在校外环境教育教学中运用STEM教育模式的案例初探

吴彦君

摘 要：青少年校外STEM教育活动是由校外教育机构和各种社会教育团队，面向中小学生，在校内课程之外开展的以科学、技术、工程和数学为主要内容的各种教育活动，其目的是培养青少年的创新意识和实践能力。本文将该教育模式运用到我国中学生的环境教育教学过程中，并以自编教材《我的环保小屋——关于不同塑料材质对于房屋内散热与隔热性能的比较探究》为案例进行剖析，简要探讨了STEM教育模式对校外环境教育教学的启示，提出了合理建议。

关键词：STEM教育;环境教育;校外教育

0 背景

STEM是Science （科学）、Technology（技术）、Engineering （工程）、Mathematics（数学）的简称，旨在将原本分散的科学、技术、工程、数学4门课程集合成一个新的整体。这一集合，不是简单地加和整理四要素，而是把学生学习到的零碎知识与机械工程相结合，让学生体会知识间的相互关系，它强调在“杂乱无章”的学习情境中提升学生的设计能力、合作能力、问题解决能力和实践创新能力。[1]将STEM教育整合到校外环境教育教学中是未来的发展方向。将科学、技术、工程与数学有机地整合到环境教育中，是在校外环境教育教学中体现STEM教育理念的关键。[2]

1 校外STEM教育教学活动的理念

STEM教育将原本分散的4门学科（科学、技术、工程、数学）集合成一个整体，这4门学科分别代表科学素养、技术素养、工程素养与数学素养，STEM教育理念的核心就在于培养学生的4大素养。

在校外STEM教学课程中，教师应为学生提供一个教学情境，然后由学生自主地展开讨论与探究，从而在实践中提高他们在特定情境中设计与解决问题的能力，最后让学生与同伴交流各自的成果与心得，提升青少年的创新意识与实践能力，并最终将成果运用于实际生活，真正做到学以致用。

2 STEM教育模式运用于校外环境教育教学中的案例剖析

一节好的STEM课堂，不仅要有足够的新意和吸引力，还要体现以学生为中心的教育理念和科学、技术、工程、数学的相互碰撞。[3]在STEM教育理念的影响下，课堂更加体现出学生的主体地位。在某一特定的教学情境下，教师提出问题，学生通过自主探究的学习方式，结合STEM教育包含的4方面综合知识，进行主动研究，通过小组合作自行设计问题并尝试解决问题，最终获得相应的环保知识，[4]进而获得相应的STEM素养。

在校外环境教育教学中，教学设计是很重要的一个环节。STEM教育要求教学设计具有综合性、开发和动态性、回归性、实践性、多样性。[5]依据这一原则，现以自编教材《我的环保小屋——关于不同塑料材质对于房屋内散热与隔热性能的比较探究》为例，将教学过程分为以下6个过程：

2.1 STEM教育需要解决实际问题

教师以社会生活情景引入，向学生提供有关塑料在生活当中的运用以及塑料的白色污染问题，以此作为激发本课堂的学习主题，另外引入当今社会较为前沿的低碳环保建筑结构，引发学生的思考：“假设能够变废为宝，将塑料垃圾转变为低碳环保的隔热建筑材料岂不是一举两得？”并请学生根据教师所提供的不同塑料材质及模拟建筑对象进行实验设计，说明不同塑料种类对于房屋内部隔热与散热性能的影响情况。

2.2 STEM教育需要教师呈现问题

在本课题中，主要探究有关塑料隔热性能的3个问题：一是房屋内哪个方位散发的热量最多，哪里是房屋隔热保温的重点部位;二是哪种塑料材料对于房屋顶部隔热保温效果比较好;三是不同隔热材料具有不同的保温性能，这主要取决于隔热材料的什么性质。基于STEM教育模式的问题提出略有不同，在建立起教学情境后，教师应引导学生进行思考并设计相关实验，根据实验所得数据进行简单归纳统计，最终解决问题。

2.3 STEM教育需要基于问题探究

基于已有的有关塑料的物理及化学知识（其中包括热传递的种类，塑料内部结构等），大部分学生可以设计出简单的对照实验，并得出初步结论。在正式开始实验操作与探究前，教师发现有些学生忽略了科学研究是一个严谨的过程，在设计实验时只考虑了变量因素，但是对于不同塑料材质的厚度、塑料材质在模拟房屋结构的安放位置没有达成一致，大大降低了实验的准确性。在遇到这些问题时，教师不能急于指导，因为STEM教育的优势就在于让学生自己想办法寻求帮助，最终通过自己的努力解决实际遇到的问题。[6]

2.4 STEM教育需要对数据进行收集和统计，并得出结论

在本课题中，学生需要每隔3分钟对鞋盒周围（前、后、左、右、上）5个方位的盒内温度进行温升记录，记录次数为3次，根据不同方位30分钟内的温升记录求平均值，得到相应的平均温升，根据平均温升数据，最后得到“房屋”不同方位在不同情况下的温升数据。数据是科学实验必要的组成部分，学生们通过组间的横向数据比较，可以非常清晰地分析与判断出哪种塑料材质的隔热与散热性能最好，这也是最直观地反映科学结论的方法。

2.5 STEM教育需要学生共享数据，完成设计

以小组为单位，向全班展示自己小组修改前后的环保小屋设计方案，并总结第一次设计的不合理之处与修改之后的优点。与其他小组进行讨论，全班分享、交流成果，并总结这堂课学习到的有关塑料隔热性能的学科知识。

2.6 STEM教育需要基于社会问题进行扩增

在本课题的结尾，教师留下思考问题：“塑料除了会影响室内温度外，会不会对屋内的其他因素产生影响呢（比如湿度，二氧化碳濃度等）？设计一个实验用来验证自己的观点（实验进行前必须得到教师的同意）;节能环保教室的设计与实际运用。”课堂教学的最终目的是要学生学以致用，运用于社会、生产与生活，该课题的开展来源于生活，最终通过实验论证，得出最佳方案并运用生活中节能环保建筑的设计与建造。

该教学设计体现出了STEM教育的基本要求。首先，STEM是基于问题的教育，以学生为主体，让他们自己通过观察设计，动手解决实际问题;其次，如何探究不同塑料对于屋内隔热与散热性能的影响是将物理、化学问题与数学和工程学联系起来;最后，延伸学习要求学生将课堂上的实验数据和科学结论运用于生活中，设计出一个现实生活中低碳环保的生态小屋。学生发现、思考并解决问题的过程可以使其更好地感知科学、技术、工程和数学4大领域之间的密切联系，从而帮助他们更加全面地掌握和运用知识，引导学生积极、广泛、有远见地追寻有意义的学习体验。

3 在校外环境教育教学中运用STEM教育模式的启示

将STEM教育理念运用到校外环境教育教学中是我国校外教育发展的必然结果，为了更好地在校外环境教育教学中体现STEM教育理念，提高学生的STEM素养，可将重点放在如下工作中：

第一，增強融合意识，改变单一学科的现状，注重生物学、化学、物理、工程、数学等其他学科的有机结合。[7]第二，以现有的课程为载体，开发整合与其他学科内容相关的设计任务，注重发掘不同类型的设计元素，并根据任务特性选择合适的途径。[8]第三，大力发展STEM教育，加强STEM教师的培养。第四，加大对于STEM教育的投入，针对今后的STEM教育，各学校应根据自己的实际情况设计不同的教学方案，并完成探究与实践。第五，有效利用社会资源，加强与科普教育基地及各大院校的联系，上海目前拥有科普场馆260多所，大学20多所，这些资源涵盖的领域广，专业性强，如果学校和校外机构能够建立深入、长效的合作机制，联合开发STEM综合课程必将有助于提高中学生的综合素养。

参考文献：

[1] 钟柏昌，张丽芳.美国STEM教育变革中“变革方程”的作用及启示[J].理论与争鸣，2014（4）：18-24.

[2] 程亮，郑晓慧.美国中学生物学课程中的STEM教育理念及启示[J].生物学教学，2015，40（6）：23-24.

[3] 肖媛.科学课程中设计STEM活动的有效方法：从工程和技术的角度审视科学探究活动[J].中国科技教育，2014（9）：16-19.

[4] 任伟，李元蓉，等.基于STEM教育下的中学化学教学模式初探[J].化学教与学，2015（7）：10-12.

[5] 黄晓，李扬.论STEM教育的特点[J].江苏教育研究，2014（5）：5-7.

[6] 叶兆宁，杨元魁.集成式STEM教育：破解综合能力培养难题[J].人民教育，2015（17）：62-66.

[7] 朱丽娜，叶兆宁.促进课内外融合的STEM教育实践与反思：STEM教育如何从理念走向实践[J].湖北教育：科学课，2016（1）：94-96.

[8] 唐小为，王唯真.整合STEM发展我国基础科学教育的有效路径分析[J].教育研究，2014（9）：61-68.