基于STEM理念的小学科学课程活动设计

    何斐 汪存友

    

    摘要：本文基于STEM教育理念分析了小学科学课的价值导向，依据STEM教育的本质特性，以“会飞的空气——走马灯”项目为例，以5E教学模式为基础，从参与、探究、解释、迁移和评价五个方面对课堂教学活动进行设计，以期能够培养小学生的创新思维和解决问题的能力。

    关键词：STEM理念;跨学科;教学设计;5E教学模式

    中图分类号：G434 ?文献标识码：A ?论文编号：1674-2117（2021）07-0061-04

    相关概念界定

    1.STEM教育的本质

    STEM教育代表科学、技术、工程和数学，它遍及生活的每个部分。STEM教育的基础始于幼儿时期，这一时期的孩子们可以从最早的科学和环境中学习数学和技术。孩子们自然也会通过亲身实践的多感官和创造性的经验进行早期的STEM探索，这些经历可以激发他们的好奇心，发展他们的批判性思维和解决问题的能力。

    2.5E教学模式

    5E教学模式形成于STEM教育的实践之中，是由美国生物学课程研究所（BSCS，1989）开发的一种基于建构主义教学理论的模式[1]，这种教学模式分为参与（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Exploration）、迁移（Extension）和评价（Evaluation）五个环节。在这种模式下，教师让学生参与激发他们好奇心的学习任务，帮助他们一起探索潜在的解决方案，提出解释，阐述概念理解，评价他们的科学概念和能力。这种探究模式的优势在于：为如何促使学生正确学习奠定了基础，同时提供了一种在社会建构的有意义学习经验背景下探索和解释特定领域知识的结构。

    基于STEM教育理念的小学科学课的价值导向

    1.跨学科

    跨学科课程整合就是聚焦共同的主题，突破现有学科界限，将不同学科中不同领域所包含的理论和方法有机融合在一起，有目的、有计划地设计组织课程内容和教学活动，以提高学生能力、促进学生全面发展为最终目的的一种课程组织方式和课程设计理论。

    2.建立弹性课堂

    在STEM教育活动中，科学探究活动具备较强的持久性以及复杂性，学生需要较长的时间对知识进行深入的探索、思考、反思，在真实的教学情境中，并不是所有的知识都能够被学生理解，这时就需要教师发挥自己的专业能力，对课程的难易程度以及上课时长进行调整，使其贴近学生的接受程度以及所能理解的程度，这也更加强调了STEM课程理念应用的有效性。

    3.面向真实生活的情境性

    在STEM教育中应更加注重让学生把所學习到的知识运用到生活中，能够根据自己当下的情境，对所学到的知识进行更加深入的了解，最后，达到灵活运用的目的，这也体现了STEM教育更加强调让学生自己通过探索理解知识而并非通过外部强加于学生的理念。[2]

    4.培养独创性和创造力

    STEM教育旨在培养创新型人才，一方面通过教学培养学生的创新意识和思维，另一方面锻炼学生的创新能力，即让学生在日常学习和生活中学会发现问题，学会应用所学知识从不同角度分析及解决问题。

    5.鼓励团队协作

    STEM教育中，能力水平各异的学生可以在团队中共同努力，找到问题的解决方案、记录数据、编写报告、进行演示等，最终结果是学生了解如何与他人合作并在团队的环境中成长。

    6.鼓励知识应用

    在STEM教育中学到的技能可以应用到现实生活中，以激发学生学习的热情。

    7.教会解决问题的方法

    STEM教育更加鼓励学生在解决问题时，能够整合不同的学科知识，通过动手实践解决当前遇到的问题，有效培养学生的STEM素养及跨学科思维能力[3]，教会学生如何在解决问题的过程中用批判性的眼光看待问题，通过参与STEM学习的经验，学生会学习到如何在这个过程中发现问题并解决问题。

    基于STEM理念的教学设计探究

    1.学习者分析

    本项目主要针对四、五年级的学生，他们对空气的物理性质已经有了一定的认识，并且基本能够进行概念总结、问题提出、假设，进而逐步解决问题。

    2.教学内容分析

    “会飞的空气——走马灯”内容需要学生运用已有的知识认识热空气的特征，即空气受热会上升。本节课通过实验结合STEM理念启发学生对实验中的现象进行分析，即运用已有认知对空气受热后产生的变化做出解释，理解热空气上升的原理。

    3.教学目标

    知识与技能目标：（1）对应STEM（S）。①了解空气的性质与特点;②清楚走马灯旋转的原理。（2）对应STEM（T）。①将灯罩顶盖剪成六个扇形叶片并向上翘起;②走马灯圆筒粘贴要紧密，不要有缝隙。（3）对应STEM（E）。蜡烛点燃后，走马灯转得慢，可以采取哪些措施。（4）对应STEM（M）。走马灯能旋转与它的结构有关，要有转动起来的轴，要有同一方向倾斜的叶片，转动得快慢与扇叶张开的角度大小有关。（5）其他。①语文：语言表达;②化学：空气的对流;③物理：动力的来源;④艺术：走马灯的美观。

    过程与方法目标：①创设情境，激发对解决实际问题的好奇心;②采用小组合作的方式探究走马灯的动力来源，掌握热动力方面的知识;③通过观察实验，总结相关原理，改进优化项目。

    情感态度与价值观目标：①通过实验探究培养动手能力、操作能力，提升观察分析能力;②培养对科学探究的兴趣;③培养合作意识、勇于探索的精神。

    4.学生活动

    以小组的形式分工合作，动手实践。

    5.实验材料

    ①灯罩顶盖*1;②灯罩侧围*1;③双面胶*1;④木板*1;⑤圆木棒*1;⑥子扣*1;⑦母扣*1;⑧蜡烛*1;⑨笔芯*1。

    基于STEM理念的项目“会飞的空气——走马灯”教学设计

    1.参与（Engagement）

    （1）激发兴趣环节

    师：中国的灯笼各式各样，但有一种灯笼较为独特，它的外形也与其他灯笼没有什么差别，但是当你将它点燃时，它就会开始转动。大家想知道是什么吗？这个就是走马灯。

    （2）联系旧知

    教师引导学生观看一小段有关走马灯的视频，提出走马灯为什么会转的问题。学生通过小组讨论，收集信息。

    2.探究（Exploration）

    学生发现问题，然后进行思考判断，在头脑中整理出信息框架，联系实际，针对各方面的问题提出自己的设计，同时，教师要不断跟进，对学生的进步、能力进行反馈。在这个环节中，学生直接参与教学现象的观察和材料的呈现，教师充当引导者，提供材料并引导学生的注意力。

    （1）材料下发

    教师活动：讲解走马灯相关知识，并将实验器材下发给学生。

    学生活动：整理器材，摆放整齐。

    （2）教师引导制作走马灯

    ①折叠灯罩顶盖：将灯罩顶盖上的六个扇形叶片沿着裁剪线向上翘起，注意翘起幅度不宜过大，否则将影响正常转动。将扇片翘起后把子母扣安装在顶盖上的圆孔内，注意子母扣凸起的一面朝上，最后将顶盖周边红线外的部分沿着红线向下折（如图1）。

    ②粘贴灯罩侧围、顶盖。将双面胶粘贴在侧面的转帖处，不要撕下保护膜。将长方形剪纸卷成一个圆柱体，把剪纸内侧白色区域的双面胶撕开，沿着灯罩顶盖折下的部分将其粘紧，然后撕掉侧面的双面胶保护膜，粘贴在侧面即可。注意粘接时手将粘接区域按紧不要留下空隙以免影响制作完成后的转动效果。

    ③组装底座、灯柱。将圆木棒插入方形木板上的圆孔中使其成为一个底座，如果插接时圆木棒有松动请用乳胶粘紧，再将产品自带的圆珠笔杆套入圆木棒内（如图2）。

    ④盖上灯罩，放好蜡烛。将组装好的灯罩放置在底座上，子母扣凹进去的一面与圆珠笔杆顶部对在一起，点燃蜡烛，观察有什么现象。

    （3）疑难探究

    ①探究1。

    师：现在已经做好了走马灯，我们将蜡烛放到底座上，用打火机点燃蜡烛，过几秒种后，观察灯罩有没有变化，再看看小马是前进还是后退。

    生：（点燃打火机并观察）点燃蜡烛后灯罩会缓缓转动起来，小马在向前方奔跑。

    ②探究2。

    师：将扇叶开口完全闭合后，观察灯罩是否还会继续转动？

    生：（把扇叶闭合并观察）将扇叶开口完全闭合后，灯罩会慢慢停止转动。

    ③探究3。

    师：将扇叶开口高度张开45度后，观察灯罩是否还会继续转动？

    （提示：点燃蜡烛后如灯罩不能转动，将翘起的叶片稍均匀压低些。如果实验不成功，检查一下圆珠笔头是否顶住了子母扣凹进去的地方，如果没有，请放置好。灯罩边缘是否有缝隙）

    生：（学生将扇叶开口高度张开45度观察）将扇叶开口高度张开45度后，灯罩转动速度较快。

    3.解释（Exploration）

    解释是教师在学生探究的基础上，明确相关概念、原理，把学生已有的知识与它们结合在一起建立联系，最后总结出概念的过程。在这个环节中，教师为学生创造足够的空间，让学生通过不断发现，完善对概念的认知，加深对概念的理解。

    （1）原理总结

    师：通过本节课的实验，大家想一下走马灯为什么会转？

    生：因为走马灯下面的蜡烛点燃受热后会产生热空气。

    师：对的，走马灯会转动起来，就是因为当它下面的蜡烛点燃后，空气受热后会上升形成气流，从而推动走马灯转动起来，这就是走马灯会转动起来的原因。那么，热空气为什么会向上升呢？（学生思考，并进行小组讨论）地面上各个空间的空气冷热不均，冷空气向下运动，热空气向上运动。也就是说热空气上升到高空会变冷，冷空气向下降，补充到热空气上升后留下的空间里，这样的空气对流是一个不断循环过程。除了竖直方向，横向也存在冷热空气对流的现象。这样，空气就流动起来了。而走马灯正是利用这样的原理制成的，走马灯的扇形叶片向上翘起，下面放有蜡烛，空气受热后变轻上升，其周围的冷空气会下降。热空气上升带动叶片旋转，叶片再带动画着马的灯圈旋转，由此走马灯开始旋转起来。

    （2）重难点回顾

    师：通过实验，我们知道了灯罩为什么会转动，通过这节课你们知道热空气有什么特点吗？热空气会向哪里流动？

    生：空气无处不在，它可以流动到每一个角落。

    4.迁移（Extension）

    迁移是指学生通过教师指导，结合生活实际，加深对新知识的理解与强化，改进自己的设计，甚至能够进行更深入的探索，拓展课堂的深度。本环节中，教师积极引导学生对实验设计进行更为细致的改进，分析新旧知识的相同与不同之处，建立联系，并把已有认知铺展开，使得学生对新知识有更清晰的理解。

    师：每组派一名同学给大家讲解一下实验过程中哪些地方取得了成功？哪些地方有待改进？大家一起来分享，共同学习与进步（学生小组讨论后发言）。走马灯利用了热空气上升的原理，你们还知道生活中有哪些东西是利用这个原理呢？大家交流完成后，请每个小组分享交流成果。

    生：孔明灯、热气球、排气扇（安装在卫生间的上面）、抽油烟机（安装在炉灶的上方）。

    5.評价（Evaluation）

    评价是5E教学模式的最后一个环节，该环节是教师对学生知识掌握程度进行有效评价，教师可以灵活运用各种科学有效的评价手段。本环节的评价方法主要采用了课堂观察、小组评价的方式。教师根据学生在实验中的行为表现、参与情况、成品的效果、美观程度等维度进行评价和分析，学生以小组的方式进行点评或者补充，教师再做最后总结。

    结语

    本研究以“会飞的空气——走马灯”项目为载体，选取与学生实际生活密切联系的内容，发现将STEM教学理念融入小学科学课的实践活动，可以把枯燥无味的理论知识通过自己动手设计出来的作品加以应用，有助于扩展学生的思维，让学生对新事物产生兴趣，提高学生解决问题的能力。

    参考文献：

    [1]郑键.5E教学模式的介绍及实践[J].新课程学习（下），2014（09）：46.

    [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，2015，21（04）：13-22.

    [3]赵慧臣.美国北卡罗来纳州中学STEM学校的教学设计及其启示[J].中国电化教育，2017（02）：47-54.