邱亚莉

摘  要 STEM教育具有跨学科和综合性等特点，越来越多的教师尝试将其与小学科学课程相结合，以充分发挥其巨大的潜力。尝试从STEM教育理念和小学生思维认知特点出发，基于STEM视角设计符合小学科学探究活动的教学流程，并以“降落伞制作”为例，进行具体的教学设计，以期为STEM教育整合融入小学科学教学提供新的参考视角。

关键词 STEM；小学科学；探究活动；降落伞

中图分类号：G623.6    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）13-0116-03

0  引言

在“互联网+”时代背景下，培养创新型综合人才的需求已经越来越迫切。2017年，中国教育科学研究院颁布的《中国STEM教育白皮书》中提到：“STEM教育是面向所有学生培养综合素质的载体”[1]。这是因为STEM教育提倡让学生运用跨学科知识，在不断探索、试误的过程中解决实际问题，以达到培养学生创新精神、实践能力，促进学生全面发展的目的。由此可见，基于STEM视角设计并有效实施小学科学探究活动，能够培养学生的综合素质和科学素养。笔者通过研究小学科学课标并结合STEM教育的特点，选择“降落伞制作”为科學探究活动主题，按照“创设情境，确定任务；做出预测，协作探究；制定方案，进行实验；交流反思，再次设计；作品展示，小组竞赛”的流程进行教学设计，以期为一线教师将STEM教育理念与小学科学教学相融合提供借鉴和参考。

1  主题确定

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四个词语英文首字母的组合。但STEM教育绝不仅仅是四门学科的简单相加，其强调通过探究活动将科学探究、工程设计、数学方法、技术制作有机融合[2]，培养学习者的设计思维、迭代思维、知识迁移能力、解决问题能力及团队合作能力。这与《义务教育小学科学课程标准（2017版）》所提倡的“科学学习要以探究为中心”不谋而合[3]。综合STEM教育内涵特点及小学科学课程标准，笔者选择“降落伞制作”这一主题作为科学探究的主要内容。选择这一主题有以下几个方面的原因。

首先，在综合性方面，这一实践活动包含科学、技术、数学、工程各方面的知识：在工程方面，学生通过选择合适材料制作降落伞，理解有效的设计可以提高制作产品的时效性和竞争力；在科学方面，学生通过学习了解降落伞减速的原理，探究影响降落伞降落快慢的主要因素；在数学方面，学生通过控制变量法收集数据并分析测试的数据，得出规律；在技术方面，通过选择合适的材料，依据设计方案制作一款性能优异的降落伞。

其次，在可操作性方面，学生在制作降落伞的过程中可通过独立思考、查阅资料了解降落伞的相关知识，再加上教师的讲解及同伴互助可完成这一任务。

最后，在连贯性方面，横向上，“降落伞制作”需要运用科学、技术、数学、工程四门学科的知识；纵向上，这一主题知识向上是对低年级知识的延伸和扩展，向下是对初中物理、数学等学科的铺垫。因此，无论是纵向还是横向，都起到衔接的作用，符合连贯性特点。

该教学流程主要分为五个环节：创设情境，确定任务；做出预测，协作探究；制定方案，进行实验；交流反思，再次设计；作品展示，小组竞赛。在不同的环节又分别渗透科学、工程、数学、技术等知识，具体如图1所示。

2  基于STEM的“降落伞制作”教学设计

2.1  学习活动介绍

该学习活动以“制作一款性能优异的降落伞”为主题，先引导学生利用已有知识制作简易降落伞并进行试降，通过控制变量法找到影响降落伞性能的最主要条件；然后提供塑料膜、棉布、细棉线、绳子等材料让学生以小组为单位自主设计，制作一款性能优异的降落伞，具体如表1所示。

2.2  “降落伞制作”STEM教学目标

该活动的STEM教学目标具体如表2所示。

2.3  实施过程

环节一：创设情境，确定任务

【播放视频】播放神舟十一号返回地球，宇航员安全着陆是依靠降落伞（减速伞）来实现返回舱的减速和降落的视频，引出国家航天局近期要采购一批新的降落伞的情境，并展示国家航天局对降落伞性能的要求。

【确定任务】利用手中200元的研发经费，尽可能地制作出一款研发成本少、研发时间短、性能好的降落伞。搜集与降落伞有关的故事，小组选一名成员在全班演讲，其他学生注意聆听并记录故事中与降落伞有关的知识。

【设计意图】通过神舟十一号飞船需依靠降落伞落地这一真实问题情境引出活动任务，激发学生探究兴趣。强调制作时间和成本，意在告知学生工程设计不仅要考虑性能，还要考虑时间。同时，在搜集与降落伞有关故事的过程中了解降落伞制作的科学知识，为顺利开展下一环节打好基础。

环节二：做出预测，协作探究

【查阅资料，了解原理】通过上网查阅资料或请教他人，认识降落伞的组成和结构及降落伞为什么能够达到减速的目的。

【小组合作，着手制作】如果让你来制作降落伞，你会选择怎样的伞面？用几根伞绳？以什么为重物？学生在回答完问题后，以小组为单位制作简易降落伞。

【组织试降，确定因素】组织学生将制作好的降落伞进行试降，每小组三次，并回答问题：在试降过程中能稳定下降的降落伞分别具有哪些优点？通过试降，你发现影响降落伞的因素是什么？

【介绍方法，引导思考】学生回答完上述问题后，教师讲述什么是控制变量法，学生思考：如何设计实验？测试降落伞时的变量是什么？常量是什么？

【学以致用，再探因素】小组讨论，根据控制变量法的探究设计一组实验方案，验证降落伞在不同条件下的影响规律，并进行实验结果交流：小组所探究的影响因素是什么？怎样设计实验？变量是什么？常量是什么？实验结果如何？

【设计意图】科学方面，引导学生通过请教他人或查阅资料了解降落伞能够减速的原因是受到空气阻力。技术方面，通过让学生了解降落伞的构造和工作原理后进行试降，测试降落伞的性能，并找到最佳性能的降落伞。工程方面，引导学生运用工程思维设计简易的降落伞并进行试降，在试降的过程中学会如何减小降落伞的阻力。数学方面，通过试降，学生发现影响降落伞性能的因素有两个，分别是伞面和绳长，而要找到最佳伞面和最合适的绳长，就涉及控制变量的问题。在介绍完控制变量后，让学生应用控制变量法再次试降并记录数据，找到降落伞在不同条件下的影响规律。通过以上活动，不仅可以培养学生综合应用不同学科知识解决问题的能力，而且可以提高学生的团队合作能力。

环节三：制定方案，进行实验

【制作模型】根据小组得出的实验结果，要怎样做降落伞？做几个？以小组为单位进行降落伞制作。

【测试降落伞】每组按照自己的实验设计测试降落伞，记录降落伞开伞时间，开伞后落地时间二者相加为总时长，测试后分析实验数据，确定每种变量的最优条件，得出规律。依据测试结果进行改进制作，通过这一过程体会并不是所有最佳条件组合在一起就会形成最佳降落傘，不同条件组合时会有一定的组合比例，需找到最佳契合点。

【设计意图】运用控制变量法，记录数据，分析数据，得到规律，找出最优条件，并以此为依据改进模型。这一过程可以让学生体会到得出科学数据需要多次尝试，才能发现最佳值，同时体现了不断尝试、迭代设计的工程思维。

环节四：交流反思，再次设计

这一环节主要包括两个项目。

项目一：再现要求，自主设计。重现任务要求，并根据所得数据设计新型降落伞。教师应提醒学生：降落失败，意味着会有人员伤亡。为避免安全不达标，伤亡率太高，每个团队有200元研发经费，可以选择更多的材料，制作合格的降落伞，但最终目的是投资少，降落伞好（打开速度快、落地平稳、售价低）。要求在尽量短的时间内，利用手中的经费，在所提供的材料中选取材料，制作一款性能优良的降落伞，该降落伞能够装进火箭返回舱，并在最终测试时能携带鹌鹑蛋平稳落地。

项目二：设计方案，制作模型。

首先，小组成员头脑风暴提出可行方案，在提出可行方案时需考虑降落伞的结构、材质、尺寸、价格成本及在有限的经费和时间里如何提升其性能。

其次，选择可行方案。组长组织评选方案，根据任务要求、降落伞设计细节、实验可行性、实现难度等条件来评估、选择最佳方案并设计草图。

最后，综合考虑材料的性能与成本，选择所用材料，进行模型设计并试降，确定最佳绳长和伞面。在这里教师应强调：在制作过程中若发现所选方案有问题应及时纠正，若产品不理想，可根据小组设计人员建议快速研发下一款产品。

【设计意图】首先，利用头脑风暴的方式，尽可能多地提出设计方案，这一过程有利于发散学生思维，发展学生的创新精神。其次，在选定方案后设计图纸，制作模型，不仅可以节省时间，提高效率，也是工程设计非常关键且重要的一步。最后，设计好模型后，通过多次试降并利用控制变量法找到最佳绳长和最佳伞面，这一过程不仅需要综合技术、科学、数学各方面知识，而且对团队之间的默契配合也是一种考验。

环节五：作品展示，小组竞赛

【汇报展示】学生可采用抖音、产品说明书、PPT、展板等多种方式进行汇报展示，介绍产品的同时需陈述小组如何分工，小组中个人做了什么贡献，在制作过程中遇到了哪些困难，是如何解决的。

【小组竞赛】小组带着降落伞进行比赛，要求：降落伞携带鹌鹑蛋，从同一高度降落。开伞时间短，降落时间长，且鹌鹑蛋平稳落地者获胜。

【反思评价】教师和小组之间对所设计的产品进行评价，提出意见。运用评价量规进行量化打分并评选出性能最佳团队（开伞速度快且可平稳落地）、最强大脑团队（设计新颖且成本低廉）。

【设计意图】在作品展示的过程中，学生需对作品设计的思路、意图、创新点等进行说明，不仅可以锻炼语言表达能力，而且在聆听的过程中小组之间可互相学习、取长补短，完善自己的作品。

3  活动小结

开展STEM视角下的小学科学探究活动对于培养综合型创新人才是非常有帮助的，但教师在实施该教学活动时还应注意以下几点。

首先，构建学习共同体。教师在实施教学时应按照组间同质、组内异质的分组原则，安排学生进行小组合作学习，充分发挥每个学生的主观能动性[4]。

其次，评价主体多元化，评价方式多样化。活动结束后，教师不仅要对学生的作品和表现进行评价，也应邀请别的学生及学生自己进行评价，使汇报小组得到全面的反馈信息；不仅要对设计的成品进行评价，也要对设计的过程进行评价，如合作情况、问题解决能力、设计图迭代过程等。

最后，评价后再改进。在小组展示后，教师鼓励学生根据老师和同学的建议改进和优化产品。

参考文献

[1]中国教育科学研究院.中国STEM教育白皮书[M].北京：中国教育科学研究院，2017.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2017：1-5.

[3]常咏梅，张雅雅.基于STEM教育理念的教学活动设计与实证研究[J].电化教育研究，2018（10）：97-103.

[4]王玲玲.基于STEM的小学科学课程设计研究[D].上海：华东师范大学，2015.