基于STEM核心素养的综合实践活动指导案例研究

摘 要：随着国家新课程改革的进一步推进，很多教育研究者试图通过挖掘数学、科学、技术、工程的内涵来提升学生的STEM核心素养。由于目前国内的STEM教育引入国外理论研究的方向较多，而实践研究相对较少，可参考的案例学科代表性较强，因此在本次研究中，以学生综合实践活动为载体，通过行動研究法和访谈研究法，结合案例中教师如何指导学生开展探究活动进行分析，从四个维度就如何培养学生STEM核心素养进行了阐述，并提出了培养学生STEM核心素养的评价方案。

关键词：STEM；核心素养；案例研究

我国自实施科教兴国战略以来，课程改革越来越注重学生的创新精神、实践能力、科学素养等综合能力培养的融合。更多的教育研究者开始挖掘数学、科学、技术、工程等学科领域的内涵，试图通过综合实践活动提升学生的STEM素养，提升学生解决实际问题的能力，实现学生的全面发展。近日，我校的一次水火箭创意发射大赛也激发了学生科学探究的兴趣，最远的水火箭达到了160多米的射程。为此，我们成立了学生课题组来探究跟水火箭射程可能相关的因素，希望通过科学设计和创新实践，并引导学生对研究过程中的技术困难加以解决，提升学生的STEM核心素养。

一、STEM核心素养的科学含义

那么，什么是STEM核心素养呢？STEM是科学、技术、工程和数学的简称，它既包含独立的科学、技术、数学、工程学科，又是四门学科的整合，注重学科间的联系。STEM核心素养旨在让学生在活动、项目和问题解决中应用STEM知识，并通过科学探究和工程设计过程，将抽象知识和实际生活联系起来以解决现实问题。

各个素养之间又有怎样的区别和联系呢？科学素养主要是通过学习者对科学知识和过程了解、参与影响自然界的有关决策来实现的，这有别于技术素养更强调学习者掌握运用技术的方法及具备分析新技术的能力；而工程素养虽然也需要运用技术，但又有别于技术素养，要求学习者利用科学和数学方法系统化、创造性地解决实际问题；可见数学素养对于学习者有效地运用数学知识和方法并通过表达、解决来处理工程问题是必不可少的。因此，STEM核心素养之间以学科为载体，相互联系、相互依赖，其中数学和科学素养是STEM教育的基础，技术和工程素养则提供科学研究思路和创新实践动力。

二、STEM核心素养培养的指导

1.科学素养指导

科学素养注重学生参与科学探究活动、选取恰当的研究方法，以及日常生活中科学知识的应用，是学生对自然、社会、思维等客观规律的分科知识体系的反映，重在体现科学结论的得出和科学过程的参与。

例如在此次探究活动中，我们先引导学生通过理论分析得出水火箭做斜抛运动过程中射程的科学表达式：

S=v1t

=v0·cosθ·

=

= ，

理论上发射仰角为45°时，飞行距离最大，而水火箭的实际飞行过程主要通过反冲原理来实现且受到空气阻力的影响，最佳发射仰角还会是45°吗？此时，我们可以鼓励学生大胆地提出猜想：“影响水火箭射程的主要因素会不会跟发射仰角和瓶内水量有重大关系呢？又呈怎样的关系呢？”因此，这就要指导学生在已有的学科知识上通过科学方法设计如下对照实验研究以得出结论。

实验1的设计在控制瓶内水量占1300 mL容积瓶的1/3（约433mL）和6个大气压强及使用22 cm发射轨道下，测量出不同发射仰角时的平均射程（如表1）；同理实验2的设计在控制45度的发射仰角和6个大气压强及使用22 cm发射轨道情况下，测量出在占总水量1300 mL的不同比例时的平均射程。

表1 不同发射仰角与射程关系

2.技术素养指导

技术素养的培养关键在于学生通过利用、改造自然时创造和使用的方法、工具以及获得的经验，为学生应用科学知识提供机会，引导学生理论联系实际，寻找解决实际问题的方法。

例如在整个探究过程中，学生遇到了“三大技术难题”。首先，最大的困扰就是风对实验过程的干扰。每次在发射水火箭时，总是避免不了乱风来袭，顺风或是逆风都直接影响着实验结果，而为了尽量减小风对实验的影响，我们需要引导学生耐心等待，一次又一次地重复发射和测量。其次是对实验误差的处理。尽管学生每次发射前会重新检修水火箭的状态和减小风带来的影响，也尽可能地多次测量取平均值，但我们无法保证每次发射的水火箭的状态都是完全相同的。数据的读取和处理上也会存在各种各样的误差，在一定程度上给学生分析结果带来困扰，这时我们需要先引导学生尝试使用多种图线表达形式进行比较，最后决定用折线图而非拟合的光滑曲线来反映实验结果，希望更加科学和直观地体现变化的过程。

3.工程素养指导

工程素养重在培养人利用科学原理和技术手段创造人工物的过程，学生可以将所学的自然科学知识与生活中的实际问题紧密联系起来，并通过工程方面的知识形成合理的解决方案，并应用于创造实践的方法和过程。

例如在本次探究活动中学生发现，水火箭在飞行过程中的稳定性也在某种程度上影响着实验结论的准确性。由于受到空气阻力的影响比较大，根据著名科学家伯努利的原理：动能+重力势能+压力势能=常数，即等高流动时，流速大，压力就小，使得流线型的头部结构可以在很大程度上减小空气阻力带来的影响，而飞行得更平稳。那么，我们就需要指导学生通过创新思维的设计和创造力的实践，制作出符合预期试验效果的水火箭。在综合学生问卷调查统计结果和科学原理的基础上，学生决定先用电脑软件为水火箭设计一个流线型的整流罩和相对平整的箭体及尾翼，然后利用一周的时间从生活中寻找所需的材料，最后在老师的指导下完成整流罩、主箭体及尾翼的制作和安装。可以说全过程学生在老师的指导下，充分体验造物过程和实践工程设计能力。

4.数学素养指导

数学素养是学生对空间形式、数量关系进行研究的能力，是STEM教育中科学和技术的基础。

例如在活动中我们主要引导学生对实验1数据的分析，得出在实际环境中水火箭的射程跟发射仰角和瓶内水量的数量关系，在空气阻力影响下，同等其他变量，分别选择不同的发射仰角来找出发射仰角与水火箭发射距离的数量关系，得到在发射仰角45°到52°之间时可以达到最大的射程的科学结论（如图1.1）。同时，我们需要引导学生进一步思考：“为什么实际结果会跟理论值有偏差？空气阻力是如何影响发射仰角的？”最后老师应当为学生总结原因：当发射仰角太小时，水火箭向上的分力不大，使爬升高度不大，且由于水火箭的重量受地球引力的牵引，使其容易落下，造成射程缩短；而当角度太大时，其向上分力虽大，但向前分力太小，以至于射程太短，造成“射得高，但射不远”的情况；同理对实验2数据分析得出水火箭射程跟瓶内水量的数量关系，同等其他变量时，可得到当瓶内水量为1/4到1/3时水火箭可以达到最大射程的又一科学结论（如图1.2）。

三、STEM核心素养的学生评价

在新课改理念的发展趋势下，通过单一纸笔检测无法评价学生的实践能力和创新能力，已不适应新型人才的培养需求；而基于跨学科整合的STEM项目学习为学生评价提供了新思路和新理念，即采用多元化的评价标准、评价内容和评价方式。在STEM項目学习中，强调为学生提供真实情境和模糊的任务，在教师评价的基础上，强调学生进行自评和互评的重要性，并采用多种评价方式相结合的方法。例如我们以过程性评价与终结性评价相结合为基础，定性评价与定量评价相结合为指标，对学生进行全面多角度的评价，评价内容更注重学生的学习表现和情感能力的发展，以期培养学生的科学探究精神，更好地提升学生跨学科整合知识、运用方法的能力。为此，综合案例研究，我们抽样了80名学生进行了有关STEM核心素养的调查和访谈，并根据访谈内容和调查结果试图采用一种多维坐标评价图来呈现学生的STEM核心素养，如图2的六维坐标评价图就非常直观、科学地体现了学生的综合能力成长状态。

综上所述，在我国新课程改革的大背景下，国家对科技创新人才的培养提出了更高的目标，这就要求我们未来的学生具备一种将科学、技术、工程、数学中碎片知识系统化整合在一起的综合能力和素养。因此，教师应当更多地组织开展各类综合实践活动，设计研究出有效的指导方法和可行性评价方案，以提升学生的STEM核心素养，激发学生的内在学习动机，推动“新课程运动”的开展。

参考文献：

[1]梁园园.基于STEM教育理念的小学校本课程开发的行动研究[D].广西师范大学，2017.

[2]刘飘也.基于STEM的中学化学教学研究与应用[D].湖南师范大学，2017.

[3]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015（21）.

作者简介：陈贤彪（1984.05—），男，汉族，中共党员，浙江海宁人，浙江大学教育硕士，主要研究新课程开发和学校课程体系的建设。

编辑 郭小琴