STEM教育理念校本课程开发与实施思考

欧阳小聪

本文根据作者学习STEM课程教学、开展科学课教学和开发STEM校本课程的经验，反思在开展STEM教学过程中所存在的缺陷，思考建构主义理论之下的STEM课程如何能让学生更准确、有效地掌握科学知识与技术，并转化为实践技能。作为实践结果，建议在课堂上借鉴科学课的探究式学习，扩充部分教学环节，用坚实的科学知识与技能充当学生发展能力的台阶。

一、反思：STEM教育存在的问题

STEM教育是让学生面对真实情境中的问题，将科学探究、工程设计、数学方法和技术制作有机统一，让学生运用跨学科的知识和方法来解决实际问题，从而应用跨学科的知识和方法，提升自身的创新意识和创新能力，以跨学科整合课程促进学生全面发展的一种教育方式。STEM教育主要遵循建构主义学习理论，强调学习者的主动性，认为学习是学习者基于原有的知识经验生成意义、建构理解的过程，而这一过程常常是在社会文化互动中完成的。构建主义学习理论体现了学生在学习过程中的主体地位，学生主动进行学习，是一种先进的学习理论。

但是一些教學实践经验表明，即使在STEM课程的实施过程中遵循了建构主义学习理论，也未必能够达到理想的教学目标。譬如下文案例一。

案例一：制作走马灯

（前略）

师：知道走马灯为什么可以自己转起来吗？

生：因为里面点了蜡烛（或：因为里面有风吹出来）。

师：没错，走马灯里面点燃了蜡烛，能吹出热风，推着走马灯转起来。但是只有蜡烛还不够，请大家再注意观察，走马灯的顶部还有一个结构能起到重要的作用。（同时出示成型的走马灯。）

学生观察后找到走马灯顶部切开的小孔，并且将纸切开后向上折叠做成倾斜的风扇叶状。

师：正是这两个诀窍造就了走马灯自动旋转的特殊本领。下面请大家分组活动，完成走马灯的最后一步，让走马灯转起来。

（制作过程略，12个小组中只有2个小组的走马灯可以旋转。）

师：老师请2个小组为大家展示走马灯，但是其中只有一个小组的灯可以旋转，另外一个小组的灯没能转起来。你们认为是什么原因呢？

学生提出或许是蜡烛的火力不够，或许是顶部的扇叶展开的角度不对，等。

（其后老师布置了课后改良，未见第二次测试的效果，本案例完。）

上述片段是笔者到X市学习时观摩的一节课。该堂课的选题源自中华传统文化中的走马灯，课堂的设计意图是在学生群体中传播走马灯的制作技艺，让学生了解走马灯运动背后的力学原理。在教学设计上兼容了传统文化的传承和科学技术的普及，是本堂课显著的亮点。在教学过程中，执教老师的确遵循了建构主义学习理论的教学原则，有完整的问题情境的呈现。老师主要承担引导者的角色，问题与假设的提出、动手实践、总结与反思等活动都是由学生在老师的适当引导下进行的，体现了学生主动式学习。但是从教学效果看来，只有六分之一学生能够成功使走马灯转起来，很难说达到了教学目标。

为了解释为何本案例中未能如愿实现教学目标，笔者尝试分析了建构主义理论的哲学假设。建构主义主张世界是客观存在的，但是对事物的理解却是由每个人自己决定的，不同的人由于原有经验不同，对同一事物会有不同理解。在建构主义者看来，所谓的“事实”是多元的，因历史、地域、情境、个人经验等因素的不同而有所不同。因此，用这种方式建构起来的“事实”不存在“真实”与否，而只存在“合适”与否。

这一哲学假设揭示了只有以学习者原本具有充足的前概念作为铺垫，才能够按照建构主义理论去建构新的经验，才能够开展有意义的学习。否则，如果学习者的前概念不够充分，甚至一片空白，那么在学习过程中也不可能无中生有。事实上，从建构主义理论中获益最大的应该是大学生与科研人员，他们都接受了高等教育，具备充足的知识储备与认知世界的方式和手段（哲学上属于认识论与方法论），头脑中已经建构起足够庞大而且灵活的图式，该图式能够很容易地与外部环境进行同化与顺应。但是这一前提对于小学生而言未必成立，尤其是当这名学生未经过系统的科学启蒙的时候更是如此。

基于上述分析可以推论：目前实施STEM教育时的一个关键缺陷在于STEM课程中没有注重前置的科学概念和科学思维的搭建。STEM教育在课程形式上注重产生物化的创造成果，在本质上追求创造性思维的产生、创造力的提高，并在评价与反思中形成批判性思维。然而评价与创造位居思维金字塔当中的最高阶级，形成高阶思维不可能是建造空中楼阁，必须有足够牢固的根基作为支撑。然而目前存在部分老师对STEM课程的认识深度不够，导致教学过程中忽略了对科学基本概念的构筑与科学技术思维的锻炼，试图在基础尚不稳固时直接升华创造力。

笔者认为，在开发和实行STEM课程时应该进行科学教学，充分考虑到项目或工程的中心地位与学科的综合性，从不同学科（特别是科学）中选取能够对正确地理解问题、形成方案、解决问题、完成任务有所帮助的概念与技能进行合理的编排设计，在STEM课程中，结合科学课探究式学习的优点，融入“提出猜想—实验验证—收集证据—归纳结论”的科学探究过程，要求学生先经历必要的科学探究，确保学生获取充足的前概念，用坚实的科学知识基础来搭建学生发展STEM素养和综合素质的脚手架。通过这个途径，能避免STEM课程的技术要求与学生科学认知水平的脱节，造成STEM目标无法实现，避免STEM教学变成缺乏真实性、内涵性和系统性的纸上谈兵。

即便是按照建构主义的观点，学生可以在原有经验的基础上主动构建新的经验，也不代表可以放任学生如同脱缰的野马般漫无目的地行动。尤其科学与技术领域是具有严格的范式与规范的，因此在学习过程中有必要搭建一个既定的框架并限定学生在允许的路线中探索。换言之，一门有效的STEM课程允许学生向多个方向发展，这相比于传统授课中强制学生走老师指定的一条路线，更能体现出建构主义学习理论的先进性，但也要避免掉入完全不设限制、完全放任自流这种非黑即白的极端取向的陷阱。

二、融合：科学课与STEM课程相互借鉴的可行性

在小学阶段，科学课是学生系统学习科学知识的主要途径。2017版《小学科学课程标准》提出，学生通过科学课的学习需要发展的科学素养包括：了解必要的科学技术知识及其对社会与个人的影响，知道基本的科学方法，认识科学本质，树立科学思想，崇尚科学精神，并具备一定的运用它们处理实际问题、参与公共事务的能力。科学课的课程目标体现为“科学知识目标”“科学探究目标”“科学态度目标”和“科学、技术、社会与环境目标”四个板块。这四方面目标都指向科学学科核心素养。它是指学生在接受科学教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过科学学习内化的带有科学学科特性的品质，是科学学科育人价值的集中体现。科学学科核心素养包括科学观念与应用、科学思维与创新、科学探究与交流、科学态度与责任。科学课的教学应该重在深化强化学科的本质，揭示学科更深层次、更内隐的某些东西，把表象的科学知识与其内隐关联起来，形成一个新的思维结构，帮助学生去认识更为復杂的自然现象或实验现象。

STEM教学强调学科整合，但不是简单地将四门学科进行线性叠加，而是把原本独立、分散的不同领域的学科知识和技能以问题解决为基础，以多样的学习活动形式支持学生在解决问题的过程中实现不同学科知识与方法在不同情境中的整合、运用和迁移，并进一步生成新思路、新方法、新技术和新产品。王素认为：以项目式学习为代表的STEM教育，强调在真实的任务中学习，强调在动手实践中学习，这样的学习过程是培养学生团队合作、解决问题、理性思维、批判质疑、用于探究、技术运用的最好载体。换言之，STEM教育注重的是知识与技能的综合运用，重点在于培养创新思维和创新能力，是偏向于技术提高的教学。开展STEM教学应该建立在学生已经具备相应知识体系的基础上，或者至少应该在教学过程中能协助学生构建完整的知识体系，再提高到技术运用的层次水平。

可以看出，科学课与STEM教学各有异同，科学课专注于认识科学，STEM教学则专注于提高技术。然而如同科学与技术之间可以相互关联、相互作用一样，借鉴科学课和STEM教学的优点，是可以攻克教学过程中的一些难题的。

三、实践：STEM教学案例中的不足及改进

此处先就上文提出的案例一进行分析。想要驱动走马灯旋转需要先了解走马灯转动的科学原理：传统的走马灯，在灯的内部放置点燃的蜡烛，主要依靠火焰加热灯内的空气，空气受热膨胀，密度降低，形成上升气流，气流推动灯上方的叶轮旋转。依笔者的经验，若想顺利驱动走马灯，应该掌握以下技术要点：

蜡烛应该有足够的火力，使加热产生的风力能够推动叶轮转动，又要控制火焰不能太猛，以免损坏走马灯;走马灯底部需要预留足够的空间来吸入空气，形成气流的循环;走马灯顶上的扇叶有一个最佳角度，使气流喷出时能产生最大的加速度;结构件的连接处尽可能光滑，以降低摩擦力。

依据上述的技术要点，要实现本课程的教学目标，需要突破较多教学重难点，适宜划分为两课时，分段突破。其中第一课时可以参考科学课中“风的形成”模拟实验（见图1），实验装置可以用纸箱简单制作，侧面和上底面开通风孔，正面剪开，方便观察，但要用透明塑料薄膜封住，以防止外界干扰。在箱子内放入点燃的蜡烛，从侧面的孔中放进点燃的蚊香。学生可以通过观察烧香放出烟雾的运动轨迹来直观感知箱里的空气流动，对比蜡烛有无点燃两种不同条件下烟雾的运动轨迹，对“风是如何形成的？”“形成风需要有哪些条件？”等问题形成清晰的认知，奠定科学概念基础。同时，可以在上面的孔洞上方放一根丝带或一个小风车。第一课时可以终止于完成让丝带飘起来，以及让小风车转起来的任务。在形成了准确完整的科学认知的基础上，第二课时再进行技术运用，通过合理设计与制造，应用该原理来驱动走马灯旋转，以达到最大的教学效果。

此外，本案例中也缺乏对数学（M）的体现。课堂上使用的材料都是老师事先准备的标准化材料，而老师与学生在堂上都没有对为何选用这种材料提出疑问。事实上，应该根据侧面需要展出的图画数量来确定：走马灯有多少个侧面？每个面之间的角度应该是多少？如果走马灯的高度和直径固定，那么每个面的可用面积是多少？如果侧面的长和宽固定，那么走马灯的直径应该是多少？这些都是在走马灯实用化过程中必须考虑的、有研讨价值的问题。

案例二：垂直种植供换水系统设计

情境引入，聚焦问题。（前略）

提出任务：你们能为他们设计一个便捷的供水系统，解决他们为植物浇水和为小鱼换水的麻烦吗？（工程设计）

活动一：制作一个能够控制瓶中水位的带孔瓶子。（知识原理运用）

问题深化：以瓶身打孔为例子，指示学生思考如何保证水位不变，给瓶中的植物和小鱼换水，同时又不会伤害瓶中的小鱼。

知识指引：在现实生活中，例如，家庭养鱼，利用虹吸原理将鱼缸中的水抽出来。（范例演示）

观察学习：学生通过观察探究，利用科学方法和技术手段设计不同打孔方式来控制瓶中水位的高低。

参与体验：学生体验两种换水原理，动手尝试完成换水过程。

小结：想要控制好瓶子水位的高低和换水的速度，要充分考虑出水口的大小、打孔位置的高低。整体设计还需要考虑现实问题：实施起来的可操作性、性价比、创意、美观。（工程设计需要严谨考虑的问题。）

活动二：设计完整的供水系统，让每次给植物浇水变得更加简单便捷（整体设计）。

老师讲解创植园的具体情况，学生在老师的启发下进行讨论，考虑供水系统适合运用哪种供水方式，按照现实要求设计一套完整的供水系统。

学生分小组讨论设计方案，方案需要涉及如何运作、实现什么样的功能、用什么手段实现这个功能（技术思维）。

绘制供水系统草图，对设计图纸进行上色（美术），并附上简单的文字介绍（工程设计）。

（之后为展示与评价，此处省略，本案例完。）

上述教学案例是我校开展广东省STEM教育实践研究课题所开发出的“STEM创植园”校本课程系列中的一个课时。本课例经历半年的研磨，多次修改之后成型，选取的授课对象是小学五年级的学生。此处选取的主要科学概念是虹吸原理，整个供换水系统的系列授课预计分3课时完成，节选的课例片段为第1课时，重点在使用水瓶和软管来认识虹吸原理，探究能够发生虹吸现象的条件，由此推断出为了给垂直农场中的盆栽换水需要在哪个高度剪开出水孔，控制盆内的水平面保持在哪个高度。按照教学计划，后续的第2课时安排为应用虹吸原理的供换水设备的制作和应用测试;第3课时为使用Arduino开源硬件及可视化编程制作自动化的供水设备，主要涉及的知识为湿度传感器的工作原理和相应的编程技术。

当然，本案例并非完美，其中仍然存在明显的缺陷，集中表现为对学生前概念的掌握不准确。在前置试验中已经发现，在一个课时中连续进行科学概念的构建和实践制造是不可行的，学生的前置水平并未能做到在40分钟内完成供换水系统。而在本课例的教学过程中，笔者发现学生对虹吸原理已经有了初步的了解，知道该现象的存在，不过对现象的表述不够清晰具体，不能辨明虹吸现象需要具备哪些具体条件。由此笔者反思，这堂课的重点不应该放在原理的解释上，将掌握虹吸原理的现象、发生条件和使用技巧作为制作出供换水系统的必要条件，运用任务导向的方式引导学生开展主动探究，能够令学生有更好的机会将虹吸的科学知识直接内化到其原有认知结构中。当然，这要求老师必须在课堂的结尾将学生形形色色的探究活动收拢为一个严谨的、系统的表述，而这也是本课例没有完善的一个漏洞。另一个漏洞与上述案例一样，缺乏对数学的体现。在此案例中，测量两个容器的液面高度之差，并探究虹吸现象中水流的速度是否与液面高度间的落差存在关系，亦不失为一个可行的研究角度。有条件的还可以据此结论，提出用什么方法来控制水流速度，从而保持容器内的液面高度相对稳定。

如同科学领域和技术领域之间具有相互作用一样，在教育层面上，科学课的教学和STEM课程的教学也是具有相互作用的。考虑到学生的认知与思维发展的阶段性，教学活动的编排需要符合学生的认知发展规律，因此在STEM课程教学中，应该重视科学知识与方法的前置铺垫。因此，在课程的开发设计阶段，需要研读《小学科学课程标准》，甄选出课程需要应用的科学概念与方法，并借鉴科学课的教学方法，设计能够帮助学生突破重難点的探究方式;在整体教学流程上，在提出问题与确定任务目标之后，无须急着进行方案设计和制作，先加入一个掌握科学知识技能的环节，使得每一个学生，无论其前概念位于哪一个水平，在课堂上都可以沿着“知识—理解—应用—分析—综合—评价—创造”的思维金字塔获得提高，避免出现学生根基不牢固却盲目追求高阶思维造成的无效课堂。

【本文系广东省教育研究院举办的广东省STEM教育实践研究课题“基于项目学习的小学STEM教学实践研究”结题资料】