从工程实践问题出发设计STEM课程

陈建平

STEM教育是科学教育的热点话题。本文通过展示分析《让橡皮泥浮起来》这一课的教学案例，研究依靠小学科学课程资源，从工程实践问题出发，设计STEM课程，为STEM教育在小学科学课程中的实施提供一些参考。

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、数学四门课程集合成一个新的整体。这一集合，不仅仅是课程的简单组合，而是要把学生学习到的零碎知识转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程。它更加强调学生在情境中提升设计能力、合作能力、问题解决能力和实践创新能力。

随着STEM教育在我国的盛行，科学课程的改革全面展开。2017年颁布的《义务教育小学科学课程标准》中，科学课程除原有的“物质科学领域”“生命科学领域”“地球与宇宙科学领域”三大领域外，增设了“技术与工程领域”，进一步强调了科学课程与并行开设的语文、数学等课程的相互渗透，更加强调了STEM教育的重要性。倡导跨学科学习，建议老师开展形式多样的STEM课程。小学科学课程融入STEM理念势在必行。从工程实践问题入手，开发并研究STEM课程，是落实STEM教育的重要路径。

《让橡皮泥浮起来》源自苏教版小学科学教材，是四年级第三单元“浮力”的延伸课，以融合STEM理念为出发点，在原有科学教材的基础上进行加工、设计，让学生经历“提出问题—活动体验—设计与制作—测试与优化—展示与交流—扩展与应用”等系列活动，完成工程技术知识的建构，激发学习灵感，培养创新能力，全面提高科学素养。该课在内容上兼具实践性、探究性和趣味性，对小学科学STEM课程资源开发和研究有实践意义。

《让橡皮泥浮起来》一课需要学生掌握的STEM目标如下：

S（科学）：感知物体的沉与浮，体验通过改变物体的形状改变它所受到的浮力。

T（技术）：学生不断改进橡皮泥模型的形状，让它浮在水面上并增大装载量。

E（工程）：设计方案并不断改进它。

M（数学）：学习用表格记录数据，分析数据。

一、实施过程

（一）提出问题——如何让橡皮泥浮起来

老师出示生活中常见物体（包含橡皮泥）：“你们看，老师今天带来了什么？假如把这些物品放到水中，你们预测一下，会出现什么样的现象呢？”让学生感知物体在水中的沉与浮。接着老师出示浮力概念，继续引导学生，物体的沉与浮与它受到的浮力有关，激发学生探究兴趣，并在此刻提出问题：“谁能让沉在水中的橡皮泥浮起来？”

通过刚才的环节，学生关于浮与沉以及浮力有了自己的想法，这时老师组织学生进行小组讨论，鼓励大家发表对解决这个问题的想法。一来可以促进小组互相交流，培养默契;二来能帮助老师了解学生关于浮力的前概念。

设计意图：课堂通过情境导入，吸引学生注意力，激发学生学习兴趣，同时引出本课主题“让橡皮泥浮起来”，为学生后面的学习进行铺垫。

（二） 活动体验——小组初步动手制作橡皮泥模型

通过上一个环节的小组交流、师生交流，学生对于问题“让橡皮泥浮起来”形成了很多想法，他们亟须验证自己的想法，这时放手让他们去制作。制作完成后，小组代表在表格图中按先后顺序，标记1、2、3……学生在制作时可能会遇到以下问题：一是橡皮泥的形状要如何设计;二是如何让橡皮泥在水面上保持平衡;三是橡皮泥本身的特点会给他们带来困难。这时，老师全班巡视，鼓励他们大胆尝试，不惧失败。

当第一次制作完成后，各小组情况不一，老师根据学生实际情况提问。对成功的小组提问：橡皮泥形状有什么特点？对失败的小组提问：遇到了哪些困难？橡皮泥有什么特点？如何放置橡皮泥模型？

设计意图：让学生回顾自己活动过程，反思自己遇到的问题，在师生交流中发展自己的思维，提高设计创新能力、问题解决能力，为下一次活动做铺垫。

（三）设计制作和测试——小组设计方案并制作承载量最大的橡皮泥模型

经过上一环节的活动，学生可以成功地让橡皮泥浮在水面上了，这时老师继续引导学生，接下来可以加大难度挑战。学生自然而然想到，可以比一比谁的橡皮泥模型承载更多的重物。老师接着引导：用什么样的重物测试？在这个过程中，学生掌握了测试载重量的方法。

接下来分两个任务：任务一。小组讨论，并画橡皮泥模型设计图，之后全班讨论，并预测承载量;任务二。学生根据设计方案，制作橡皮泥模型并测试。老师全班巡视，对制作细节进行评价，并给予及时帮助。任务完成后，小组代表在黑板上的表格中填入承载量。

设计意图：设计是工程技术的核心，也是现实设计制作产品的第一步，通过设计环节，让学生头脑中的想法具体化，促进他们思维的发展。动手制作是本节课的重点和难点，学生能在制作探索过程中提高解决实际问题的能力，体验和发现科学道理。学生在完成制作测试后，一定会体会到成功的快乐，进而提高学习科学的兴趣。

（四）展示、交流与优化

制作测试完成后，通过数据分析，老师引导学生思考，请成功的小组分享成功的经验，失败的小组总结教训，然后全班交流。在这个分析过程中，总结提高橡皮泥模型承载量的办法。老师进而提问：想不想再试一次？自然而然进入改进环节。依然先画设计图，再制作、测试，在表格中填入承载量。

设计意图：科学课堂不仅要有实验活动，更要有让学生思维发展的空间和时间，一方面在活动过程中，让学生体验和感悟，另外一方面需要老师引导，学生自己发现。所以活动之后的分析交流是很重要的，老师可以根据学生实际情况提出一些思考問题。例如，橡皮泥模型的底部是要大一些还是小一些？为什么？高度呢？在这个交流过程中，不同的观点进行碰撞，对于学生科学知识、科学思维的形成都大有好处。

（五）扩展与应用

当改进环节结束后，学生分析比较表格中的数据，看着自己模型承载量有了明显提高，非常兴奋。老师引导：还可以继续改进我们的橡皮泥模型吗？实际上，我们可以不断循环改进制作测试这个环节，提高橡皮泥模型的承载量。老师接着引导：做成这样的橡皮泥模型真不容易呀，回想一下，我们经历了哪些过程？

设计意图：引导学生将科学探究从课内延伸到课外，让学生得法于课内，得益于课外，逐步养成科学探究的习惯，科学素养大大提高。同时，让学生回顾项目活动过程，深入体会工程师的思维过程和工作过程。

二、思考与启示

（一）融合STEM理念的科学课程有助于提高学生解决问题的能力

在小学科学STEM课程中，学生从解决实际问题出发，经历头脑风暴，思考讨论，设计制作，测试改进，一步步解决活动过程中各个细小的问题，从而解决了大问题。再加上科学、技术、工程、数学各个元素的融合，让学生把学习到的零碎知識变成一个探究世界相互联系的不同过程，全方面提高学生解决问题的能力。

（二）学生科学概念的建立是自然而然的过程

如果沿用传统的教学方法，老师讲，学生听，涉及科学实验，也就是老师在课堂中讲解、演示，让学生完成。这样的教学方式，科学知识和概念是老师教授给学生的，而不是学生自己建立的。而STEM课堂，从解决实际问题出发，充分给予学生思考创造的空间，在引导的基础上，在活动过程中，学生自然而然地掌握了科学知识，建立了科学概念，提高了自身科学素养。

（三）STEM课程设计要给学生创新留有足够空间和时间

在STEM课程设计中，要留有足够的时间、空间让学生自己观察、思考、探索、发现。课堂节奏要慢下来，不能一味地去赶环节。STEM课程注重的不是学生的学习结果，而是在活动过程中学生思维的发展、能力的提高。学生的思维不能仅仅停留在作品上，而是要发现、要思考、要创新。

（四）STEM课程要培养学生小组交流合作的能力

科学课堂上分小组活动是常见的教学方法，目的是发挥每个学生的长处，与同伴共同协作完成任务，但是在实际操作过程中，容易出现只有一人参与活动的现象。老师需要明确安排细致的任务，加强指导，才能让小组活动参与率提高。但是，这样一来，学生选择的自由又受到了限制，学生探究空间就少了。老师在教学过程中，布置任务后，可以慢慢减少指导，有意识地培养学生小组合作交流的能力。同时，增加课堂趣味性，让每个学生都有兴趣参与，也可以增加一些鼓励性的语言，提高学生参加小组活动的积极性。

三、结语

小学科学教育中STEM课程的开展离不开课程资源的支持，可以从科学教材中工程实践问题出发，设计STEM课程。老师要学习STEM教学理念、STEM课程理念，在了解学生已有知识和经验的基础上，结合学生需要掌握的核心概念、能力，开发既有探究价值又可以操作的课程资源。这对于新时代科学课的建设、教师教学水平和科研能力的提高、学生科学素养的提高都有重要作用。