基于设计的小学STEM项目

    吴欢 郑丹 江赟

    

    

    

    ● 课程介绍

    武汉经济技术开发区实验小学对创客和steam教育的理解和探索始于2015年，随着市级和国家级课题的先后立项，我校对其已进行了四年多的实践和探索。课题组教师从信息技术、科学组拓展到学科全覆盖，教师们对课程的理解也逐步加深，开发了《物联网创新科技》《小木工》《小小建筑师》《制作纸板乐器》等系列课程，并在教学实践中不断迭代、更新。

    近年来，我国明确把生态环境保护摆在更加突出的位置，生态文明建设是关系人民福祉、关乎民族未来的大计，是实现中国梦的重要内容。我校从2017年开始也加大对学生的生态文明教育，并在2018年围绕“关注生物的多样性，美化我们的家园”这一主题，从学生的真实生活和发展需要出发，关注生物与环境，开发了基于设计的小学STEM项目群——《“智·美”生态课程》（如下页表1），将生活情境中发现的问题转化为活动主题，以项目为载体，通过跨学科学习，保护学生与生俱来的好奇心，使他们成为有一定的解决问题、合作交流能力，具备良好的社会责任感、创新意识、信息素养，能够终身学习的全球公民。本文将重点介绍四年级上册的STEM项目“建设我们的校园气象站”。

    1.选题特色

    基于小学生的年龄特点及小学阶段学科知识水平，我们将小学阶段的STEM项目定位于“初学者”层级。学生在开展《“智·美”生态课程》中的小红鹰湿地项目、生态种植项目研究时发现，需要及时监测周边环境的PM2.5、温度、土壤湿度等气象数据，由此，学生提出是否能建设一个自己能随时进行相关数据监测的气象站。科学教师结合小学四年级科学课《天气》的相关内容，邀请信息技术、美术教师和学生成立“建设我们的校园气象站”项目组，并设计形成基于项目学习的维度框架。

    2.设计思路

    校园气象站的建设涉及基本气象知識的了解、气象传感器的认识、编程技术的运用、气象站的外观设计和气象站的使用等不同方面。确定相关学科的具体目标如下。

    科学方面：了解基本的大气知识，知道温度、湿度、风向、风速、降水量等的基本含义。

    技术方面：能够识别并运用温湿度、风向、风速、噪声、空气质量、气压、雨水传感器。

    工程方面：能够小组合作完成校园气象站的功能设计、选址和建造。

    艺术方面：能够完成气象播报网页的UI设计、气象站的外观设计，气象小主播能够完成气象播报。

    数学方面：能够统计和分析数据，并绘制气温折线图和气温柱状图，总结天气变化的规律。

    为了更好地帮助学生完成项目，我们制作了完整的项目学习指导手册（如图1），设计了详细的项目计划。

    3.实施方案

    近年来，在STEM课程开发和实践的过程中，我校和华中师范大学合作，逐渐形成了“乐·创”教育背景下基于设计的STEM教学模式（如下页图2）：以学生为中心，分为理解挑战、习得新知、新的挑战、展示分享和评价反思等环节，其中项目中分解出的多个小任务在“新的挑战”这个环节迭代循环完成。教师承担的是辅助者、引导者、组织学习和指导评价的角色，教师活动主要包括确定主题，呈现挑战;讲授新知，描述任务;建立标准，提供支架;监督观察，适时指导;组织学习，引导合作;评估成果，教学反思。“建设我们的校园气象站”这个项目以设计思想为纽带，将科学、技术、数学、艺术、读写等其他学科内容综合运用、串接起来，成为一个完整的学习项目。

    （1）理解挑战

    学校生态种植园和小红鹰湿地的动植物生长，对周边环境气象监测有需求，四年级学生科学课正在学习《天气》，科学教师面向全体四年级学生征集有意向者组成项目组，一起建设我们的校园气象站。

    （2）习得新知

    围绕校园气象站需要实现的功能，确定监测的气象要素，认识温湿度、风向、风速、降水量、紫外线强度、PM2.5等气象传感器，并学会用可视化编程的方式将传感器采集到的数据在屏幕上显示出来，让大家可以直观地了解当前的气象状况。

    （3）新的挑战

    通过分小组制作气象站模型，深化学生对气象知识的了解和传感器的使用;通过课上、课后对校园各个角落的实地考察，交流沟通、达成共识后确定气象站的建设位置;通过对校园气象站的功能、外观和播报页面的UI设计，分小组展示交流后，确定我校小红鹰气象站的最终设计;在教师的帮助下，完成校园气象站的施工。

    （4）展示分享

    展示分享贯穿项目的始终，无论是气象站模型的设计和成品分享，还是校园气象站的选址、功能、外观和播报页面的UI设计等环节，我们都让学生进行充分地讨论、交流和分享，用“智慧”点燃“智慧”，相互学习、共同提高，同时培养学生的表达沟通能力和团队协作能力。

    （5）评价反思

    教师利用软件对学生进行累积评价，结合学分和学生投票，学期末颁发“VIP学员”证书，下学年的社团有优先选课权利;生生之间除了表格评价，还有相互提问和口头评价;华中师范大学作为第三方长期进行课堂观察，结合学生项目学习的前后测情况，对我校师生给予评价和课程研究建议。师生、生生和第三方的三维立体评价，促进师生进行反思和共同成长，并推进项目更有效地开展。

    ● 课程实施的典型课堂案例

    1.用问题推进项目进展

    整个项目围绕“如何建设我们的校园气象站”这个大问题进行，当中又分解成很多小问题：气象站建在哪里？需要实现哪些功能？外观设计有什么要求？页面需要显示哪些数据？……教师并不会直接抛出答案，而是带着学生一起去寻找最优解决方案。例如，在解决“气象站建在哪里？”这个问题时，教师先让学生思考并查询气象站对选址有没有特殊要求，课下小组成员一起逛逛校园，并完成学习任务单（如图3）;然后，在课上让小组成员上台分享自己的选址及其理由;最后，教师再带着大家一起到校园里每个角落都逛一逛，综合考虑后，大家一起确定气象站的最终建设地点。气象站要建在空旷、四周没有遮挡的地方，车棚、后花园、天台等地点被排除，大家把地点定在了时间广场靠近小红鹰湿地的一块空地，因为这里是学校的中心地带，相对来说比较空旷，四周没有遮挡，可以为小红鹰湿地里的动植物提供气象支持。其实操场也是个不错的选择，但是学生考虑到打篮球、踢足球的学生可能会不小心把球砸到气象站，造成气象站损坏，因此在操场建设气象站不合适。学生在这样的讨论和交流中，逐渐学会全面思考和解决问题。

    2.用评价促进习惯养成

    学生一直对项目学习持有较高的热情，甚至常常下课了，还在研究和讨论，久久不愿离开教室。可是一旦发现已经下课好久了，他们就会直接离开教室，导致教室桌椅摆放、器材和学习任务单整理不到位，教师要花很长时间进行处理。同时，在一些小组中存在学习任务分布不均匀的问题，有的学生一个人差不多完成了所有的学习任务，而有的学生几乎不参与。另外，大家都很愿意表达自己的观点，但是在倾听方面还有所欠缺。为了培养学生良好的学习习惯，提高课堂效率，我们设计了如上页表2所示的表格——《STEM项目学习学生行为评价表》，评价表既不太复杂，也不占用太多时间，能给予学生比较全面的评价。

    在每次课程结束前几分鐘，教师会提醒学生整理自己小组的物品。待大家整理完毕，再给2分钟时间让组长就组员本节课的行为表现给予评价：是否能够安静倾听、小声讨论、大声发言;是否完成了本节课组员协商后分配的学习任务;是否团结友爱、顾全大局;是否发生不文明的举止;是否整理好自己使用过的器材，摆放好自己的桌椅板凳。若有做得很好的地方，值得继续保持，就拿出来供大家学习，并记录在“今日闪光点”上，再将该记录单贴在该学生的记录本上，累计评价。对各小组长的评价，有时候是教师进行评价，有时候会随机抽选一名组员进行点评。

    评价表的实施，让课堂更有序、更有效率，学生也不仅仅关注学习任务，还会关注小组每个成员的学习状态，会安静地倾听别人的发言，会去关注小组的器材归还和卫生问题……学生的习惯得到了全面的培养。

    ● 课程实施的教学效果及反思

    1.教学效果

    本项目每个小组除了设计制作完成了一个简易气象站模型，还以山川、河流、城市和校园为主题，设计和制作了不同情境下的功能性气象站模型，同时完成了校园气象站的建设，为小红鹰湿地和生态种植园提供气象服务。项目组四名成员参加了第三届全国中小学生创·造大赛——AI地球分项赛，获得了金奖和全场唯一的最佳团队协作奖（如图4）。学生通过项目的学习，对气象有了更深入的理解、认识，动手能力、编程能力也得到了提高。更重要的是，学生在项目推进过程中遇到的种种问题，也都在教师的指导下，通过交流协作，慢慢摸索、尝试得到了解决，问题解决能力得到了显著的提升。

    2.教学反思

    校园气象站项目以现实问题为基点，将多学科、多个应用领域的知识和技能巧妙地融合在一起，引导学生动脑思考、动手实践，进而促进学生思维品质、创造能力的综合发展。通过项目的研究，我们有以下两点思考：

    第一，在项目真实性与教学内容基础性之间找到平衡。在项目实施时，科学、数学和程序设计等知识都有一定的难度，教师要考虑学生的年龄特点、身心发展规律和已有的知识储备，不能让学生跨越较大的梯度来学习和研究。

    第二，在课时有限性与探究耗时性之间找到平衡。在气象站项目实施过程中，由于受到课时的限制，需要引导学生充分利用课内外时间。学生在课上可以完成项目功能说明和解决方案的撰写，在课余通过小组合作来完成项目，遇到问题可以向教师、家长或同学求助。

    综上所述，基于STEM理念的气象站项目是教育改革和时代发展的产物，其所具有的整合性、实践性、趣味性等要切合学生的学习需求，让内容容易习得，让思维具有可见性，帮助学生向他人学习，促进学生自主学习和终身学习，为孩子们实现梦想打下坚实的基础。

    点? 评

    武汉经济技术开发区实验小学围绕“关注生物的多样性，美化我们的家园”这一主题，从学生的真实生活和发展需要出发，针对不同年龄段学生的特点和能力水平，分年级开设了一系列STEAM项目学习课程。将生活情境中发现的问题转化为活动主题，以项目为载体，通过跨学科学习，培养了学生的创新意识和解决问题的能力。

    1.激发学生的求知欲，提高学生学习动力

    学生在参与小红鹰湿地项目和生态种植项目中，发现随时监测周围环境数据非常必要，而学校并没有相关监测设备，由此，学生提出是否能建设一个可以随时进行相关数据监测的气象站。当课题与真实世界紧密联系时，学习就变成学生自己“想要知道”，而不再是脱离实际的“需要知道”。知识变成了鲜活、有趣且有意义的东西，而不再是印在书本上死记硬背的东西。好奇，是一切学习的前提，是学习的内在驱动力。这就是选题与真实世界相联系、与学生生活实际相联系的意义。

    2.学科融合，培养学生跨学科思维

    建设校园气象站，需要具备哪些知识呢？教师对需要进行的科学、技术、工程、艺术、数学五个方面的知识准备进行了透彻分析，学习目标明确、合理，这也是开好STEAM课程的基础。STEAM课程应该从工程设计切入，以实践为明线，以各学科核心概念、核心知识为暗线，它的基础是学科课程，它的表现是完成项目活动，而不能舍本逐末。如果活动中没有渗透学科知识，没有明确的学科学习目标，那么学生的学习就是零碎的、盲目的、不成体系的，该课程也就不能称之为“STEAM课程”。另外，学生的学习准备很重要，如果学生在动手开展项目前，没有学习相关的知识，那么这样的课程就变成了懵懵懂懂的操作课，没有理论基础，也就失去了实践的意义。

    3.分享交流，评价方式多元化

    展示分享贯穿项目的始终，让学生进行充分地讨论、交流和分享。评价方式采用师生、生生和第三方的三维立体评价，促进师生进行反思和共同成长。过程性评价应该融入课程中，在探究学习的每个环节设置评价。建议可以考虑引入发展性教育评价，分析学生的特点和不足，并提出改进建议，促进学生逐步提高、全面发展。

    校园气象站项目，总体上说，理论框架完整，课程设计科学。本项目用现实中真实存在的问题激发学生求知欲，启发学生思考，以问题解决驱动学习，学科教学目标明确，学习准备充分，注重分享交流，评价维度多元化。本项目做到了学科融合，培养了学生的设计思维、创新意识和跨学科解决问题的能力。

    （点评人：2019年度全国教师信息素养提升交流活动评委/天津市教育科学研究院 黄天泽）