STEM项目学习，驱动科学课堂

蒋际君

(福建省尤溪县实验小学 福建 尤溪 365100)

1.理论依据与模式

2010 年以来，西方世界刮起了一股STEM 教育的科学教育改造之风。人们之所以要提倡从更加综合跨界更加强调动手实践、体验学习角度来学科学,是因为随着移动终端为载体的智能化信息技术向各大生活、工作领域的全面渗透,人类的生活、生存方式将面临巨大的改变。这对生活在这个时代的人的素养要求提出了极大的挑战。人们只有具备面对现实世界、综合跨界的思维方式和分析解决问题的能力,才能从容面对这些变化。

STEM 教育就是集科学、技术、工程、艺术、数学于一体的综合教育。STEM 代表科学(science),技术(technology),工程(engineering),数学(mathematics )。为了让学生在学习科学的过程中获得更综合的知识、创新的思维和实用的技能，更深刻地理解科学技术的本质，科学教育专家提出以STEAM 项目研究的方式让学生学习。

STEM 教育从形态上讲不是一门课程,而是一种以分析解决现实问题为载体，以动手实践和体验学习为途径的教育方式。所以至今为止,STEM 教育有从建筑、交通、机械、医学、农业、能源、生物、环境、食品等各类工程角度提出来的STEM教育活动包，也有从跨学科角度提出的设计、制作、建模，创意等活动任务包。这些STEM教育的共同点是关注了人们对科学内涵的多角度、多元素的大综合教有。包括知识和技能、探究方法和能力、情感和态度、科学的价值观和信念，所以它是一种以解决现实问题为主的大概念科学教育。

随着科学学科内涵的不断拓展，科学学科的课程结构越来越难以驾驭。美国科学家提出了当代的科学课程应该是由核心概念、实践、跨学科概念三元素，像梳小弊一样相互交织在一起组成的三维课程。但这也只是一种解释性描述,并没有一个清晰可供参照的结构性实施操作流程。这是小学科学课程建设的两难命题:假如把学科定义为单一教学目标，采用简明的教学内容,可以有清晰的课程结构和便于操作的教法和学法,教师的教与学生的学都很方便,但是学科的教育功能会因此缩小;假如不断扩大学科的教育功能,采用全方位的学科教学目标，多元综合的教学内容,主题式活动课程结构和实践体验式教与学的过程,则会对教师如何教、学生怎样学提出更高的要求。

STEAM 项目学习可以让学生学会如何进行技术与工程实践活动，也培养出批判、创造等各种能力。特别是本领域强调以动手实践或实地观察的方式进行学习，使学生获得处理事务、解决问题的能力。通过实践活动也让学生了解到技术与工程实践过程中，细心、面心，务实和实事求是的重要性。本领域内容的学习能够做到科学教育与工程技术教育的整合，可以增强学生对科学以及科学、技术与工程之间关系的理解，为将来形成正确的科学观和社会价值观打下基础。同时学生也了解到科学与技术的发展对人类生活的影响，学会使用和管理科学与技术以适应现代化的社会生活。

2.构想与框架

STEM代表科学、技术、工程和数学，是一种新型综合性教育概念，也就是改变以往的分科制教学，将科学、技术、工程和数学进行学科间融合，对学生进行综合性教育，使学生灵活掌握多种领域的知识，能够在解决科学与数学问题时，与生活实际相结合，更有助于培养学生创新性思维，获得更大进步和成长。

2.1 在STEM理念引领下，设计科学探究活动。获得学科的综合知识、思维的创新和技能的应用是为了让学生在学习科学的过程中能更深刻地理解科学技术的本质，科学教育专家提出以STEM 项目研究的方式让学生学习。提出问题是科学学习的最初起点,如怎样让杯子的水更快的变凉?工程学则源于需要解决的某个难题。例如如何样让房子更保暖? 看似没有关联的两个问题，其本质却都是物理中能量的传递知识。当教学围绕这个本质展开时,就有了一条隐形的线索,将科学和工程问题有效地结合在一起。可见,STEM 的教学并不是简单地将科学与工程组合起来，而是要把学生学习的零碎的知识与技术过程转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程。在科学、技术、工程、数学之间存在着一种相互支撑、相互补充、共同发展的关系。如果要了解它们,尤其是它们之间的关系,就不能独立其中任何一个部分，只有在交互中，在相互的碰撞中，才能实现深层次的学习、理解性学习，也才能真正培养儿童各个方面的技能和认识。可见,当教师在考虑如何将STEM 教育引入中小学科学课堂时,必须将它们看作四种彩线,交织、融合在一起,才能织出绚丽的画卷。

2.2 在STEM资源背景下，优化科学探究活动。STEM教育坚持动手“做科学”,要让学生自已探索制作的方法和技巧技术与工程领域的教学提倡“做中学”，在实际的操作过程中，学生把自己的想法用作品体现出来,将极大地加深学生对知识的理解。理论是智慧的结晶，技术却是物质形态,制作的过程实际上是应用演绎法来实践技术制作的过程。从设计到动手,再到美化,是动手操作的一系列程序,在这些环节中，教师要引领学生思考,让演绎推理参与整个实际制作的过程。没有思维参与的制作，是没有教学价值的活动。而一切思维的关键在于学生所学的理论知识在本课中是否能够灵话运用，能否在实际的动手操作过程中进行思考,把所学的理论知识融会贯通到课堂教学中，是否遵循演绎法的教学规律。在工程实践活动中，要给学生主动探索的空间,即要让学生自己去尝试,通过个人的经验(即使是失败的经验)来学习,面不是向学生灌输技能、技巧。否则，学生就变成了“手工匠”，学生的学习也就变成了机械训练。

2.3 在STEM主题活动中，拓展科学探究活动。根据小学低年级学生的认知水平和年龄特点,在此阶段要让他们更多地体会科技产品给人们带来的各种各样的便利、快捷和舒适,如电灯给人们照明带来的方便、手机给人们通话带来的方便等，体会技术与工程的产品能够让人类生活得更加舒适和美好，当然,也要知道如何安全妥善地使用生活中的常见的工具，如剪刀、钳子等。学生还可以认识生活中常见仪器和工具，了解它们对人体器官的拓展功能,如显微镜、传感器等。了解常见的数字传感技术和传感器，知道现代数字传感技术高度发达,能够更精确地测量和工作。到了中年级,学生需要了解与人类生产生活密切相关的六大技术领域的相关产品，并且能够说出制造技术、运输技术、建筑技术、能源技术、生化技术、通信技术的产品。例如，人类需要着衣裳遮身避寒、抵御野兽攻击和伤害——纺织、印染、缝制技术,武器制造技术等;人类需要出行、车、船、飞机来运输货物——运输技术;人类需要住所以避-建筑技术;人类需要各种能源来照明取暖——能源技术;人类需遮风挡雨和交通方便要获得稳定的食物来源和医治疾病——医疗生化技术、农作物栽培、家禽饲养技术;人类需要交往、保持联系——通信技术。学生通过这个阶段的学习,要能够说出每个技术须域主要的技术产品，了解该领域的一般技术原理,例如,知道声音、光等可用来传播信息。

3.实施思路与策略

我校从2009年以来，发挥科技教育特色和优势，投入30多万的资金购买多套适合小学生搭建、编程使用的机器人器材，开展集教育性、科技性、趣味性于一体的以机器人为载体的STEM项目教学活动；2014年建立了机器人实验室，配备了STEM项目教学训练专用教室，成立学校机器人教学中心教研组，开发了STEM项目校本课程《小创客——玩转乐高机器人》、《小创客——玩转Arduino开源机器人》、《小创客——简易机器人结构设计与程序逻辑》，以及配套的低、中、高年级学生使用的学习手册。具体的校本课程(乐高)：惯性小车-回力小车-动力小车；社团课程*创客(microbit+乐高)：赛道接力-足球小车；社团课程*编程(python)：C(语言)+Python；创新课程*综合创新：FLL-WRO-创新大赛-创意编程；创新课程*综合创新：3D打印-激光打印-无人机；树莓派一体学习平台的学习平台。STEM项目校本课程面向我校全体学生，实现学校“开放式STEM项目课程”和“个性化社团STEM项目活动”的有机融合，创造性开展“普及+竞赛”的教育模式。

开放式STEM项目课程个性化社团STEM项目活动对象五年级全体学生对象一至六年有兴趣的学生教材《结构设计与程序逻辑》教材低、中、高活动手册课程每周一节校本课程课程每周两节社团活动目标通过校本课程的实施,普及机器人基础知识,初步培养学生的创新意识和实践能力,培养学生喜欢探究新事物,能面对问题,克服困难,不断求解的思维品质。目标以低、中、高机器人活动手册为基础课程,结合每年FLL机器人工程挑战赛主题规则,培养学生应用机器人进行设计、搭建、编程来解决现实世界中的问题综合创新能力。

历经十多年的不懈努力，我总结、提炼，汇编了三大STEM项目教学体系：通用课程(活动为主)-分学段活动(任务为主)-综合创新(竞赛为主)

3.1 以活动为主的STEM项目教学样式。以活动为主的STEM项目教学,无论是单一的方法训练活动,还是一个相对比较完整的全过程探究活动,呈现的内容主要以提出并展示活动为主，所以不能像一般教科书那样采用大段的文字叙述做课文。STEM项目教学与普通学科课堂教学最大的不同在于以机器人为载体的STEM项目教学是以探究学习为主的教学过程，不是单一的理论知识的学习，也不是理论逻辑的推理，而是用机器人的套件作为学习平台通过自主设计、合作搭建制作出机器人的结构。这些积木件是物理存在的，不是虚拟的搭建，更不是纯理论的演绎推理。这些结构的设计和动手制作能充分发挥学生想象力，培养学生的动手能力和创造力。如教学“灭火机器人”这一课时，学生使用各种结构零件、传感器等，根据走迷宫的实际需要来设计搭建一台机器人。有的学生设计出的机器人跑的速度快，有的跑的慢，学生互相比较后发现是由于齿轮的转速比不同造成的，学生总结后进行多次改进终于达到了理想中的速度。教学中学生通过反复的动手，明白了设计搭建机器人要符合物理工程、力学等科学知识。运用积木件，学生从设计到搭建，不但理解了机器人结构设计与搭建的奥妙，也使手变得灵妙起来。以机器人为载体的STEM项目教学尝试把一个个从问题的提出到得出结论,相对比较完整的科学探究活动作为科学教材的内容单位,强调围绕问题解决的综合科学探究过程体验,不再把单一的科学探究方法作为主要的训练对象。

3.2 以任务为主的STEM项目教学样式。随着科学教育从知识技能教学转向以发展学生的科学素养为主，人们越来越感到课堂教学在时间与空间上的局限性。课堂里能够完成的探究活动往往是事先精心设计的高结构活动,只能涉及探究的一个或几个环节，一个或几个内容点，学生只需按程序走,既不充分也不完整。由此习得的探究能力也是机械的、碎片的,并不能培养学生独立、完整的科学探究能力。以机器人为载体的STEM项目教学不是单纯的一次活动或比赛，更不是纯粹为知识的接受而学习，而是通过学生的机器人实践活动作为平台来提高学生科学探究的能力，从而提高学生的科学素养。与此同时，把在STEM项目教学中培养的科学素养与科学小发明等其他的科技活动结合起来。鼓励学生大胆地将以机器人为载体的STEM项目教学实践活动所学的创新知识应用到生活和学习中，激发他们创新兴趣，提高学生们的创新精神和实践能力。例如：有位学生在上了《传感器的认识及使用》这一模块后，和我交流了想法：有一次他到打印室领取半期考试卷，发现打印室的老师在打印全校学生的试卷时，每打印50份试卷后，打印机暂停，取出试卷，再启动打印机，打印室的老师重复这样的操作直到全校的试卷打印完为止，忙活了一上午，比较辛苦。学生产生了“利用机器人套件，应用传感器功能，设计一个能自动分发打印试卷的辅助装置”的想法。学生经过两个月的研究，成功研制出了“打印机、复印机纸张智能分发装置”，使用时只要输入打印的总数和每个班的具体数量，启动后打印机智能地分发好每个班的数量，不用人工分发，作品参加当年的福建省青少年科技创新大赛荣获一等奖。因此，一种以任务为主的STEM项目教学出现了。这种教学采用大单元的内容组织和编排方式,希望围绕一个探究主题,通过一组相互关联的探究任务和实验,让学生经历一次过程相对完整的、系统化的科学主题探究活动，以此培养学生的科学探究能力。

3.3 以综合创新为主的STEM项目教学样式。这几年在全球出现了STEM项目教学，试图把科学教育推到一个更高的层面，与日常生活、生产劳动、技术工程中的现实问题相结合，培养学生认识和解决现实问题的能力,而不只是以往学科教学中的虚拟人造问题。STEM项目教学是一门跨多学科领域的技术，其中囊括了数学、物理、电子、信息技术、机械工程等技术知识。STEM项目教学所用的载体是要对各种零部件认识和使用是物理学中声、光、电、力等知识最直接的实践；STEM项目教学所用的知识是物理学中匀速、变速、惯性等力学知识的最好的实验平台；作品中机械结构搭建是物理仿生学的直接体验。作品的程序设计是依靠数学建立模型，实现机器人预期的功能，解决实际的问题。结构的设计与实现是物理知识在现实中建构的过程，程序的算法就是一个高级的数学模型，合理的算法程序是对自动化信息加工和处理的应用。例如：在校本课程学习的最后模块《创意比拼》中，学生将一学年所掌握的机器人知识和能力，用一个自己喜欢的主题作品来展示。学生制作出了“智能风扇”“智能小区升降系统”“智能小交警”“货车横开式车厢后门关闭检测装置”“基于横栓式挂锁教室电源自动关闭装置”“农村长途客车乘务智能管理系统”等一大批跨学科，具有现实创新意义的作品。其中“农村长途客车乘务智能管理系统”这一作品学生是利用机器套件开发完成的。学生在生活发现我国家幅员辽阔，农村人口多，客车超载现象在农村长途客车上尤为严重。在农村长途客车途经的乡镇、村庄站点较多，为了方便客车乘务的管理，客车上除了司机都还配有一名乘务员。学生想开发一套系统来替代客车上的乘务员工作，每位乘客上车后将车票装入带有条形码扫描仪的小框中，扫描仪将读到的条形码信息发送到车载数据处理终端，车载数据处理终端及时向客运中心的数据处理终端发送全车乘客的上下车情况，进行全程监控。这一作品的意义在于不仅可以大大降低农村长途客运成本，做到乘务工作无人值守，客运中心还能对每一趟农村长途客车的运行情况实时全程监控，有效遏制超载现象的发生。给予广大乘客最大限度的人文关怀，大大方便农村老人的出门乘车。学生将机器人课堂教学中学到的各科知识和能力在创意作品中得到应用，学科的技能得到训练，同时关注社会问题，还培养了综合创新实践能力。

由于以机器人为载体的STEM项目教学强调以现实问题为导向的解决方案和经历体验，因此涉及的知识内容必然是综合的、跨学科的，不但要求学生会动脑思考和设计解决问题的思路与方案,还要求学生会动手实践，自己找材料和工具把头脑中想到的东西做出来，并能进行展示、交流和评价。在科学、技术、工程、数学之间存在着一种相互支撑、相互补充、共同发展的关系。如果要了解它们,尤其是它们之间的关系,就不能独立其中任何一个部分，只有在交互中,在相互的碰撞中，才能实现深层次的学习、理解性学习,也才能真正培养儿童各个方面的技能和认识。可见，当教师在考虑如何将STEAM 教育引人中小学科学课堂时,必须将它们看作五种彩线,交织、融合在一起,才能织出绚丽的画卷。