STEM教育在小学科学教学中的有效融合

王红妮

【摘要】近年来，STEM教育已成为世界各国推进创新型人才培养的重要方式，也为我国小学科学教学的改革实践提供了新的视角。为了促进STEM教育与小学科学教学的深度融合，笔者结合自身教学实践，尝试采用以工程设计为主线，将学生在学习中遇到的问题与困难转化为STEM问题，通过工程设计需求驱动学生进行知识与能力建构，再将新建构的知识与能力运用于确定方案、制作作品和不斷优化迭代改进作品中，以促进学生深度学习和创新能力的培养。

【关键词】小学科学；STEM教育；融合；《制作轮子》项目

【中图分类号】G623.6【文献标志码】A【文章编号】1004—0463（2021）21—0118—03

2017年新修订的《义务教育小学科学课程标准》中新增加了“技术与工程”领域，与生命科学、物质科学、地球和宇宙科学共同作为新教材中的四大领域。同时，新课标中明确提出倡导跨学科的学习方式，鼓励教师将科学、技术、工程与数学有机融合为一体，即STEM教育，以项目学习、问题解决为导向组织课程[1]。这是首次在小学科学课程标准中明确体现STEM教育的重要地位，同时小学科学课也成为小学阶段普及STEM教育的重要载体。

如何将STEM教育有效融入小学科学教学中呢？新课标明确指出，工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动。可见，工程活动本身运用科学、技术、数学等跨学科知识和能力解决实际问题的特点与STEM教育理念非常契合[2]。那么，以工程设计的思路设计教学已成为将STEM教育与小学科学教学进行融合的有效突破口。

笔者结合自身教学实践，对教科版五年级上册《运动和力》单元教学内容进行整合与重构，并用工程设计的思维进行STEM教育的设计与实践，探索STEM教育融入小学科学教学中的有效策略。

一、以工程问题情境为抓手，重构并整合单元教学内容

在教学实践中，笔者发现，教材中这种单纯以课时为单位，碎片化的内容组织形式会影响学生对知识网络的构建。以大单元视角对教学内容进行重构与统整，开展以问题驱动的项目化学习，使得原本课时中孤立的知识点之间形成相互联系、相互作用的知识体系。将STEM教育融入小学科学教学中，进行单元教学内容整合，可从涉及技术与工程领域的单元教学入手，如教科版教材三年级下册《物体的运动》、五年级上册《运动和力》、五年级下册《时间的测量》等。

在单元整合过程中，笔者将涉及技术与工程领域单元中学生在学习时存在的问题与困难转化为STEM问题，以工程设计思维对单元内容进行组织和设计。因为解决工程问题必然会关联到科学、技术、数学等学科，从工程技术的角度出发设计活动更容易促进学科的深度融合，有助于学生进行深度学习。

如，五年级上册《运动和力》这一单元，共计8课时，选择了学生熟悉的小车作为主要研究对象，研究重力、弹力、反冲力等作为动力与小车运动的关系以及摩擦力大小的影响因素，最后以设计制作小赛车作为本单元知识与技能的综合应用。但在以往分课时教学过程中，第8课《设计制作小赛车》教学时，笔者发现，大部分学生会直接选择现成的轮子组装小赛车，只有个别学生选择圆形的瓶盖、硬纸板等材料来制作轮子，在制作小赛车的过程中，学生对于轮子的选择缺乏系统深入的思考，设计制作小赛车的活动也因此流于表面。究其原因，以课时为单位进行教学设计时，学生对于运动和力相关内容的学习停留在知道、了解的低阶思维层面，在“设计小赛车”这一属于迁移应用的高阶思维层面任务时，脱离了“最近发展区”，知识与能力的建构均无法完成。

基于教学中出现的问题，笔者萌生了将本单元8课时的教学内容进行整合，以“为一辆小车制作轮子”作为驱动性任务开展STEM项目的想法，主要基于以下几点考虑：第一，轮子作为小车助动构件，并不是一个简单的圆环，其正常工作需考虑材料、构成、组装等一系列问题，也会直接影响到小车的运动快慢及平稳性，以此任务作为项目任务，能够系统整合本章学习内容，有助于学生基于真实情境的问题解决，提高学生的学习效率。第二，从生活中司空见惯的轮子入手研究其中所蕴含的“秘密”，能够激发学生的探究兴趣。第三，轮子的出现与使用至今已有5000多年的历史，至今仍排在“人类最伟大发明”的前列，尽管如今科学技术飞速发展，但轮子依然具有研究价值。

二、以工程设计过程为主线，促进STEM教育与科学教学的融合

《课程标准》中指出工程技术的关键是设计，而工程设计的基本步骤包括明确问题、确定方案、设计制作、测试、改进完善等环节。借鉴工程设计的思维流程，笔者尝试将STEM教育融入小学科学课以这样的思路开展：以工程设计为主线，从学生学习中存在的问题与困难转化为STEM问题，通过工程设计需求驱动学生进行知识与能力建构，再将新建构的知识与能力运用于项目制作与问题解决过程中，并以多元化的过程性评价方式促进学生综合素养的养成。

在项目启动课上，笔者向学生出示了一辆没有轮子的玩具小车，学生立刻兴奋地表达了想要给小车设计制作轮子的想法。接着，为学生四人合作小组提供了硬纸板、可塑橡皮、竹签等材料以及剪刀等常用工具，学生开始思考如何完成“设计并制作一组能使小车滚得更远的轮子”这一驱动性任务。学生在小组激烈的讨论中，萌发了制作轮子的很多想法。于是，笔者引导学生通过设计草图将想法可视化，并在草图中标出使用的材料与尺寸、大小等信息。设计环节完成后，小组学生立刻很兴奋地投入到制作环节，按照设计草图分工协作，为小车制作一组轮子；轮子做好后，学生在测试用的斜坡上一次次测试与调整。当所有小组完成轮子的制作与测试后，笔者组织学生开展了一场“比一比哪组小车滚得更远”的比赛，比赛分小组突围赛与冠亚军争夺赛两个环节，学生自己制定比赛规则并确定裁判人选。在激烈的比赛结束后，笔者开始引导学生分析在比赛中获胜或者失败的原因，并讨论“影响小车运动快慢的因素有哪些”这一问题，在讨论中，学生提出轮子的重量、轮子的表面光滑程度、小车的重量、运动斜坡的角度、光滑程度等等。

相比于传统以课时为单位的教学模式，整合后以问题解决为导向的项目化学习方式，能够极大地激发学生的学习热情。在整个工程问题解决过程中，所有学生都能始终保持浓厚的探究热情，小组讨論激烈、共享智慧，专注于问题解决的过程，这在以前的教学中是从未有过的。从学生的学习效果来看，学生在制作并测试轮子的过程中，自发探究影响小车运用的影响因素，基于实际学习需要去进行知识的主动建构，最终完成的轮子不仅外形美观，也兼具平稳性与行驶速度。

三、以工程项目的迭代改进为契机，促进学生深度学习

工程设计并不是单向的线性流程，而是需要经过不断反馈、调整的多次迭代过程。有研究者指出，教学需要延迟，延迟到学生出现“学习僵局”，也就是在学生探索失败不能再解决问题的时候再进行教学，这样更富有成效。因此，以工程项目的迭代改进过程为契机，给学生足够的时间和空间，在完成项目成果的过程中，去经历相关问题的探索和“有效失败”之后再进行知识和能力的建构，有助于促进学生的深度学习。这就要求教师在课堂教学中，不同于传统的以讲授为主的教学方式，应强调引导学生创造性地解决问题，重视学生在学习过程中的生成与体验。

所谓生成，指的是学生在已有知识经验的基础上，建构新知识的过程。由于学生的经验是个性化的，即使经历同样的学习流程，每个学生生成的知识也不尽相同。在《制作轮子》这一项目化学习过程中，几乎所有学生都制作了生活中司空见惯的圆形轮子，但有一组同学想尝试一下为小车装上方形轮子会怎样。针对这一原有预设之外的情况，笔者借机引导学生探究“生活中的轮子为什么都是圆形”这一问题。学生通过制作圆形、方形轮子模型，研究不同形状轮子的运动轨迹，最终发现圆形轮子不会颠簸的本质：圆形轮子在运动过程中，车轴距离地面始终相等。这为学生在后期不断改进轮子的过程中，保证小车运动的平稳有着非常重要的指导作用。能够随时应对学生生成的新问题，这就对教师提出了非常高的要求，在关注学生思维过程的同时，还需要在备课环节对项目主题所关联的知识有系统深入的认识。

STEM教育强调基于真实情境的问题解决，也就突出了体验的重要性。从学生的实际需要出发进行整个项目化学习过程的设计，从问题的提出到基于问题情境进行工程设计与制作以及最终产品的发布，都需要给学生提供一个真实、丰富有意义的生活体验，才能更好地促进学生在问题解决过程中获得经验，有能力在不同的情境中进行迁移。

总之，基于真实的工程问题情境，以工程设计过程为思路对单元教学内容进行整合与重构，是将STEM教育融入小学科学教学的有效突破口。引导学生像工程师一样经历解决实际问题的过程，能够促进学生与真实世界发生联结，有效培养学生的创新能力。

参考文献

[1]刘韬容，肖化.STEM教育融入小学科学课程的改革路径与实践探索[J].基础教育参考，2019（17）：34-37.

[2]孙燕.STEM教育在小学科学课程中的融合[J].教育科学论坛，2018（32）：39-42.

编辑：张昀