STEM教育在小学虚拟实验项目中的应用

李志华+李静

随着全球创客运动的兴起，STEM教育在全球普及推广，STEM的创客教育模式备受关注。创新与创造，作为21世纪人才培养的主要目标，对教育提出了更大的挑战。学校将STEM教育作为一种教学策略引入课堂，对STEM教育应用模式进行了校本理解和发展，对传统课堂进行改造，结合学校校本课程，开展了非常有意思的尝试和探索，并取得了阶段性的经验和案例。本文从师生活动中的角色定位出发，描述小学STEM教育应用的开发过程，试图找到一条学校开展创客教育的适切之路。

一、从验证到创造，STEM教育的校本理解与发展

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四个英文首字母的缩写，简言之，STEM教育就是科学、技术、工程、数学的教育，其终极目标是提升学习者的STEM素养。在初期的开发应用过程中，立足于本校的实际情况，在引入STEM教育理念到项目式科技课程中时，将其视为一种教学策略，通过灵活应用探究性学习、基于项目的学习和基于设计的学习等学习方式，来培养学习者综合利用STEM知识解决现实问题的能力。

我们从学习方式和学习目标出发来理解STEM教育如何更好地帮助项目组教师解决现实问题。以虚拟实验室中的“设计营养菜谱”实验为例，教师结合该项目课程资源给定框架，由学习者在此基础之上，自主地设计实验，学习知识和运用知识，去探究或发现一个结果，这便是STEM教育在项目课程中的一次非典型应用。（下图为STEM教育策略应用于虚拟实验的思维导图）

二、从理论到实践，STEM教育应用过程描述

设计营养食谱虚拟实验，建立一个不同人每日补充不同营养的预测模型。用户可以用这个模型进行不同的试验，以预测不同的人在接受不同营养物质后对身体可能产生的影响。

学生可以对软件中提供的选择做出决策，然后软件会立刻出现这个决策对人體健康所产生的后果。如果学生对这个后果不满意，可以依据科学知识对上一次决策作些修正，直至达到自己满意的结果。这个过程将给学生留下深刻的印象，从而了解符合自身身体条件、健康状况的合理饮食结构，引导学生建立良好的生活习惯。

1.发现问题：让活动从枯燥走向具体

在活动中，学生们发现虚拟实验平台中提供的均为枯燥的数据，实验参与者很难准确地通过食物选择来制定一份营养数据达标的菜谱，需要学生前期做一些知识的储备和方法的选择。根据学生发现的需要探究的问题，教师做了支架性的导学，设计出导学案，引导学生完成营养学知识体系的建构。

活动中，让学生试着去解决实验中的问题：回忆昨天一天，你吃了什么？这样的饮食，你觉得营养安全吗？青少年一天的营养需要多少能量？一只馒头、一碗饭能提供多少能量？你会计算吗？这些问题对于小学四年级的学生来说有一定的难度，但又是在利用虚拟实验平台之前必须解决的问题。于是师生一起又将问题进行了进一步的化解和归类，这样的解决问题能力也是STEM素养的重要组成部分。

问题化解为：请你说一说，不良的饮食习惯有哪些？良好的饮食习惯有哪些？不健康的食品有哪些？对照“平衡膳食宝塔”，你一天的饮食结构合理吗？通过搜索引擎查询一下，青少年一天的营养需要多少能量？你能利用Excel检索一个100克馒头的能量吗？

小组交流时，问题再次化解为：看图说话，这样的饮食习惯不健康。现身说法，校医列出垃圾食品清单。小组战报，我的一餐能量要爆表。

2.设计学习：让活动从具体走向科学

设计营养菜谱活动的目的不只是要设计一份菜单，而是享受探索的过程，带给学生探究的理念和科学的方法，期待他们能够有意识地借助于科学的工具或方法去记录数据，发现规律，找到解决问题的有效途径。为此，师生们又将“数据的收集和分析”活动设计成三个任务：任务一是用刚刚学过的“单式条形统计图”知识，画画人体一日三餐的能量供给情况；任务二是与家人一起学会使用营养大师APP，准确测算家庭一日三餐的能量供给情况，填写好表格。任务三是使用虚拟实验平台，不断修正数据，设计一份合适的一周菜单。

教师引导学生为了达成目标有意识地设计一套方法，围绕自己的知识经验，借助于自己的社会资源，了解和运用新技术尝试着去解决遇到的问题。虽然这一过程在本项目实验过程中开展得并不顺利，但我们欣喜地发现，学生的积极主动性或萌发的主动参与意识有了很大的提高。

完成任务二的小组，在学生寻求家长帮助手机下载“营养大师APP”进行测算时，遇到不少困难，如家长不配合，APP不会使用，测量数据不准确等。但我们还是看到了积极有利的一面，活动的本身也从另一个侧面培养了孩子在接受任务时，需要明确当前所面临的知识、技术等方面的挑战，如何发动团队合作的作用，如何选择和理解不同参与者的不同观点，积极寻找解决问题的方法等，这也是项目课程引入STEM教育策略时，所期待培养的学生的素养之一。

3.分享反思：让活动从科学走向艺术

创客教育中一个核心的判断依据就是有创新的物体产生，即有创新的造物！学校引入STEM教育策略的探索过程中，教师也将有准备地将“物”（作品）的产生列为项目活动的重要目标之一。一份健康安全的营养菜谱即是本次虚拟实验项目的成果之一，因而在课初就鲜明地要求实验小组通过绘制海报、制作PPT等形式来汇报分享本组的学习成果，引导学生选择使用适宜自己的数字化工具来艺术化地呈现出自己的研究过程或研究结果。我们为其请来了美术、信息技术、音乐等各学科老师和家长的资源融合，有意图地帮助学生不断去设计、制作、调试、改进和修饰作品，最终完成自己的分享成果作品，再以自己认为最适当的分享方法去介绍和推广自己的菜谱。

例如，小组在选择使用“WPS文字”或“WPS演示”软件制作菜谱时，产生了分歧。小组成员有的选择“WPS文字”，这部分技术是上学期学的，操作更为熟练，便于集中力量制作菜谱的设计本身。小组成员有的提议选择“WPS演示”软件制作，这部分内容正好正在学，学以致用，便于更好地掌握“WPS演示”新知。还有的成员提议，干脆找家长帮忙电子制作，我们主要关注菜谱的设计就行了，让专业的人做专业的事。从这段活动的过程中，可以清楚地感觉到孩子在引入SETM教育策略后所产生的变化，这也许就是“素养”的养成。

三、从实践到反思，STEM教育策略的启示

创新，顾名思义即创造新事物，STEM教育引入学校项目式学习活动中，其宗旨就是为了满足学生创新能力的培养需求，通过学习技术与工程，培养学生学习创造新事物的过程和方法；通过学习科学与数学项目，以此内容为载体，使创客教育更加显性和具象。STEM教育在小学虚拟实验项目中的应用，经过半年多的理论学习和具体实践，具有以下几点启示。

第一，在STEM教育策略实施的内容选择上，要选用一些跨学科的、综合性的，与学生的学习、生活息息相关的问题情境，例如虚拟实验室的家蚕养殖，比特实验室的会讲话的闹钟，数字量测坊的学校教学楼的高度等。学生在研究这些现实问题的过程中，一方面学习、理解技术的性质，熟悉常见的技术和工程，从而提升技术与工程素养；另一方面，综合运用科学、数学、语文、艺术等方面的知识来解决实际问题，学科整合，提升学科素养和STEM素养。

第二，在学习方式上，提供学生自主探究“做中学”的环境和土壤，引入设计性学习，支架性教学，借助于同学、家长、社区人员、专家的项目资源，帮助学生跳一跳就能到达问题的彼岸。

第三，非正式教育环境也有利于学生STEM教育素养的养成，例如科技场馆、自然历史博物馆、社区、家庭日常环境等。特别是在学校建成科技馆、项目式科技楼、生物生态园后，学生在这些场馆中处处可见技术和工程，沉浸于其中有利于学生理解和权衡个人与技术、社会、环境之间的相互关系，更有机会开放地、缄默地、自我主导地去开展学习，提升学习效果。