STEM教育理念下小学科学教学实践研究
任永力 左成光 徐交 成刚
摘 要：STEM是一种以项目学习、问题解决为导向的课程方式，把STEM教育理念融入到小学科学教学实践，是目前科学教育研究的热点。本文通过对STEM教育理念相关要素和小学科学教学设计等相关问题的分析，进一步梳理了STEM教育理念与小学科学课程目标的关系，构建了STEM教育理念下小学科学教学活动设计模式，并运用于教学实践。
关键词：STEM教育; 小学科学; 教学实践
中图分类号：G623.6? ? ? ? ? ?文献标识码：A? ? ?文章编号：1006-3315（2020）9-056-002
我国科学课程经历了从小学《自然》发展到小学《科学》，2001年进行课程改革的时发布了《小学科学课程标准（实验稿）》，2003年到2017年间进行了几次调研以及修订后，最终《义务教育小学科学课程标准》（以下简称《标准》）在2017年颁布并实施。《标准》明确了该课程的课程性质、基本理念、课程目标、课程内容设置、课程实施建议等。《标准》在“教学建议”部分，明确指出：科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）与数学（mathematics），即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]。
小学科学课程内容分为四个领域：物质科学、生命科学、地球和宇宙科学、技术与工程，但是这四个领域并不是孤立存在的，是多学科知识网络的融合。该课程是对学生实践探究能力进行培养，教学活动的设计注重学生的日常生活实际。STEM教育也并不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加，而是要将四门学科内容组合形成有机整体，以更好地培养学生创新精神与实践能力[2]。如何把STEM教育理念更好的融入到小学科学教学实践，以更好的推进我国小学科学教学，这是一个非常值得探讨的课题。
一、STEM教育理念和小学科学教学融合的分析及模式构建
科学、技术、工程、数学四个学科知识的整合构成了STEM教育，STEM教育是多学科克服学科界限要素的整合。各要素之間关系密切，相互依存不可分割。科学以工程与数学为语言，技术以数学与科学为支撑，工程以科学与数学为基础[3]。科学、技术、工程、数学融为一体，使科学的规律性、技术的实用性、工程的实践性、科学的严谨性建立辩证统一关系，各自的特性与联系为STEM的跨学科融合的核心特征提供强有力的理论支持[4]。目前国内STEM教育理念融入小学科学教学可供分析的文献研究资料很有限，但我们可以学习STEM教育理念在小学科学中的研究及实践经验，在实践中丰富STEM教育的相关研究。接下来从STEM教育理念与小学科学课程目标的契合度进行分析，并完成STEM教育理念下小学科学教学活动设计模式构建。
（一）STEM教育理念与小学科学课程目标的融合分析
STEM教育理念指导下的课程实施需要在真实可操作的情境下分组合作完成项目，在设计的教学环境中通过该理念的指导，实际情境中用学科综合知识去解决发现的问题，慢慢的达到对学生综合素养的培养[5]。《标准》中课程目标分为四个方面：科学知识、科学探究、科学态度和科学·技术·社会与环境，这体现了由“三维目标（知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观）”走向关注“科学学科核心素养”的倾向，更加明晰了小学科学学科育人价值[6]。STEM教育理念下对小学科学课程“科学学科核心素养”的提升，需契合科学知识、科学探究、科学态度和科学·技术·社会与环境这四个方面，这是与STEM综合素养的培养是相互联系的。解决问题和完成项目的途径就是需要科学探究和工程设计，科学知识和技术手段是实现科学探究的保证，科学探究、工程设计、数学方法是形成科学态度的重要保障，科学精神的培养与人文素养的养成是达到科学态度和科学·技术·社会与环境目标的重要体现。该关系的建立更好地体现了STEM教育与小学科学教学之间的联系。
（二）STEM教育指导下的小学科学教学活动设计模式构建
小学科学教学活动设计应以小学科学课程内容为基础，主要包括物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程中一些比较直观且学生有兴趣参与学习的内容为主，每一个领域分化在不同的教学单元中，每个单元都有一条主线在支撑着每一课时的内容[8]。因此在进行教学活动设计时，密切与课程内容特点进行设计。小学科学教学活动的设计相对于常规下的教学活动设计而言，用STEM教育理念的优势去指导该学科教学活动的设计，不仅符合小学科学课程本身的特点，还创新了科学课对学生科学素养的培养方式。
基于上述分析，在STEM教育理念指导下对小学科学教学目标、教学内容、教学组织形式等在教学活动中的呈现进行设计，构建了STEM教育理念下小学科学教学活动设计模式。该模式下的教学活动设计分为以下几个阶段：
发现问题阶段：该阶段主要的目标是学生自主探究发现问题。结合STEM教育与课程目标的关系，以小学科学课程目标的四个方面为指导，以学生所学科学知识为基础，在教师指导下，学生分析和学生自主探究并发现问题，然后引导学生在STEM教育理念的指导下来思考并解决问题方案。
活动设计阶段：该阶段主要是对解决问题方案的设计。主要由教师指导学生在STEM教育理念的基础上对问题进行具体的分析，学生对S（科学知识）进行理解掌握，运用一定的T（技术手段）和M（数学方法）完成设计。老师指导学生以小组为单位，组内自主协作分析探究，以教学内容和课程目标的四个方面为基础进行解决问题活动的方案设计。在教学活动的设计中，教师扮演辅助指导的角色，活动方案的设计主要由小组独立完成，主要检验知识的掌握情况和培养学生自主探究能力。
活动实施阶段：该阶段是对活动设计方案的具体实施。教师负责对学习环境进行管理和维护，学生对组内设计方案，进行人员分工，合作进行活动方案的完成。在活动中以学生的合作探究为主，教师辅助指导为辅，主要培养学生的动手实践能力和合作的科学精神。
活动评估与反思阶段：该阶段主要是对教学活动进行评价以及反馈，以维持教学的进行及促进教学的改善。每完成一次教学任务都要进行反思和评价，通过教学过程的总结反馈及时掌握教学过程中出现的问题并去解决问题，不断改善教学质量。其次，及时了解学生对新知识的掌握应用情况、教学目标完成情况、以及学生解决问题的能力的培养，以便顺利进行后续的教学。评估阶段旨在了解运用STEM教育理念指导教学活动后的效果并及时进行改进和完善。
解决问题阶段：学生最终解决问题，在此基础上将问题发展成生成性问题，结合生活实际，在生活中进行具体运用实践，升华学生对STEM教育下的小学科学在生活中的应用理解，将STEM教育理念和小学科学融合思维灵活运用于生活实际解决实际生活问题。
二、STEM教育理念下小学科学教学实践研究
（一）教学内容分析
本文选取的素材是教育科学出版社出版的小学《科学》上册第四单元《运动和力》，本单元核心内容是掌握物体运动与受到的力的关系的有关知识，最后在所学科学知识的基础上设计制作小车。本单元的教学内容安排分别是“我们的小缆车”“用橡皮筋做动力”“像火箭那样驱动小车”“测量力的大小”“运动与摩擦力”“滑动与滚动”“运动与设计”“设计制作小赛车”，本单元的内容选择很好体现了小学科学与生活实际相关性。因此本文选取了“设计制作小赛车”进行教学活动的设计，通过小赛车的设计与制作这一活动激发学生学习热情，提升学生科学素养，学生在实践中体会科学的奥妙、理解科学技术的力量。
教学活动设计以完成课程目标的四个方面为基础，最终提升学生的科学素养。教学活动设计前，分析了科学、技术、工程、数学领域的相关知识下课程目标四个方面的具体化。比如所需科学知识的支撑、与车有关的科学知识，材料的准备、工具方法的使用，设计方案的调整、作品的美化与讲述，草图的绘制和数据的记录等等。通过设计流程（方案的设计、材料的选取、草图绘制、作品制作与展示）引导学生根据SETM教育下的教学活动设计模式进行小车的设计与制作。该活动将科学知识在STEM教育理念的指导下用于小赛车的实际设计制作中，在解决实际问题的过程中学生深切体会科学课的乐趣，热爱科学。
（二）教学对象分析
该内容的教学对象是五年级学生，该阶段的学生大多数处于11-12岁，具有一定的认知水平，抽象思维的能力已经开始发展，具备基础的生活技能。学生通过学习的积累和一定的生活经验，掌握了一定的操作技巧，对科学知識的学习理解运用已经达到一定的阶段，因此基于STEM指导下的小学科学教学，五年级的学生是完全有能力接受的。学生学习科学知识基础上，动手实践能力已经得到提高，此阶段的学生正处于爱思考、爱动手的时期，因此基于STEM的教学，学生可以进行分析问题和搜集信息，并以小组为单位展开探究，最终在合作探究下解决问题。
（三）教学实践分析
理论分析离不开实践，本文将“设计与制作小赛车”这一教学活动的设计方案运用于实际教学，现将该课的教学实施作简要的说明。
（1）导入：观看赛车动漫视频以及图片，引起学生兴趣。学生观看动漫中赛车比赛小视频和车的图片，教师并提问：图片中车的设计有什么特点？想不想设计属于自己的小赛车？学生回答后，引出本课时即将所学内容——设计制作小赛车。
注：STEM教育理念——科学知识（S）的巩固解读
（2）工程师怎样设计赛车。老师提问学生：我们要设计我们自己的赛车，我们先来猜猜工程师是怎样思考设计赛车的？展示赛车图片后，并提问赛车的设计有些什么要求？
学生观察后，交流讨论，进行汇报：①轮胎的设计要增大摩擦，避免打滑;②要有能提供足够动力的装置;③对车的设计，我们应注意要使得行驶更稳定;④车身的设计应该使得行驶速度快，减小行驶阻力等等。
注：STEM教育理念——设计制作过程中技术手段（T）的运用
（3）设计、制作我们的小赛车。教师进行提问：既然我们知道工程师是怎样去设计小车，那么我们自己的专属小赛车应该怎样去设计呢？学生交流思考，分组讨论设计方案，最终确定设计方案。根据学生的设计方案，小组在教师的指导下领取材料，学生根据设计方案进行赛车的制作，制作完成后小组与小组之间并进行一场赛车会。
注：STEM教育理念——工程设计（E）、小车尺寸结构设计以及草图的绘制（M）
（四）小结
该教学实践案例将STEM教育理念具体运用于指导小学科学课教学，并根据教学情况，对基于STEM教育指导下的小学科学教学活动设计模式进行了修改与完善。该教学取得了极佳的教学效果，学生对这种上课方式表现出了极大的热爱与兴趣，课堂学习氛围浓厚，学生思维积极活跃，纷纷提出设计方案，并通过小组合作明确分工，有秩序、有组织的设计并制作赛车，在此过程中增强了他们学习的主动性，合作解决问题的能力得到提高，学习信心与乐趣得到了增强。
三、结语
STEM教育理念下的小学科学教学实践教学，以问题或项目为主题的活动形式呈现教学时，学生在学习巩固科学知识的基础上，更加突出了学生的主体地位。还增强了发现问题和解决问题的能力。小学科学的教学方式单一化问题在STEM教育理念的整合下得到很好的解决，学生学习主动性得到极大增强[7]。在STEM理念指导下的教学中，合作交流和实际操作成为学生获取科学知识重要途径，成为教学不可缺少的理念指导。教学方式由教师直接讲授转变为由教师讲授、小组合作、自主探究等多种教学方式相结合的方式，教学效果得到了很大的改善。
基金项目：贵阳市财政支持贵阳学院学科建设与研究生教育项目[HC-2020]
参考文献：
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[2]余胜泉，胡翔 STEM教育理念与跨学科整合模式[J]开放教育研究，2015（04）：13-21
[3]白雪双.基于STEM的小学科学课程教学设计[D]陕西师范大学，2018
[4]林静，石晓玉，韦文婷.小学科学课程中开展STEM教育的问题与对策[J]课程·教材·教法，2019，39（03）：108-112
[5]王诗瑶，王永红.跨学科STEM教育的思辨、现状与应用[J]教学与管理，2018（33）：97-100
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[7]沈香.浅议如何实现STEM教育与小学科学的融合[J]科学大众·科学教育，2016（04）：69+57
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