基于STEM教育理念的小学科学探究式学习过程优化

林 芹

(福建省厦门何厝小学，福建厦门，361000)

随着世界经济的发展，科学发明与技术创新不断涌现，科学技术的快速发展对每一位公民的科学素养都提出了新的要求。融基础性、实践性、综合性于一体的小学科学课程，是学生科学素养的启蒙课程。在小学科学课程的教学过程中，认真贯彻探究式学习是对当前小学科学课程总目标的积极回应，是发展学生创新思维的关键。STEM教育在K-12科学教育框架中呈现了其核心内容，包含科学与工程实践、跨学科概念、学科核心概念，并被逐步引入科学课堂中。[1]当前，STEM教育理念对创新思维培养的影响力也逐步被认可。将STEM教育理念引入小学科学课程，融入科学探究式学习过程，认真贯彻探究式学习，是当前优化探究式学习过程的可取之道。

一、探究式学习过程融入STEM教育理念的必要性

一般情况下，探究式学习过程包含四个环节，即探究问题的生成与确定、探究方案的策划与设计、探究方案的实施与展开、探究结论的交流与评价。可见，探究式学习过程要求教师打破传统讲授式的教学思维方式，引导学生变被动学习为主动学习，进而引导学生经历自主发现、分析和解决问题的过程。这一过程必须遵循主体性原则、目标性原则和整体性原则。[2]STEM教育在当前存在两种态势。其一，将STEM教育理解为一种融科学、技术、数学、工程于一体的多学科融合教育理念；其二，将STEM教育当成一门跨学科的项目式教学模式。但无论从哪种态势理解，STEM教育都颠覆了过去“各自为政”的学科独立教学模式。在倡导培育综合型素质人才的今天，将STEM教育融入小学科学课程的探究式学习过程，为多学科融合的整体性教学架起了桥梁，使学生从零碎科学知识学习转向了综合解决实际问题的过程整体学习。因此，将STEM教育理念融入探究式学习过程，能够丰富课堂主体性、环节目标性、思维整体性，发挥其理论指导价值。

(一)STEM教育理念有助于凸显“主体性”

在小学科学课程探究式学习过程中，教师应成为学生学习的引导者和促进者，学生才是学习过程的主体。但是，在众多的公开教学活动中，观众依然会看到教师“隐形主体”角色的出现。究其原因，教师在课堂教学过程中注重引导学生经历探究式学习的“过程完整”，而缺乏探究式学习真正发生的“主体思维”。这导致在热热闹闹的探究式学习过程中，学生的情绪是激昂的、活动是丰富的，但其思维活动被弱化了。思维弱化一方面表现为教师替代学生选择探究问题，而不是学生自己经过思维活动而产生；另一方面表现为教师替代或者个别学生替代全班学生思维，生成与评价探究结论。不可否认，问题的选择和探究结论的生成与评价是探究式学习过程，是挑战学生思维、促进学生思维发展的关键环节，旨在使学生成为思维活动的主体。当这两个环节的思维活动被弱化时，学生主体性便难以凸显，探究式学习的真实性必受质疑。基于STEM教育理念重设这两个教学环节，需要教师思考以下问题：什么样的情境能使学生萌生有价值的探究问题？什么样的交流与评价活动能将全体学生思维置于必须思考的境地？

可见，在教学中融入STEM教育理念有助于教师教学思维方式的转变，即从“重结果”到“观过程”，从“重知识”到“理方法”等教学思维转变，这为发展学生思维提供了助力。

(二)STEM教育理念有助于明确“目标性”

《义务教育小学科学课程标准(2017年版)》指出：小学科学课程倡导以探究式学习为主的多样化学习方式，促进学生主动探究；突出创设学习环境，为学生提供更多自主选择的学习空间和充分的探究式学习机会；强调在做中学和学中思，通过合作与探究，逐步培养学生提出科学问题、收集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析问题和解决问题的能力，发展学生的创造性、批判性思维和想象力。[3]STEM教育理念下的科学学习过程包含发现问题、提出假设或设计方案、科学求证或实施方案、得出结论或评估方案及反思分享四个阶段。就工程技术类的课程来说，反思分享的过程就是对作品进行迭代提升的过程。可见，在STEM教育理念指导下的探究式学习过程中，学生的学习过程节点安排会更清晰，每个环节要开展什么活动、达成什么目标都有明确界定。学生从进入问题或项目再到最终形成问题解决方案或“人工制品”项目成果的整个过程是由不同的环节构成，每个环节有阶段性问题或阶段性任务。只有循着这些环节的脉络一步一步地解决每个子问题或完成每个子任务，找到一连串的证据，并根据这些证据得到整个问题的解决方案或完成“人工制品”，真正体验获取知识的过程，而不是机械模仿和重复教师的操作，才能有效促进学生关键能力和核心素养的发展。[4]

因此，教师将STEM教育中的“阶段性任务驱动探究过程深入”的理念融入探究式学习过程，有利于学生明确主题学习的总目标以及要达成总目标需要逐步完成的小目标。而目标明确的学习过程会更有实效性。

(三)STEM教育理念有助于契合思维的“整体性”

思维方式是人认识事物的方式方法。小学生很容易受教师的言行影响，尤其是教师的教学思维的整体性和逻辑性等都会在教学过程中潜移默化地影响学生。学生在探究式学习过程中习得科学方法、提升科学思维是科学课程的核心价值之一。因此，在探究式学习过程中，学生的逻辑思维、整体思维水平得到发展尤为重要。但是，在常态探究式学习过程中，学生仍处于“请你按我这样做”的潜思路中，学生参与整体建构科学概念的思维过程被弱化，发散思维训练的机会被窄化。如果把STEM教育理念融入小学科学探究式学习过程，引导学生经历从“情境创生问题”“方案制订”到“方案实施”“结果分析与评价”的整个探究过程，思维也会经历从情境发散到问题聚焦、从假设验证到综合收敛的整体过程。这为学生构建科学概念的内在思维逻辑结构及接纳批判性思维搭建了可落地的框架。

总之，在探究式学习过程中融入STEM教育理念，可以使探究式学习过程的活动结构更完整，思维逻辑更清晰，概念体系更系统；让学生在动手之前先明确学习的思维逻辑，带着目标去经历、去思考，可以真正贯彻探究式学习。

二、STEM教育理念融入探究式学习过程的适切性

任何一种教学理念或者学习方式都有其优越性与不足之处。倡导多元化教学理念指导下的多元化学习方式的融合与共通，是提升教学效果的必经之路。STEM教育理念融入小学科学课程探究式学习的过程也不例外。只有明确其适切性，才能更有效地融合，不至于生搬硬套。

(一)创设情境，真思维

情境性是STEM教育的九大核心特征之一。STEM教育强调把知识还原于丰富多彩的生活，最好能与生活中充满趣味、富有挑战的问题相结合，引导学生在解决问题时完成概念建构、习得科学方法、提升科学思维品质。同时，STEM教育强调提升学生将知识再运用于情境中解决实际问题以及理解、辨识不同情境知识表现的能力，旨在增强学生根据知识所处背景信息并结合自身经验使学习过程产生“联系与结构”的能力，推动学生思维向高阶发展。

好的开始是成功的一半。科学探究式学习始于问题的产生，如何引导学生产生有价值的真实问题是关键。因此，在科学探究式学习过程中，以STEM教育理念为指导，创设生活中的真实情境，引导学生产生真实问题，是探究式学习的良好开端。在解决问题的过程中，学生不仅能获得知识，更为重要的是能获得对知识社会性、情境性及迁移运用的体验感。这种体验感为学生打开了从书本世界到生活世界的通道，增强了学习与生活的关联感和体验感，让学生在生活中能像在课堂中时一样观察、质疑生活现象，在课堂中又能像置身于生活场景中时分析、解释生活现象。

(二)设计环节，可物化

STEM教育理念重视制作思维的整理环节。在传统的科学探究过程中，教师通常借助引导学生在纸上画设计草图的方式让学生呈现制作思路。现实课堂中往往出现这样的景象：学生对画设计草图无从下手，即使画出了设计草图，但画归画、做归做，造成设计与制作“两张皮”现象。本应为后续制作做铺垫的草图设计环节往往成“走过场”，学生的设计思维与制作思维并没有真正发生前移后续的关联，导致设计过程思维缺失、制作过程思路不清，造成计划与实施之间的逻辑结构思维发展弱化。

小学生的思维以具象思维为主。如果能将纸上抽象绘制设计图活动转变为动手做的直观动作思维过程，引导学生物化设计草图，不仅有利于学生呈现自己的设计思路，而且能让后续制作过程真正与设计思维发生关联。例如，在教学苏教版小学科学五年级下册第二单元第2课“搭支架”时，教师可以为学生提供了一定数量的胡萝卜丁和牙签，引导学生借助胡萝卜丁和牙签自主设计支架模型，变平面、抽象的草图设计为直观、立体的模型制作。这不仅可以消除学生对画设计图的畏难情绪，顺应学生爱动手的天性，而且便于学生在讨论中按照小组的智慧不断调整设计思路。

在小学科学课程探究式学习过程中，教师要关注学生动手的机会，更要为学生留足思考的空间。在如何让学生真正去思考并让思考设计能为后续动手制作真正起到铺垫作用的问题上，教师要根据不同年级学生的思维特点选择不同的形式。对处于直观动作思维认知阶段的1—2年级学生，教师可以引导学生在观察中产生制作的欲望；3—4年级的学生的思维正处于从直观动作思维向抽象逻辑思维发展的过渡阶段，教师可以逐步引导学生以抽象的文字描述加适当的图形符号等方式呈现设计思路；对于5—6年级的学生，教师可以引导学生从实物模型设计逐步向草图设计过渡。

(三)迭代思维，可迁移

迭代是基于STEM教育理念的产品修正过程，是学习过程中非常重要的一个环节。但在常态的探究式学习过程中，更为常见的是教师引导学生经历“产品设计—产品制作—产品评价”三个环节，产品评价环节并没有很好地被加以利用，也就难以发挥其应有的价值。而STEM教育理念支持下的迭代过程就是教师充分利用产品评价过程信息，并留足时间和空间，引导学生再次审视自己的作品、修正自己的作品的过程。如果在科学探究式学习过程中也能做实评价与修正环节，那么探究的意味就会更深远，学生探究科学的思考就会更深入，学生对动手实践的过程就会有更深刻的体会。这个思考和体会过程是科学核心素养落地课堂教学过程中不可缺少的重要组成部分。

在小学科学课程探究式学习过程中，教师应充分预设学生的制作思维瓶颈，引导学生在对比中思考。如果有条件，教师要进一步创设情境，引导学生在情境中产生思维冲突，点燃质疑思维，让学生经历“接收反馈—不断修正—持续完善”的迭代思维过程。这样的过程是学生感兴趣的过程，是学生批判性思维发展的过程，是高阶思维培养的过程。因此，选准时机将迭代思维迁移应用到探究式学习过程中，就能够更加凸显小学科学课程探究式学习的内涵和价值，使之成为科学学科育人价值生发的良好载体。

STEM教育理念与探究式学习模式既有共性又有个性。在以探究为主的小学科学教学中，在问题产生的情境创设环节、探究思路呈现的设计环节及学习成果评价反思环节充分融入STEM教育理念，对夯实探究学习方式的内容和价值有重要作用。

三、STEM教育理念融入探究式学习过程的实践性

将STEM教育理念融入探究式学习过程，并非把科学课都上成STEM课，也并非每一次探究式学习过程中的每个环节都能全面又深度地融合STEM教育理念的九大特性。融合过程不仅要遵循必要性和适切性，还要遵循实践性。

(一)挖掘教材与STEM要素的融合点

STEM教育理念强调学生应用所学数学和科学知识应对现实世界的问题，通过创造、设计、建构、发现、合作解决问题；强调学生应具备一定的技术素养，了解技术应用和技术发展的过程，具备分析新技术如何影响自己乃至周边环境的能力。

基于这种理念认同，教师可以通过挖掘科学教材中涉及工程与技术领域的内容，寻找融入STEM教育理念的契机。在融合过程中，教师要充分理解教材，寻找教材和STEM融合的多元视角，实现内部统一，协同提升学生的科学、技术、艺术与数学素养。例如，在教学苏教版小学科学四年级下册第二单元第8课“太阳钟”时，教师可以借助学生对沙漏、水钟、摆钟、机械手表、电子手表等各种计时工具的结构特征及发展变迁的了解，引导学生认识计时工具的演变历程，体验计时工具的发展给人类生活带来的便利。在此基础上，教师可以进一步引导学生聚焦摆钟的结构，通过观看实物和相关图片，引导学生理解摆钟的计时奥秘所在，进而引导学生尝试制作“一分钟计时器”。在教师的支持与指导下，学生主动融入探究学习活动，感受探索的魅力，深刻体验科学原理与工程技术的紧密关联。由此可见，挖掘教材与STEM要素的融合点，为融合找到着力点，是有效融合的前提和关键，是提升学生科学素养的基石。

(二)尊重认知与STEM要素的融合点

小学阶段是学生认知水平快速发展的时期。在小学科学课程探究式学习过程中，教师要充分尊重学生的认知特点，找准融入STEM教育理念的关键点。具体来说，教师要遵循小学科学“动手做”原则，从学生熟悉的生活事例或者现象出发，引出对生命、物质或地球与宇宙等相关概念的建构认知活动。例如，在教学苏教版小学科学三年级上册第四单元第14课“海洋”时，教师可以引入全球水危机新闻“地球是个大水球，海水占了地球上水资源的72%，为什么还会出现水资源危机”，以此使学生产生探究海水中到底有什么的学习欲望，即本课的探究主体活动——海水淡化。学生通过探究式学习会发现海水与淡水的不同，再通过与科学家的权威解释进行对比，形成自己对海水成分的认识。在此认知基础上，教师引导学生自制海水淡化处理装置，进一步巩固学生对海水淡化过程的认知，在制作过程中点燃学生创新思维的火花。借助这类“实验+权威解释+装置制作”的形式，教师能够对不同学科知识加以融合，有助于学生进一步巩固相关科学概念的建构，既拓展了学生的学习空间，又使探究式学习内容更具多元性。

(三)抓实评价与STEM要素的融合点

教学评价既担任了对教学效果的检测与反馈，又担任了对教学过程的监测与调整，是调适探究式学习过程的重要手段。而在STEM教育中，评价是其九大特征之一，不容忽视。如何组织实施教学评价、充分发挥评价反馈功能、充分调动每一名学生积极主动参与评价过程并享受“评与被评”的乐趣，是将探究式学习推向深入、将学生的思维引向高阶发展的关键。

例如，在教学苏教版小学科学五年级下册第二单元第2课“搭支架”时，教师可以引导学生在任务驱动下设计一款手机支架。在开放的任务面前，每个小组设计的作品各不相同，要想通过评价与反馈点燃学生的自我调整与改进思维，评价环节的设计和组织就显得尤为重要。“每一名学生都是评价的主体”，这是评价环节的核心要义。教师可以组织各小组在自我评价的基础上开展组间交换作品相互评价，通过评价记录单引导每个小组成员都参与观察并评价他人的作品，实现有限时间内扩大生生互评参与面的目的。每一个小组既是被评价者，又是评价者；既可以亮出自己的作品，接受反馈并改进，又可以获取他人作品的启迪，启发创新思维。

综上，STEM教育理念与探究式学习有共通之处，也有所区别。在实际教学过程中，结合学生认知水平和教材特征将STEM理念有机融入探究式学习过程，可以使学生更主动地参与科学的探究过程，体验探究学习的乐趣，促进学生科学思维的发展和科学品质的提升。