刘仕勃

摘要：作为当前教育热点的STEM教育，强调综合运用科学、技术、工程和数学等相关领域知识解决生活中的实际问题。本文结合小学科学教学活动案例，思考如何在STEM理念的指引下创新学习形式，通过创设情境、驱动思维、創新材料等途径，让学生体验“工程”、“设计”、“技术”给科学学习活动带来的帮助，重构科学教学的过程，落实科学核心素养。

关键词：STEM;跨学科教学;工程;设计;技术

近些年，STEM始终是科学教育界非常关注的一个热点。美国学者艾布特斯（Abts）使用“元科学”（Meta-Duscipline）一词来描述STEM，即表示它是科学、技术、工程和数学等学科知识的整合（Morrison，2006）。因其跨学科教育方式及在真实场景中解决复杂问题的属性，STEM成为很多学校和教师落实学生综合能力和素养提升的载体。

科学课程的核心目标是培养学生的科学素养，既有科学知识层面的，更有科学方法、科学精神、科学能力等方面的综合素质。而STEM的优势正是融合各学科的共性特征，同时发挥各学科的自身优势，引领学生积极主动地参与到学习中去，培养主观能动性和动手实践能力，并运用科学思维去分析、处理实际问题的能力，训练和培养学生的创新思维能力和质疑精神。

STEM为我们的科学教学开辟了新的思路，是对探究式学习的完善和补充。通过运用STEM理念对科学教学进行再设计，也让我对STEM有了更深入的认识。

[缘起]

在某次区小学科学教师培训中，我尝试着执教了五年级科学下册“时间的测量”单元的《用水测量时间》一课，并且在导师和学员的帮助引领下，对教学设计进行不断的改进，进行了二轮、三轮的课堂教学与研讨。

《用水测量时间》一课的目标定位，就是通过教师提供的简易装置，经过多次测量，理解流水（滴漏）的流速特征，从而理解水钟计时的原理。我最初的教学设计流程是：

这样的教学过程基于教材的设计，通过两次测量100毫升水需要的时间，学生发现两百毫升的水流出来同样量的水所需时间是差不多的，但是通过后续的三次测量活动，又发现其实水流的速度是越流越慢的。在这个基础上，老师去指导学生控制水流的速度，想办法让学生保持水流的速度保持不变，同时去感受、解释古代水钟计时的奥秘。

初次教学，课堂上学生的探究性很强，整堂课都在不断地进行思考、讨论、实验、测量，思维的层次性也在逐步地深入。但是整节课足足上了50多分钟，课堂的效率得不到保障。分析原因，我们觉得教学过程中，实验操作的难度大，测量的数据多，控制水流的速度不变的环节，对实验数据的准确性要求也很高，老师往往需要提醒学生注意很多细节，这方方面面都需要时间上的保障。

针对对上问题，我又进行了教学改进，在整体思路不变的情况下，根据学生的思维层次，删减和改变了测量的次数与顺序，进一步优化课堂效率。

改进后的教学，课堂效率得到很大的提升，但是这堂课我还是上得特别累。为了培养学生的证据意识，我们在尽力地追求实验的准确性，在实验的设计特别是数据的采集过程中花费了大量的精力，一个不留神，学生就会出现数据上的问题，于是乎数据成为决定课堂效率的关键。为了追求数据的准确性，还要考虑实验材料的选择、处理、改进，还要考虑计时工具的选择、训练，还有指导小组合作的规范性、数据分析的科学性……，但即使我们这些做得再规范，数据的误差还是不可避免的，从这个角度去考虑，数据成为证据又变得很矛盾！

特级教师曾宝俊老师的一番话更是让我对这堂课有了新的思考，他说这样的教学最大的问题是忽视了时间测量的本质其实是时间的恒定性。我们让学生测量用水来计时间的目的，是为了让学生理解时间的本质，这才是本节课的核心。如果连本质的东西都去除掉了，那么我们怎么可能去理解真正意义上面的时间呢？

[改变]

科学关注的是研究科学规律来发现科学规律，而我们的教学如果始终围绕“规律”来展开，那还不是停留在科学知识的教学层面吗？运用STEM教学理念，在更真实的情境中强调“发现规律”的过程，强化经历和体验的过程，注重高层次思维习惯的发展，会不会让学生觉得更有趣，教师教得更轻松呢？我进行了新的尝试。

●STEM教学目标定位：

目标 知识与技能 过程与方法 情感态度与价值观

S（科学） 在一定的装置里，水能保持以稳定的速度往下流; 通过人类根据这一特点制作水钟用来计时; 培养细心观察的习惯

T（技术） 水的滴漏速度和水位有关; 分析水钟的计时原理，并尝试运用相关的方法加以改进; 勤于分析推理的态度

E（工程） 运用模型思维设计和制作水钟装置; 能够制作一个相对“精确计时”的水钟; 用心解决问题的精神

M（数学） 通过数学的测绘，理解流水为什么能够用来计时。 多次测绘为“证据”提供更科学的保障。 明确“标准”的重要性。

●教学设计一般流程：

●具体教学设计：

《用水测量时间》教学设计

教学过程 教师引导 学生活动

主题和任务 1.你知道古人有哪些计时的方法？

2.水可以用来计时吗？

3.今天我们就一起来制作一个用水测量时间的“水钟”。 1.体会古人计时的局限性;

2.明确任务。

设计与交流 1.如果老师给你提供常见的可乐瓶，根据你的理解，我们可以设计制作一个怎样的计时装置，画一画“设计图”。

2.你们的设计图有什么相同和不同的地方？ 1.设计“水钟”装置图，展示;

2.指导理解“泄水型”和“受水型”两种类型水钟的共同点和区别——刻度。

制作与改进 1.首先让我们一起来组装一个“受水型”水钟。

2.如何给这个滴漏器标注刻度，使它成为一个真正的“水钟”？

3.小组分工合作，一起给“水钟”标上刻度。

4.让我们一起来比较一下，每个小组的“水钟”刻度有什么相同和不同的地方？

5.分析原因，是什么造成的？

6.觀察日晷和时钟的“钟面”刻度，发现什么？

7.有什么办法让刻度变均匀呢？

8.怎样用实验来验证我们的猜想？ 1.利用现有材料小组合作制作一个滴漏器;

2.观看微视频，了解给滴漏器标注刻度的过程和方法;

3.分组活动，10分钟内完成，展示;

4.比较刻度的相同之处（都是上宽下窄）和不同之处（间距不同等）？

5.引导学生理解“水位”和“水量”。

6.明确刻度与“等时性”的关系。

7.大胆思考，提出意见;

8.分组10分钟完成验证活动，实验后交流各自的发现：控制“水位”和“水量”就可以控制水钟的流速。

产品更新 1.用改进后的水钟进行计时比赛;

2.有什么办法进一步的改进，让水钟更方便和更精确？提出你们的设想。 1.进行计时比赛，比一比哪一组的水钟计时更准确;

2.在设计图上进行设计，并展示和交流。

●教学改进后的思考：

以前在上完这一课，也有的老师质疑，这一课究竟是“用水测量时间”还是“用时间测量水”，说明我们针对事物的潜在规律展开的探究活动，思维的局限性太大，太追求规律的量化特征而把问题复杂化了。基于完整情境的以模型思维方式解决“计时”问题的学习方法，较之前的以“测量”为主导的学习过程，学生的活动更有目的性，活动过程中的实践性更强、思维主线更清晰。最重要的是，淡化大量的测量过程，让本课的探究活动不再受限于数据的束缚，而同样能得到证据的支撑，在学生“发现规律”的过程中，得到体验的快乐、思维的提升，同时加深了对时间本质的认识，明确“标准”的重要性。

[思考]

STEM以实现跨越学科界限提高学生解决实际问题能力的教育方式正在悄悄改变我们的教学课堂。但是STEM不是教学最终目的，不能为了整合而整合，而是为了让学生有更多、更全面的学习方式;不是根据STEM来选择或设计教学内容，而是选择不同课程的内容，对科学基础课程进行有效补充和拓展;不是以制作产品为导向，而是从发展学生的综合素养出发，满足学生的学习兴趣和学习需求……所以，清楚STEM的定位，才能把握STEM的方向。

基于学科属性的STEM教学，其核心在于营造更接近真实的情境，综合运用各领域内学科知识和技能，解决生活实际问题的尝试。结合自己的教学实践，我觉得运用STEM理念去改造教学、提升教学，应根据教学的实际情况，从教学内容、学生学情、结构化材料等方面去思考，推陈出新，并可以从以下方面去大胆尝试。

一、情境驱动，体验“工程”的乐趣

在更接近真实的情境中体验生活是STEM重要而有意义的组成部分。在STEM中，我们所说的“工程”其实本身就是一种情境化学习方式。通过情境产生问题，驱动兴趣，让科学、技术、数学等学科知识通过相关学习活动形成连贯的、有组织的课程结构，学生的认知与学习发生在完成任务和解决问题的过程中。科学课的特点决定了这种情境更具有实践性，学生可以通过“做中学”来培养相关学科技能，以实践为依托将知识技能内化和外化。

在科学课的教学中，我们要结合教材内容，整合加工，延伸贯通，拓宽内涵，并利用材料的属性和特征，创设一种类似“工程”的虚拟情境，让学生体验“设计”、“制造”、“改进”、“发明”等一系列过程，在产生问题、思考问题和解决问题的过程中感受“工程”的乐趣。

在《用水测量时间》一课的教学中，从研究简易水钟到制作简易水钟本身就是一种突破。在这种体验古人伟大发明的活动中，让学生经历一个看似简单，实则不易的认知过程，经历一个先想后做、再想再做的活动过程，经历一个现象-问题-假设-证据的思维过程，他们的收获肯定是非常全面的。

类似的课再比如六年级上册《建高塔》一课，联系生活构筑虚拟的“工程”情境（建高塔），让学生有更明确的学习主题和任务（经受住自然考验，更具稳固性），学生对学习内容的关注度更高，更有兴趣投入到学习活动中来。当然，虚拟的工程情境毕竟有其局限性，无论是材料（塔）、还是模拟的自然环境（风、地震），都可能和真实的环境区别较大，但是我们可以尽可能地贴近生活，创造条件（用电扇、地震模拟器等）使其更具有挑战性，更具有操作性，更具有内涵性，让科学教学走出教材的限制。

二、思维引领，体验“设计”的乐趣

工程的关键是设计。我们绝不能把STEM单纯地看作是以产品制作为主导的学习过程，把制作过程教给学生，让他们去制作一件手工作品的活动不是科学探究，更不是STEM所追求的工程和技术内涵。华南师范大学胡卫平教授说过，STEM最核心的过程不是操作，而是设计，而设计的关键是思维。教师要善于指导学生针对“工程”内容进行整体构思，从制作方法、制作顺序、材料选择、工具使用以及可能出现的问题等方面进行综合考虑和谋划，充分调动学生的已有知识和经验，发展学生的沟通、协作、交流的能力，培养学生的耐心、细心的态度，这些远比完成作品更重要。设计的过程可以促进知识的融合与迁移运用，通过作品外化学习的结果、外显习得的知识和能力，是STEM的核心内涵。

《用水测量时间》一课，设计一个“水钟”，学生看似简单的做一个滴漏计时器，实则在设计的过程中会遇到各种问题，例如材料方面，选择规则形状还是不规则形状的瓶子;制作方面，怎样连接滴漏部分和接水部分是最好的;计时方面，怎样设置起始时间，怎样来表示时间等等，这些问题需要教师适时的引导。

当然，让学生设计，也不是天花乱坠地胡乱构思，也要遵循一定的方法和原理，最好在限定的框架内发挥学生的发散性思维能力。

例如《做个太阳能热水器》一课，平常的教学教师会先让学生直接来设计一个简易的太阳能装置，但是学生往往会受限于生活经验和能力，而不知道如何下手，设计的图纸当然不切实际。一位老师在上这一课的时候，给学生准备了统一的瓶子，瓶子里装上了温度计，并且告诉学生可以在瓶子上插上如下图一这样的管子。而同学们要做的就是考虑管子的布置方法，怎样让管子里的水尽快地升温。由于切口较小，学生可以利用所学知识和自身经验思考方案，并利用身边的材料进行制作改进。于是就会有如下图二、图三这样的“产品”。

三、材料辅助，体验“技术”的乐趣

只有“设计”环节的教学过程不是真正意义上的科学探究活动，科学教学的过程本身要体现的就是“做中学”的理念。因此，教学过程要创造条件，给学生动手实践的机会，在设计的基础上，为学生准备必要的材料，并且重视材料的结构性，发挥其技术优势，为学生的制作活动提供帮助，培养创新思维能力。

材料是技术的载体，教师给学生准备的一些“特殊”材料本身就蕴含着科学技术的原理，学生使用和操作材料的过程，就是使用技术搜集、分析数据，设计、测试和改进一个解决方案的过程，所以切合学生的实际的、富有技术层面思维含量的材料往往能给教学带来意想不到的效果。当然，学生的学习能力决定了他们理解材料的片面性，所以也需要教师必要的、适时地引导，以及学生的相互交流沟通，从材料上去体会“技术”对“工程”的重要性。

《用水測量时间》教学中，教师让学生设计的是“泄水型水钟”的整体框架，而一些细节上的处理而以材料呈现的方式让学生去自我消化。比如滴漏器中间的连接装置，我采用的是双管通道（如图），通过和学生的交流让他们明白这样做的原理是因为空气占据空间，下面接水容器中的气体出不来，水是进不去的。同时在这个基础上，让学生考虑如果给一个通道装上一根软管，不让气体出来水进不去，让气体出来水就进去，不就做成了一个水钟的“开关”吗？学生通过尝试，体验到了“技术”给制作带来的乐趣。又如五年级上册《怎样得到更多的光和热》一课，教师设计一个拓展性活动-颜色与吸热性能的比较。老师设定的框架就是以材料为基础，给如下图一的两个大小相同的瓶子设计一个装置，想办法比较等量的水在相同时间谁吸热快。老师给学生预先准备的材料有很多，如温度计、玻璃管，塑料管等等。给学生充分的设计、制作和交流时间，学生设计出了很多这样优秀的“产品”（如图二）。

结语

STEM是一种理念，是对“做中学”教育思想的升华，是对探究式学习的完善和拓展。在STEM理念的指引下，创新科学学习方式，充分发挥科学的探究性、工程设计的整合性、数学的工具性以及技术的驱动性，重构科学教学的过程，让学生积极主动地参与到学习中来，培养学生分析、处理实际问题的能力，才能真正培养科学核心素养。

参考文献：

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