技術的滑坡在于其人才的嚴重短缺，這在美國近10余年來的大量文獻中屢屢被提及。STEM教育重在培養學生四種素養第一，科學素養第二，技術素養第三，工程素養第四，數學素養STEM教育的特征STEM教育并不僅僅是把科學教育、技術教育、工程教育和數學教育這四個詞堆疊在一起。而具有詳實的腦科學、認知科學和教育科學研究基礎并具有知識社會對創新人才需求的內涵和教育意義。STEM的教學也并不是簡單地將科學與工程

6、組合起來，而是要把學生學習到的零碎的知識與機械過程轉變成一個探究世界相互聯系的不同側面的過程。 STEM教育的課堂教學特征一個STEM項目的課堂上教師可能提出一個問題，然后要求學生組成一個班級范圍內的探究小組開展原創性研究。在研究過程中，學生被要求使用各種技術和方法搜集信息、證據和數據、分析數據，并設計、測試和改進一個問題的解決方案，然后與其他同伴交流研究成果、分享信息。這個看上去“雜亂無章”的教學情境，強調的是學生設計能力與問題解決能力的培養，可能涉及納米技術、生物醫學和天體生物學等多種學科知識與技能。 青少年科學探究活動的流程青少年科學探究活動的流程 科學探究科學探究基本環節（流程）基本環

7、節（流程）收集和獲取證據收集和獲取證據設計實驗方案設計實驗方案提出假設提出假設選題選題交流與展示交流與展示分析數據、得出結論分析數據、得出結論 閱讀、觀察、記錄工程設計類項目的基本流程工程設計類項目的基本流程確定設計機會調研討論設計選材（設計需求）設計簡介可行方案設計要求 概念草圖建構（模型與原型）測試 設計、模型、原型） 展示與交流 改進 工程設計項目的10個步驟1. 確定設計機會2. 圍繞設計機會展開調查研究3. 集體討論可能的問題解決方案4. 起草設計簡介5. 研究并完善解決方案6. 準備設計要求和概念草圖7. 建構模型、構件和零件8. 建構解決方案原型9. 測試、評估和修訂解決方案10

8、. 交流解決方案選題選題設計設計模型制作、測試、修訂模型制作、測試、修訂制作原型制作原型交流與展示交流與展示 科學課程有效教學法的特征探究式的教學方法基于神經發展科學社會建構主義形成性評測的運用 如何有效地學習？以學生為中心的探究式學習是在教師指導下學生的主動的探究過程和在學習共同體中互動的過程，不是學生自我探究，自我發現有效的學習需要將有關事實的知識和概念的框架相結合，不僅要注意學習者，還要注意學習的內容和過程有效的學習需要兒童主動地參與，這是學習者真正能改變他們的原有概念和學習新知識的前提和關鍵有效的學習應符合兒童的認知和情感發展規律有效的學習，特別是對學生情緒能力和表達能力的提高，需要互

9、動的環境形成性評測有助于發展學習者的元認知，促進有效的學習 學學什么什么?核心概念和模型核心概念和模型怎么怎么學學?基于探究的學習方法基于探究的學習方法如何有效的學習?遵循學生腦的發展規律（神經發展科學和社會建構） 采用個體化的形成性評測和干預 將STEM引入科學課堂 將工程的思想和實踐引入科學課堂小學科學教育中重視工程教育側重于連接科學與工程的少數重要概念 “工程知識與實踐”和“科學知識與實踐”為具有同等重要性的兩大主題，開發和科學探究與工程技術相關的實踐新的課程、教學設計和資源支持STEM 進入課堂將將STEM教育引入科學課堂的標準教育引入科學課堂的標準 將將STEM引入科學課堂的策略引入

10、科學課堂的策略基于科學情境，結合技術與工程活動。基于科學情境，結合技術與工程活動。基于實際工業情境，融合科學問題與基于實際工業情境，融合科學問題與工程技術工程技術基于生活情境，巧妙結合科學、技術基于生活情境，巧妙結合科學、技術和工程問題和工程問題基于科學情境，結合技術與工程活動小小建筑師“小小建筑師”是“做中學”科學教育改革實驗項目為低年級（12年級）小學生開發的教學模塊。該模塊圍繞如何使結構更加穩固開展設計與技術的教學活動。這是一個科學和技術交織在一起的案例，結構的穩固性中既有科學原理，又蘊含著工程設計和操作技術。 基于科學情境，結合技術與工程活動小小建筑師結構的穩固性是一條有效的線索，它連

11、接著與穩固性和結構相關的科學原理和工程技術。學生首先探索三角形和正方形的特點，嘗試加固正方形和立方體，了解結構的對稱性和穩定性，理解三角形是一種穩定的結構，理解結構的穩固性與結構的形狀、所用材料的材質、連接的方式等有關。最后運用三角形的穩定性、探索建筑物的穩固性，通過設計和制作搭建建筑。 基于工業情境，融合科學問題與基于工業情境，融合科學問題與工程技術工程技術流動的液體流動的液體“流動的液體”項目首先通過工業生產情境設置，提出了一個需要解決的難題如何讓粘稠膠水更容易流動？為學生指出探究要求：提供盡量多的數據，測量不同液體的流動性，反映出科學家與工程師工作的意義和方式。這樣基于工業情境設計的活動

12、新穎而富有啟發，通過精心設計的工業情境，促使學生在學習科學知識的同時，聯系生活、接觸工業生產，運用學到的知識解決實際問題，提高兒童在科學、技術、工程和數學各方面的技能。 基于工業情境，融合科學問題與基于工業情境，融合科學問題與工程技術工程技術流動的液體流動的液體圍繞使粘稠的液體增強流動性展開，從了解一般液體的性質開始，逐漸過渡到測量和改變液體的流動性，進而研究和解決工業問題，將若干探究技能和科學概念整合在一個有意義的任務中。遠離兒童日常生活的工程和技術在這些活動的引導下，變得不再陌生，同時激發了學生學習科學和工程技術的興趣，加深了學生對科學與數學在技術和工程方面運用的理解。 基于生活情境，巧妙

13、結合科學、技術和工程問題自封文件袋自封袋是學生生活中常見的用品，通過不同的連接方式，使兩個部分牢固的鎖在一起，起到密封的作用。這其中包括有材料的特征和特性、連接的方式和方法，受力的控制等科學原理和工程技術。學生通過觀察和研究常見的各種自封袋，了解力可以通過多種方式進行傳遞，可以用一些裝置控制力，以實現自由的打開和閉合；了解這樣的裝置中有的部分需要能移動和旋轉、有的部分必須牢牢地固定住；理解在設計結構時要考慮其用途和條件的限制，要考慮材質的選擇和鏈接的方法。 活動方案：探索自封袋引入：1. 有些人用塑料包裝紙包三明治，有些人用鋁箔，有些人用塑料袋。你會用什么包三明治？2. 看一看老師給你的各種自

14、封袋，試著打開和封上。再用放大鏡觀察這些自封袋的構造。注意它們有些什么共同點和不同之處。3. 畫出至少兩種不同自封袋的構造。寫一寫這些自封袋是如何工作的。和同伴、老師分享你的發現和思考。探索：1. 設計一個能將文件封住的自封裝置，繪制計劃草圖。2. 在老師同意你的計劃之后，使用你能得到的材料建構一個工作模型。3. 進行模型測試后再進行修改，最終得到你的最佳文件夾模型。安全提示：在實驗過程中佩戴安全護目鏡解釋：1. 解釋你的結構是如何將文件封住的。包括描述其中的受力，通過畫圖的形式用箭頭表示出受力的情況。2. 將你的設計和你之前觀察的自封袋相比較。寫出它們的共同點和不同點。你做的是單軌、雙軌還是

15、多軌的結構？3. 在班級分享你的模型和解釋，討論用于封住文件夾的不同方法。評價：選擇你使用或觀察的一個方法，發明一個新的結構，寫下并解釋你的創造。在這個項目中，解決自由的打開和閉合這個實際問題成為一個貫穿始終的線索，將科學學習、設計、和技術運用結合起來。在我們的課外科技活動和各類科技競賽活動中，可以開展這類形式的STEM教育。 STEM項目和課程的設計 設計STEM教育項目的原則確定有針對性和說服力的明確需求針對所確定的需求，能用嚴格評估的方法來持續評測和告知項目的進展情況確保STEM教育項目可以持續地推進確保項目是可復制和進一步推廣的能夠吸引具有較高影響力的合作伙伴參與 設計STEM教育項目

16、的原則保證項目能達到預定的目標 提供具有挑戰性、和學習者密切相關的STEM學習內容包含并鼓勵開展基于STEM的實踐活動能夠激發學生對STEM的興趣和提高學生STEM教育項目的參與度 能夠考慮到弱勢群體的特殊需求 STEM課程的六大特征STEM課程關注現實問題； STEM課程是以工程設計過程為引導的； STEM課程讓學生沉浸在動手探究和結果開放的探索之中； STEM課程使學生融入高效的團隊合作中； STEM課程提供了學生們正在學習的、嚴謹的數學和科學內容； STEM課程中允許多個正確答案，對失敗作品的重新研制是學習的一個必要部分。 STEM科學教育活動設計和實施需要考慮要素活動應當具備特定的學習

17、目標、采用交互式的活動、參與式的學習、多元化的情境，并鼓勵參與者分享經驗；應建立在社區與教育機構的合作基礎上，并且充分結合社區的科學學習和傳播需求；活動的工具與題材應當在學習者、教師、課程規劃者和專家之間互動發展而成；教師應當融合問題、日常生活語言、世界觀和歷史，與多元學習者進行互動。 活動設計充分考慮學習者的認知和生理發展的特點低年級和初次接觸工程技術教育的學生：對世界的認識較為簡單，在進行任務之前需要對所制作的對象有一個加深認識的過程；讓學生了解一些工程與技術的基本知識，包括設計的重要性，制作與設計的統一性，測試的目的及意義等；尊重學生的創造性和多樣性，包括材料選取、設計創作、制作過程以及展示方式等，允許學生有自己的獨特想法，但也要提醒學生不能脫離實際；保證充足的課時，既能讓學生完整地體會工程設計與制作的整個流程，還能與其他領域進行融合，真正培養學生各個方面的技能和認識。 思考：如何依托現行教材開發STEM課程學校層面，STEM課程的實施可以圍繞學校辦學特色建設、綜合實踐、校本課程建設來開展，嘗試將他們與數學、科學、藝術課程對接融合。教師可以根據科學課與STEM可能的交集，尋求可能的突破方向，也可依托綜合實踐、校本課程實施相關的自我研發科目，建議組團共同研發實施。現行教材