例谈基于核心素养的小学低年级 STEM课程设计研究

肖化 谭伟红 区楚瑜

[摘   要]STEM教育提倡跨学科整合的学习方式，为培养学生核心素养提供了可行的方法与路径。但目前基于核心素养的小学低年级STEM课程研究较少。研究者依据STEM教育特征和我国学生核心素养框架设计了本土化小学低年级STEM课程。该课程能够激发学生的探究热情，引导学生在工程实践探索活动中掌握丰富的科学文化知识，从而培养科学精神和自主学习能力，提升创新意识和实践能力，增强社会责任感，最终形成学生的核心素养。

[关键词]小学低年级;核心素养;STEM教育;课程设计;跨学科

随着全球化网络信息科技为代表的“后现代社会”的到来，人们需要适应复杂多变的外部环境，因此社会对人才提出了新需求，这是对以往知识、技能等相关概念的内涵扩展和升级后的新概念——能力（competence）[1]。为了应对21世纪的人才需求，国际经合组织（以下简称OECD）、欧盟、美国等发达国家或组织相继研究了新时代综合型人才所需的关键能力，并推出了适合自身经济、社会和教育发展要求的核心素养体系[2]。我国教育部在2016年也提出了中国学生发展核心素养的指标体系。其中，STEM教育是各国用以培养综合型人才的重要教育战略手段。STEM教育基于学科融合，以跨学科教学的方式促进学生的问题解决，从而培养其交流、合作、批判性思维和创新实践等能力。STEM的教育理念与OECD所提出的21世纪技能中4个核心技能（即交流、合作、批判性思维、创新）是相一致的。然而，目前我国的STEM教育还处于以中小学课外辅助课程形式为主、以动手操作为重点的阶段，尚未在日常教学中较好地实践STEM教育的融合理念，特别是在低年级仍不能践行以STEM课程形式呈现融合的教学，这是非常可惜的。因此，本研究基于核心素养设计了符合我国小学低年级教学特征的STEM融合课程，旨在为我国STEM教育体系的顶层设计提供参考案例和实践依据。

一、概念界定

1. 核心素养

“核心素养”一词最早出现在2003年OECD发布的《核心素养促进成功生活和健全社会》（Key Competencies for a Successful Life and a Well-Functioning Society）研究报告中，报告认为“competencies”具有比知识和技能更丰富的涵义，是人在特定情境中解决复杂问题以满足复杂需求的能力。欧盟理事会在其研究报告《知识经济时代的核心素养》中也阐述了“key competencies”的定义，认为“核心素养是一系列知识、技能和态度的集合，具有可迁移的、多功能的特征。核心素养是每个人发展自我、胜任工作及融入社会所必需的关键能力”[3]。 2016年，我国发布的《中国学生发展核心素养》总体框架以培养“全面发展的人”为核心，将学生的核心素养分为文化基础、自主发展、社会参与三个方面，综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新六大素养（见图1）[4]。

2. STEM教育

STEM是指科学（S）、技术（T）、工程（E）和數学（M）多门学科交叉融合的整合性教育。STEM教育于20世纪八十年代在美国兴起，随着社会经济对STEM人才需求的不断发展，STEM专业人才成为了各国抢占第四次工业革命先机，促进制造业智能升级的关键[5]。各国在国家战略层面积极推广STEM教育。2017年，英国颁布的《建立我们的工业战略绿皮书》指出现代工业战略中技术教育是核心，并投资1.7亿英镑建立技术研究所，为STEM科目提供更高水平的技术教育[6]。2018年，美国发布“北极星计划”，提出“STEM不仅要培养批判性思维，还要促进毅力、适应能力、合作能力、组织能力和责任感等行为能力的发展”[7]。我国STEM教育起步较晚，教育部于2016年在《教育信息化“十三五”规划》中明确指出，有条件的地区要积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用[8]。自此，STEM教育在我国也进入了蓬勃发展的阶段。

3.基于核心素养的STEM教育特征

STEM教育能较好地夯实学生的文化基础，培养学生的科学精神。其所倡导的跨学科融合教育把科学知识、科学方法、技术应用和工程思维较好地结合起来，是使核心素养落地生根的有效教学方式。STEM教育帮助学生认识问题、分析理解、判断现状并解决问题，从而培养他们的理性思维、批判思维和质疑能力。“做中学”是STEM教育的一个核心特点，通过STEM教育可以培养学生的科学精神，提升其创新意识和实践能力。

STEM教育注重学生的自主发展，强调培养良好的学习习惯。STEM教育以学生动手实验为主要学习形式，让学生学会学习、自主学习、勤于反思。在STEM教育中，学生通过实践探索获得相关知识后，将自主运用科学和数学的思维、工程的思想、技术的方法与技能来解决实际问题。STEM教育让学生能自觉、有效地获取、评估和使用信息，培养数字化生存能力，主动适应社会信息化发展的趋势。

STEM教育能较好地帮助学生融入社会参与，以现实问题为基础实现社会应用，同时注重培养学生与他人交流和沟通的能力，发展合作能力。在STEM教育中，学生积极参与交流与讨论，学会尊重他人的情感和态度。STEM教育强调基于生活中的真实情境，通过了解科学、技术工程与社会和环境的关系，增强社会责任感，热爱并尊重自然。

二、小学低年级STEM课程的设计思路

课程是学校教学的主要模式。设计小学低年级STEM课程有利于提高学生对STEM相关科目的兴趣，帮助他们奠定良好的科学知识基础，为日后在各学科的学习中融入整合思维，提高综合运用知识的技能做准备。因此，小学STEM课程的总目标是传授学生基础的STEM知识，激发学生对科学技术的兴趣和探究热情，发展学生的工程思维和技术应用能力，从而培养学生的STEM素养，提高学生的STEM能力，为培养未来STEM人才做基础准备。

1. 小学低年级STEM课程目标设计

基于STEM教学知识是多门学科融合的特点，在设计具体STEM课程目标时，可以中国内地《义务教育小学科学课程标准（2017）》、美国《新一代科学教育标准（2013）》（Next Generation Science Standards： For States， By States）和中国香港《科学教育学习领域课程指引（小一至中六）（2017）》为知识目标的主要设计依据。结合布鲁姆的教学目标分类理论，将STEM课程目标分类为知识目标、探究目标、态度目标、社会与科学、工程、技术目标。

知识目标由科学（S）、技术（T）、工程（E）、数学（M）、数字和计算（D&C）五方面组成（见表1）。科学目标描述学生需要掌握的基本科学知识。技术目标描述学生需要掌握的与科学探究和工程设计相关的技术技能。工程目标则描述学生的工程思维和需掌握的工程设计流程步骤。数学目标描述学生要掌握的基本数学知识和数学思维。数字和计算目标是指学生需培养的计算机思维和流程操作思想。

探究目标描述学生对科学探究方法的掌握。STEM课程要求学生能根据事物提出问题和质疑，并就提出的问题进行方案设计，初步运用理性的方法处理较简单的实际问题;初步了解比较、分类、归纳、推理、类比等科学思维方法;培养观察、假设、验证、推论的科学实验能力。

态度目标包括学生对STEM课程、STEM学习、科学等方面的态度描述。STEM课程应保护低年级学生的好奇心和探究热情，激发学生的求知欲，培养其创新精神;使学生形成积极参与交流和讨论，与他人合作学习的学习态度;奠基学生尊重事实、科学探究、乐于操作实践的科学态度。

社会与科学、工程、技术目标描述科学知识、工程、技术对人类社会和自然社会的影响。STEM课程应使学生了解所学科学知识在日常生活中的具体应用;了解工程技术对日常生活、人类社会发展、自然生态系统的影响;使学生具有尊重自然、爱护生物、保护环境的意识和社会责任感。

2. 小学低年级STEM课程环节设计

STEM教育是一种体验式、关联式和真实化的学习形式，一般以基于问题（problem-based）或基于项目（project-based）的学习形式为主[9]。两种方法都是向学生展示开放式、多解决方案的现实世界问题，不同点在于基于项目的学习活动一般持续较长时间，例如一个学期，而基于问题的学习活动往往持续时间较短[10]。卡普拉罗（Capraro）和斯劳（Slough）将基于项目的STEM学习定义为“在内容丰富的项目中，一个具有明确结果的不明确任务。它要求学生解决多个问题，并且在整体考虑问题的过程中掌握各种STEM学科概念”[11]。因此，本研究中的STEM课程基于解决现实问题为课程内容设计思路，采用基于项目的学习形式设计STEM课程环节，包括问题提出、科学探究、创意制作三大环节。

问题提出是指创设一个实际情境，提出学生要解决的实际问题或工程问题，帮助学生认识和理解问题存在的意义。该问题是学生需要完成的最终任务，也是教师教学的核心本质。

科学探究是指围绕所提出的问题，在教师指导下，采用科学实验、演示实验、图片和视频展示、现场观察等多元教学方式，使学生学习和了解相关的科学概念、方法和技能，为下一环节的动手操作铺垫基础知识、原理和操作技能。

创意制作是课程的重点，是实现学生综合运用科学知识，体现融合教学理念的重要环节，该环节需要学生基于以上环节所学的知识和技能，深刻理解问题本质，明确所需完成的任务，并提出和实践解决方案。学生需要通过讨论和思考，提出方案，设计草图;选择材料和工具，动手制作作品，检验和修改作品，最终完成作品，解决问题。

三、小学低年级STEM项目实例

“小火箭飞上天”

火箭作为STEM项目主题，具有庞大的知识体系，包含各科知识和多种工程技术，无论对于哪个年级都是具有深厚价值的教学主题。因此，本研究以“小火箭飞上天”作为小学低年级STEM课程设计的例子，展示课程设计思路。

1.“小火箭飞上天”项目的教学目标

航天事业一直是伟大而神秘的，也因此吸引着许多孩童的目光。小学低年级学生对于火箭的外观已有基本的生活认识，并对火箭为何能升空有着极大的好奇。实际火箭发射情况虽然相当复杂，但其发射原理与空气息息相关，因此可以从认识空气及其作用切入，引导学生学习火箭发射的原理，将本STEM项目教学目标设定为如表2所示。

2.“小火箭飞上天”项目的环节设计

在问题提出环节，以“火箭为什么能升空”作为真实情境问题。内容包括：通过讲述我国航天事业历史、火箭研发现状，展示相关的图片、视频和火箭模型，引起学生的好奇;讲解火箭外形和结构，及其对于升空的作用，让学生初步认识物体形状的重要性;通过简要解释火箭是利用气体的反作用力升空，引入对空气及其作用的认识，同时引出下一环节对空气的探究活动。

在科学探究环节，利用各种小游戏和有趣实验来让学生亲自探究空气到底是什么，以及探究空气为什么能推動物体。首先，通过游戏（见图2）让学生利用塑料袋抓空气，通过视觉和触觉认识空气。然后，利用空气炮（见图3）制作活动让学生认识空气的力量。让学生在拉动薄膜，造成空气流动吹动小彩球的过程中，真实地感受空气的力量。

在创意制作环节，让学生利用所学知识和技能，制作一架以空气为动力的“小火箭”。本环节要求学生通过设计模型、绘制草图、选择材料、制作模型、测试模型、修改优化、汇报反思等一系列工程设计流程，完成一架“小火箭”的制作。在完成“小火箭”制作后，在班级中开展“小火箭”飞天比赛，比一比谁的作品飞得更高更远，从而驱动学生更好地修改优化作品。

四、总结

基于核心素养的STEM课程设计既是响应国家对综合型人才的需求，也是促进STEM教育顶层设计的重要一环。因此，以培养核心素养为重心的STEM课程是促进我国STEM教育体系建立的重要基础。小学低年级STEM课程通过培养学生的科学精神、自主学习能力和创新實践能力，最终形成学生所需的核心素养，为塑造具有STEM素养的公民奠定坚实的基础。因此，在目前STEM教育仍以辅助课程为主要形式的阶段，应大力推进小学低年级STEM课程的设计，以充分利用融合教学理念提高学生的核心素养。

参考文献

[1]林崇德主编. 21世纪学生发展核心素养研究[M].北京：北京师范大学出版社，2016.

[2]王梦珂.促进核心素养发展的STEAM与创客整合课程开发与实践研究[D].武汉：华中师范大学，2020.

[3]褚宏启.核心素养的概念与本质[J].华东师范大学学报（教育科学版），2016（1）：1.

[4]核心素养研究课题组.中国学生发展核心素养[J].中国教育学刊，2016（10）：1.

[5]王素.《2017年中国STEM教育白皮书》解读[J]. 现代教育，2017（7）：4-7.

[6]The U.K. government. （2017）. Building our Industrial Strategy： green paper[EB/OL].https：//www.gov.uk/government/consultations/building-our-industrial-strategy.

[7]The committee on STEM education. Charting A Course For Success： America's Strategy For STEM Education[EB/OL].[2019-01-10].https：//www. whitehouse.gov/wp-content/uploads/2018/12/STEM-Education-Strategic-Plan-2018.pdf.

[8]教育部.教育部关于印发《教育信息化“十三五规划”》的通知[EB/OL]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201606/t20160622_269367. html.

[9]English， D Lyn. Advancing Elementary and Middle School STEM Education[J].International Journal of Science and Mathematics Education， 2017， 15（S1）：5-24.

[10]Lowrie， T， Downes N， Leonard， S. STEM education for all young Australians： A Bright Spots Learning Hub Foundation Paper， for SVA， in partnership with Samsung. University of Canberra STEM Education Research Centre[EB/OL]. https：//www.socialventures.com.au/assets/STEM-education-for-all-young-Australians-Smaller.pdf.

[11]Capraro R M， Slough S W. Why PBL？ Why STEM？ Why now？ an Introduction to STEM Project-Based Learning[M]. STEM Project-Based Learning. Sense Publishers，2013.

（责任编辑  郭向和）

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