促进学生建构科学概念的STEM活动设计

2017-05-26杨聪

中国科技教育 2017年1期

杨聪

研究背景

近些年，STEM教育是全球科学教育改革中炙手可热的话题。美国2013年颁布的（《新一代科学教育标准》将工程和技术明确地写进了科学教育中。如何在科学课堂中合理地运用STEM教育，是每一个科学教师都希望解决的问题。

在当今的科学教学中，课堂的关注点已经由原来单一的知识传授转变为以探究为主的学习方式。在探究式科学学习中，学生通过对已收集到的证据进行思考和逻辑推理生成概念，使自己能够更好地理解周围世界。学生掌握一个科学概念，实质上就是掌握同类事物的共同特征，中高年级的科学教学中如何指导学生将具有共同关键属性的一类对象、事件、情境、需求、性质等的科学概念融合，建构成科学的大概念，则是我们需要深入研究的课题。

STEM教育活动中融合了科学、工程、技术和数学4门学科，以整合的教学方式帮助学生在活动中建构理解，掌握解决问题的技能，并能够灵活地运用到日常生活中去。因此，设计一个适合学生研究的STEM活动显得尤为重要，这样可以促使学生在解决实际问题的过程中，自发地对已有经验提取和再内化，加强有效的部分概念，修改有问题的部分概念，在评价和交流过程中，逐步建立正确的概念认知。

活动主题设计思路——以“设计保温杯”为例

唤醒儿童的前概念

在帮助儿童建构科学概念时，我们得先知道学生现有的知识结构、他们感兴趣的一些内容，以此为基础唤醒孩子的前概念。由于学生日常积累的认知概念可能是肤浅的，或者是错误的，活动设计前，需要了解学生原有生活的经验和概念。

在开展“设计保温杯”的教学设计之前，对我校四五年级学生对保温杯的认知情况进行了调查，结果显示孩子们认为好的保温杯应该具有美观、轻便、保温效果好、携带方便、结实、功能多这些特点（如图1），而谈到如何让保温杯的保温效果更好时，孩子们想到许多想法（如图2）。

调查反映出，大部分学生认为在杯子夹层中添加泡沫、棉花、塑料等材料会起到很好的保温作用，但是问他们选用什么材料最好，大部分学生说不出来；调查还显示出，大部分学生在思考时，仅仅考虑保温效果好就可以了，而忽略了实际中可能存在的其他问题，如杯子的重量会不会增加、外形是否美观、成本是否增加等。

根据调查统计（如图3），发现孩子在4年级科学课中，有过对“热”的单元的学习，在生活中也有相关经验，但是对保温这一概念还不清晰，或者有许多片段式的小概念，还没有融合成一个科学大概念，并且运用的概念也很难和生活实际现象相联系。

设计需要解决的问题

Dyasi教授在培训活动中指出，开展STEM活动时一个清晰的、学生感兴趣的且富有挑战性的问题非常重要。在“设计保温杯”课程中，我们围绕学生的前概念，设计出3个阶段的主题活动。

·设计一个保温杯

这一阶段的目标是通过观察生活中的保温杯和保温的物品，能够借助生活经验。描述出影响物体保温效果的因素；小组合作设计一个保温杯，并介绍保温杯的原理；再次修改自己小组的保温杯设计。

·如何将自己设计的保温杯制作出来

这一阶段的目标是在设计的基础上思考制作保温杯的可行性和需要准备的物品，制订工作计划。

·检测保温杯的效果

这一阶段的目标是介绍自己保温杯的制作过程，从多个方面相互检测和评价彼此保温杯的实际效果。

制订活动中的学科维度

制订活动中的学科维度是设计STEM活动的重要步骤，也是体现STEM综合活动设计思路的有效方法。图4显示出在“设计保温杯”课程活动中所涉及的科学与工程实践、跨学科概念及学科核心概念，这使得课程目标、方法和过程都一目了然。

在课堂中的教学方法

建立适合学生学习的“学习场”

让学习活动真正发生，需要构建适合学生学习的学习场，就是营造学习的氛围。而设计有深度参与性的话题则是学习场的核心。那么最好的话题就是学生认為有意义，与学生生活密切相关的问题。例如“设计保温杯”主题活动，一开始就从学生的需求出发，“冬天即将到来，大家都会使用保温杯，什么样的保温杯好呢？”这样的话题是学生生活所需要的，也是STEM活动的特点之一。

设计核心问题，引导学生深入思考

科学概念往往隐身于现象的背后，以物质或能量为载体，通过相互作用产生的现象呈现出来。在科学的STEM活动中，教师应该如何引导学生透过实际现象把握其背后的科学概念呢？第一，可以让孩子们自己提出自己的观点，在讨论中归纳出相关科学概念。第二，教师围绕核心概念以追问的形式，提出问题。举例如下。

教师：刚才大家从多个角度评论了彼此设计的作品，现在我们再来看一看，大家设计的保温杯，都有哪些共同的目的？

学生：都为了让保温杯更加保温。

教师：什么是保温呢？

学生在提出自己的设计观点后，让他们归纳这些观点的相同点，学生则能抓住“保温”这个核心概念，进而教师可以请学生解释什么是保温，再一次引发学生对核心概念的思考，将前概念调动起来。

以小组合作方式完成方案设计

美国加利福尼亚大学索诺玛分校校长保尔认为，在课堂教学中，对话性思维和辩证性思维是活跃知识、重建概念的方法，而合作学习可以促进学生之间的思维互动，帮助他们更好地构建相关概念，避免以自我为中心的思维局限。

在设计方案这一环节中，不少教师可能会担心孩子是否有能力进行设计。21世纪初期，美国斯坦福大学设计学院和德国波茨坦大学设计学院研究表明，设计思维并不一定是由专门的设计学校培养出来的，设计专业以外的普通人也拥有设计思维的天资和潜力，只是需要经过恰当的引导和训练。而对于儿童和青少年这个年龄阶段的学生来说，他们的思维塑造处于黄金时期。因此，在STEM活动课程教学中，引导学生共同对一个计划进行合理设计，制订研究方案，在学生设计活动时，学生自发帮助彼此，发现错误想法，搭建支架，促进彼此转变错误的想法，提高学生思维能力的同时，也帮助学生建立起正确的概念认知。举例如下。

师生谈话：如果让你设计并制作一个保温效果好的保温杯，你会怎样设计？

（学生合作进行）

为学生创造展现小组设计方案的平台

在科学教学中，学生设计活动之后，需要让学生充分介绍自己的设计思路，在相互交流中让学生充分质疑，达成共识。相互交流的过程，不仅是学生思维显性化的过程，更是学生思维精细化发展的需要。举例如下。

（将课前大家的设计作品挂在墙上）教师提问：我们每个小组都对保温杯进行了设计，我们请他们来介绍一下自己的设计思路，你也可以对他们的方案提出一些建议或可行的想法。

为了充分展示学生的作品，教学中，不仅将学生设计的原版作品贴在教室周边，还为每组打印了相关设计的副本图片，让每个学生了解每一件作品。这样在对每件作品的充分了解基础上，学生交流起来也有理有据。为了让方案更精细化、可行化，在学生相互介绍和评价了彼此作品之后，提醒学生进一步修改自己的设计作品，为制作保温杯做好铺垫。

引导学生合理设计制作方案，在过程中引发学生对跨学科概念.核心慨念和自己的技术能力进行反思，并解决相关问题

在STEM活动中，问题作为核心，而解决问题的过程往往要运用许多领域的概念知识，还要运用多种解决的技术能力。在学生准备活动方案时，往往会在交流过程中发现原有的知识能力不足以解决现在遇到的问题，会产生认知的需求。学生会自主地寻求新的知识，或者对原有知识产生质疑，从而重新建构原有的概念。舉例如下。

师生谈话：刚才大家已经设计好自己小组的保温杯，接下来你准备怎么去制作这个保温杯？你们可以相互交流，指定一个可行的制作方案。

（学生讨论）

教师提问：你们在制订计划的时候遇到了哪些困难？准备怎样解决？

学生汇报：材料问题——不知道哪种材料保温效果最好。

检测问题——如何才能知道自己制作的杯子保温效果好不好？

颜色配比问题——不同的组员对颜色搭配有不同的意见。

技术问题——怎样切割泡沫？保温丝怎么做？可显示温度计怎么做？真空环境怎么制造出来？

可见，在制订方案过程中，学生会遇到许多自己没有接触过或者自己尚不知道的问题，引导学生查资料或者进行探究活动，自主解决这些相关问题，这种方法可以促使学生主动学习、积极思考。活动的开展像吸铁石一样紧紧地吸引学生的注意力，充分调动学生学习的主动性，让学生形成主动学习的内驱力，调动学生积极思考建构科学概念。

设计合理的评价方法，帮助学生归纳出核心概念

学生在方案的制订、保温杯制作及最终测试时，数学方法显得尤为重要，在过程中学生运用测量、建模、计算等方法收集相关数据，在归纳过程中提高其思维的严谨性。通过相互评测，结合自己的活动方案和最后结果，学生能够将在过程中的片段概念进行整合，从而形成新的大概念及概念联系网。举例如下。

师生谈话：在前段时间的学习和制作中，大家都已经制作出自己小组的保温杯，怎样评价每个小组的保温杯呢？

学生：（1）哪个组保温杯做得漂亮。

（2）哪个组保温效果好。

（5）哪个组的既轻便，又结实。

在这一环节中，学生能够想出许多评价方法，可以让孩子们先使用自己的评价标准点评，而后教师依然要抓住核心问题“保温”这一核心概念。在教学过程中，大部分孩子都会以谁做的保温杯保温效果好作为评价依据，教师在此基础上进一步引导学生相互检测，收集数据，用数据说话，找出最棒的保温杯，并再次点评，帮助学生归纳其保温效果好的原因。