STEM视野下小学科学课堂的跨学科教学探究

罗 萍

（四川省德阳市华山路学校 四川·德阳 618000）

1 STEM是什么

“STEM教育”源自美国，美国在1986年国家科学委员会就发表的《本科的科学，数学和工程教育》报告明确提出“科学、数学、工程和技术”教育的纲领性建议，从而作为STEM教育的开端。在1996年发表的《塑造未来：透视科学数学工程和技术的本科教育》、2006年发表的《美国竞争力计划》、2007年的《国家行动计划》和2011年的《美国创兴战略》等报告、文件中指出“科学、数学、工程和技术”方面人才培养是全球竞争力的关键，并鼓励学生主修科学、数学、工程和技术，提高科技理工素养。STEM是什么？是以科学、技术、工程和数学为主要课程的教育。 其中S指科学（Science）、T指技术（Technology）、E指工程（Engineering） 、M指数学（Mathematics0它强调多门学科之间的相互联结和整合，以设计思维（Design Thinking），项目式学习PBL（Project Based Learning）为基础建构STEAM的顶层框架和思维逻辑创新，支持学生以多学科整合或融合、多种思维方式的学习，以一种批判性的方式来理解和探索世界，从小培养孩子解决问题的能力，才能在未来参与到世界的建设中来，让科技教育改变未来。

2 科学课程与STEM的关系

2017年教育部颁布《义务教育小学科学课程标准》明确提出科学课程总目标是以培养学生的科学素养为宗旨，为学生后继学习和终身发展奠定良好的基础。课程包括科学知识，科学探究，科学态度，科学、技术、社会与环境4个方面的具体目标。在《义务教育小学科学课程标准》第4部分实施建议中的教学建议中指出：注重科学探究的教学，注重多种形式教学的有机结合，注重学生的积极参与和相互间的交流合作。认真解析课程标准，从课程总目标到具体目标都与STEM教育中以科学、技术、工程与数学四门学科的有机融合来培养学生的创新意识、创新能力相吻合。课标提出科学课程以探究式学习为主，但不是唯一方式；而STEM是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，这些都非常适用于科学课程的探究活动中。

想要实现小学科学课程深层次改革，实现跨学科教学就应着眼于STEM理念下整合多学科教学，不断尝试完善科学课课堂教学与课程体系建设。

3 整合教材上的教学内容，实施跨学科教学的思考与途径

3.1 数学与科学融合，实现跨学科教学，培养理性思考意识

科学课程体现了自然的奥秘，是一门非常吸引小学生兴趣的课程。新课标中指出：小学科学课程实施的主要形式是探究活动。科学探究要经历“提问题，作假设，订计划，收集证据，处理信息，得出结论，验证结论并表达，交流，反思评价”等过程 ；数学是学习探究科学知识的工具，数学方法在统计整理数据，建立模型，建构知识等非数学方面也与生活联系紧密，非常实用，将这样两门关注自然与生活的课程进行融合，在课堂整合中引入STEM课程项目式学习（PBL）通过课堂教学让学生体验并感知基本的科学方法，认识事物的本质，掌握思维方法，养成理性思维，崇尚科学精神，发挥互补作用。

思考与途径：在深入解析科学课程教材之后，分离出与数学相关知识有密切联系或是需要应用数学作为工具的课例后，将数学与科学课程整合思路渗透到课程教学设计中，完成整合，达到提高学生科学素养的目标。如四年级上《天气》单元的教学中《云的观测》这节课就涵盖有关数学的“面积”知识点；《温度与气温》《降水量的测量》《总结我们的天气观察》这几节课里涵盖数学的“条形统计图”“折线统计图”知识的应用；六年级上《形状与结构》单元教学中《形状与抗弯曲能力》《找拱形》《做框架》《建高塔》这些课涵盖数学方面的“三角形”“四边形”“周长”“面积”“体积”等知识，虽然教材本身就有相关内容，此时站在课程整合的角度，在STEM的理念下，设计问题，利用数学、科学方面的相关资源，就会取得不一样的效果。下面以六年级上册《杠杆的科学》为课例，老师在确定这个教学目标之后，在课程上教师以情景引入的方式，通过视频、图片、故事等方式，让学生了解杠杆的外形、结构和使用方法，学生在完成这个任务的过程中，会主动思考资料中的工具是不是杠杆及理由，积极了解杠杆的信息，根据老师的给定的实验工具—杠杆尺，探究杠杆尺的结构、使用方法及如何用它研究杠杆的秘密，在这过程中，可以与小伙伴合作，经过不断的尝试和修改，最终完成整个实验研究方案，方案要包括小组想探究的问题，然后老师引导学生对小组的方案进行自评、互评和教师的评价。在明确“研究杠杆省力问题”作为项目式学习的任务后继续小组探讨出以下问题：

（1）准备收集什么数据（应用）；

（2）怎样收集数据（数学应用）；

（3）如何设计数据记录表（数学应用）；

（4）如何对数据进行整理（数学应用）；

（5）你们小组是怎么分工的，每个人的职责是什么？（合作能力应用）；

（6）实验研究中出现了哪些问题？怎么解决的？（分析、综合与评价）；

（7）实验方案在实施中的顺利吗？（分析与综合）；

（8）记录下实验过程中遇到的问题；（记忆与理解）；

（9）通过对实验数据分析你们发现什么规律？（分析建立模型）；

（10）你从别的小组的实验研究中学到了什么？（评价）按怎样的方法步骤收集数据更合理？（思辨）等。

在预设的问题时，教师要设计出锻炼思维能力（分析、综合、评价与创造）的问题，从而促进学生主动思维，积极合作，不断的探索、尝试和自我反省，在实验探究中学生个人能力得到不断提升，这些能力靠传统做题的方式、阅读的方式难以获得的。从STEM层面分析：

科学（S）：知道了支点、受力点、阻力点；了解了杠杆分类（省力的，费力的，既不省力也不费力的杠杆）。

数学（M）：学会设计数据统计表，收集实验数据；学会整理数据，分析数据；学会建立模型（等量关系式）。

技术（T）工程（E）：应用杠杆知识，设计制作小杆秤、投石机。

课程让学生体验到从收集数据、整理分析数据建立数学模型的过程，体验从感性认识到理性思考的过程，培养学生学会理性思考问题，解决问题的意识和能力，充分展示STEAM教育的育人优势。

3.2 科学与技术工程融合，创设开放性实践空间

课标提出：科学课程以探究式学习为主，但不是唯一方式；而STEM是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，这些都非常适用于科学课程的探究活动中。在实际课堂教学设计时就教师应该常思考课程是否能引用STEM教育的学习方法，思考科学教材中是否涉及科学，技术，工程和数学的综合性跨学科的内容，是否有能让学生探索并在真实环境中解决问题的内容，是否是涵盖思辨思维、创造力、合作能力和沟通能力的教学资源，从这些思考出发可以寻找到与STEM教育特质相一致的内容，如在科学课上讲授《形状与结构》单元时应用STEM教育理念可以更好的进行课程整合，实施“科学与技术工程”跨学科教学。课例：《用纸造一座“桥”》，本课知识点涵盖物质科学领域中的力学知识和技术与工程领域的桥梁设计相关知识及剪刀、直尺等工具的使用。采用PBL教学法，让学生分组讨论，设计一座能承重纸桥的最佳方案并执行，然后通过质量检测（检测标准:是否具有一定跨度；是否能承载一定的重物量来）判断获胜的小组。该课程内容通过对各类桥梁设计的优劣评价，让学生们反思的设计方案并进一步改进方案。本课从STEM的层面分析：

科学（S）：知道线、面、体的关系；了解力的分解；了解形状与抗弯曲能力的关系等。

技术（T）：会使用直尺、剪刀，会通过改变纸张的形状提高抗弯曲能力等。

工程（E）：了解桥梁的分类及科学原理，了解整个工程从设计到建造流程。

数学（M）：学会度量，简单除法计算，人员统筹到材料计划统筹安排，砝码叠加增加质量等。

知识层面：知道线、面、体的关系；了解抗弯曲能力与形状的关系;了解力的分解；了解拱形原理等；学会度量和简单的计算;体验工程设计过程。

能力层面：学会类比分析，统筹安排，创造性的思考、解决问题，培养小组协作意识等。

3.3 开发课本内容，实现开放式跨学科学习

科学课程本身就具有开放性，这是课程的特性。这在教材中就有充分体现，分析教材就知道每一个单元的最后一课几乎都是本单元知识的归纳总结和应用，这就很好的给教师和学生留下了开放性的教与学空间，再加上教育部门要求对学生开放实验室，开展课外科技活动。如何利用这些教学资源，注重课堂教学与课外活动紧密结合，注重科学探究的教学，注重多种形式教学的有机结合，注重学生的积极参与和相互间的交流合作，渗透STEM理念，开展跨学科学习。

思考与途径：在课程教学设计时思考本单元已有的科学知识特别是涉及到与技术、工程有关联，同时又能很方便找寻到实践制作材料的，可以开发成专题或项PBL学习内容，作为课外活动的课程资源。

如五年级上册第四单元《运动和力》，就是很好的科学、工程与设计的学习资源，结利用《设计制作小赛车》这节课开展课外课堂的专项活动，通过本项目课程的学习和推进，学生深入了解了科学知识（“力”“拉力”“重力”“反冲力”“摩擦力”“弹力”），工程知识（车辆的基本机构，赛车设计时要考虑的因素，用反冲力作动力时所需摩擦力的大小，用弹力作动力时摩擦力的大小，如何把重力转为小车的动力，设计的一般程序等），社会知识（如何解决问题又能减少成本，如何协调小组成员分工及合作中的互相评价等），制作材料选择“乐高”，小车的驱动力不作限制，任务要求是使用材料的多少（造价尽量低）和小车行驶的路程（尽量长）。此专题还可以拓展到六年级《工具和机械》认识了轮轴，齿轮传动的知识之后，再次开展，只是这次任务要求是小车行驶的速度要尽量快。

该课程让学生参与研究过程，使学生参与最大化，让学生利用对照实验和证据提高学生思维能力，为学生创造机会分享想法、使用各种方式和工具陈述数据、口头介绍、并利用视频进行实时播发，将分析思维应用于项目研究，将工程设计技术应用于完成项目任务中，让学生从更多的角度去综合信息，建立联系，让学生能真真切切体验工程设计过程：确定问题和对象→界定目标和限制条件→研究及收集信息→提出可能的解决方案→分析解决方案的可能性→选择最合理的解决方案→实施或执行设计→测试和评价设计→必要时重复各步骤→表达结果。体验像工程师一样考虑问题，解决问题，让学生的学习有成就感，获得感。

注释

①周玉芝.STEM教育视野下的课程开发与学科教学改进[M].北京:北京师范大学出版社,2019.

②2017版《小学科学课程标准》.