基于校本资源STEM教育的实践与探究

张宏平 赵连儒

摘 要：STEM教育是全球热门的教学改革方式之一。在我国STEM教育方兴未艾，STEM课程特别是校本资源的STEM课程开发相对不足，制约STEM教育的深入开展。文章介绍立足校本资源，从人们的实际需要、生活现象和现有工具设备的缺陷、教材中的综合实践活动、教材问题的拓展延伸中挖掘出STEM教育素材，或从他人STEM教育成果中挖掘校本特色的STEM教育素材的策略。把人们还没有解决的真实问题作为研究素材，物化研究成果参加各类科技创新竞赛，激发学生学习积极性。按STEM要求甄别素材，课程的实施处理好分科与跨学科学习、STEM课程整体设计和分步实施、教师的限定和学生的自主探究的关系，以此开发校本特色的STEM课程，高效地服务于教学。

关键词：STEM教育；校本资源；STEM教育素材

中图分类号：G632   文献标识码：A   文章编号：1673-8918（2023）16-0006-05

STEM教育强调基于真实情景，以解决现实生活中的实际问题为驱动，综合应用科学（S）、技术（T）、工程（E）、和数学（M）领域知识，在解决实际问题的过程中探索学习知识，提升素养，其跨学科教育的特性弥补了传统分科教学的弊端，培养目标与培养复合型创新型人才的时代要求吻合，是全球热门的教学改革方式之一。但STEM教育在我国方兴未艾，在理论层面探索多，实践环节研究相对较少，STEM教育课程的自主开发相对不足。虽有第三方机构为学校提供可直接使用的STEM课程，但这些课程不能完全适应每个学校的实际情况。本研究尝试探索在借鉴吸收他人STEM课程资源基础上，立足校本资源和实际教学需求，挖掘STEM教育素材，开发校本特色的STEM课程，使STEM教学更加灵活、便捷、更具实效性。

一、 素材的来源

（一）基于生活经验挖掘素材

“教育和心理学研究表明：当学习的材料与学生已有的知识和生活经验相联系时，学生对学习才会是有兴趣的”。从学生熟悉的现实生活中挖掘出融合多学科知识才能解决的问题，作为STEM教育素材，更能激发学生学习的兴趣。

1. 从人们的需要中精选STEM教育素材

“STEM学习是探究性学习，探究必须从问题开始”。人们的需求是推动社会技术进步的直接动力。认真观察日常生活中人们存在的问题和需求，选取那些用学生所学的多学科知识，经过努力才能解决的带有挑战性任务，作为STEM教育的素材，学生会有更大的学习兴趣。例如，寒暑假来临，学生在学校教室种养的盆花浇水就成了问题，学生希望在家中就能完成学校盆花的浇水问题。围绕这一问题的解决，可以整合的生物学知识：植物生长需要的空气、水分、适宜温度等条件，植物根吸收水分，茎的疏导，叶光合作用和蒸腾作用，不同花卉叶片大小不同，根系发达程度不同，对温度、浇水多少与频率要求就不同，不同的生物需要不同的环境等。物理学科水的三种形态的变化，雨雪的形成等。如何通过网络利用湿度传感器远程测量土壤湿度，利用网络远程掌握盆花土壤湿度问题，并通过网络远程控制浇水的时间、浇水数量，具体实施基于网络远程控制的滴灌控制系统的过程，涉及信息技术、工程，浇水的速度与时间的控制涉及数学计算问题。在这一过程中，学生不仅解决了在家中通过手机或电脑，远程给学校教室中的盆花精准浇水这一挑战性问题，而且学习了综合应用多学科知识解决问题的方法，提升了学生的核心素养。这些问题和相关知识整合起来就是STEM教育的素材。

又如，为防止烧水做饭时水沸腾后沸水外溢，人们需要防止溢水锅盖；天然气炉头安装火焰传感器，当火焰传感器检测不到天然气炉头的火焰时，天然气阀门立即关闭并报警，提醒主人立即采取必要的措施；把控制的电器开关改为通过控制光信号的通断，进而控制电路通断的结构，彻底防止人用潮湿的手触碰电器开关时发生触电现象；人们在医院输液体时，用液位传感器在液体临近输完时，给病人和医务人员报警；学生看书写字时，眼睛距离书本太近，可利用超声波传导信号警报，提醒主人调整坐姿等。先找人们存在的实际问题，然后从中精选那些利用学生所学的多学科知识可以解决的挑战性问题，寻求各学科之间的共同点和交叉点，分析学科知识间的内在联系，明确联系各知识点的驱动性问题，综合运用相关学科知识，研究和解决工程问题。把这些问题和相关知识整合起来作为STEM教育素材，既能解决人们生活中的实际需求，又可以让学生学习科学知识，提升学生核心素养，学生能够表现出浓厚的学习兴趣。

2. 分析已有产品的缺陷，从中挖掘STEM教育素材

分析现有产品中存在的缺陷与问题，针对问题提出解决办法，精选那些学生能用所学的跨学科知识解决产品缺陷，并制做出消除原有产品缺陷的全新产品项目，以解决产品缺陷作为驱动性问题，整合解决问题时所涉及的相关联的多学科知识，即可作为一个新的STEM项目素材。不仅使学生更好地提高学生分析问题、解决问题的能力，又能催生出新的有实用价值的新产品，解决人们生活中的难题。

声光控制开关是学校等公共场所普遍使用的电器自动控制开关，夜晚有人经过开关控制区域并发出声响后，开关控制的灯泡就会亮，但现有声光控开关当夜晚有过往的车辆等设备发出响声时，系统会误判为有人经过，灯泡会亮，浪费电能资源。针对这一弊端，在现有设备的基础上增加接收人体红外线的二极管及其相关电路，夜晚只有有人经过时，开关才闭合，灯泡才会亮。该问题的解决既涉及多学科知识，又催生出新产品，是理想的STEM教育素材。

3. 基于生活现象挖掘素材

像牛顿观察思考苹果落地发现万有引力定律一样，留意观察并思考生活中的每一个司空见惯的现象背后隐藏的科学问题，挖掘出现象背后包含的具有挑战性、用多学科知识才能解决的问题，作为STEM教育的素材。

从土地里新挖出的大蒜，如果把它植入土壤中或水培，大蒜并不發芽，深入探究这一问题，原来是大蒜在休眠。把新挖出的大蒜放在冰箱里冷冻几天，模拟冬季来临的环境，大蒜就“以为冬天已经过去”而结束休眠，然后再水培大蒜，大蒜就正常发芽。水培大蒜生长一段时间后，就会出现根部腐烂现象，围绕水培大蒜烂根原因探究与防治，可以整合多学科知识学习，植物生长的条件，种子的休眠、冬眠，涉及生物学科，大蒜的生长周期涉及数学知识。

诸如此类的生活现象很多，只要是用学生所学跨学科知识可以解决的问题都可作为STEM教育的素材来源。

（二）基于教材挖掘STEM教育素材

1. 教材中的综合实践改进后作为STEM素材

实施STEM的有效教学，“要发展学生的素养，教学最核心的是思维，STEM实际上最核心的还是‘做，不是按照程序做，而是让学生去思考、去设计”。科学教材中有动手操作的制作活动，常融合多学科知识，把这些实践操作加以改造就是很好的知识体验型的STEM教育的素材。

例如，“建高塔”是教科版小学《科学》教材中的制作活动。让学生动手建造高塔，体验上轻下重，上小下大，中间镂空的结构的高塔稳定性好、造价低且不易倒。什么样的设计可实现这些功能，该怎样制作设计，所用材料的长短规格的选用与计算等，综合应用科学、技术、工程、数学方面的知识。教材中用塑料吸管材料做骨架，用塑料胶袋来固定塑料吸管的连接部位，但用塑料胶袋固定和连接塑料吸管，其坚固性不理想，可让学生头脑风暴改进方案，如用芨芨草棍子代替塑料吸管，用建筑领域外墙保温用的阻燃隔热挤塑聚苯板或高密度泡沫塑料小方块连接芨芨草棍子，有不错的效果。或用L型牛卡纸护边做骨架，用螺丝连接牛卡纸护边，可以做出一个高而坚固的高塔，效果震撼。

教材中的类似的设计制作很多，如反冲力小车、做纸桥、做纸飞机、制作太阳能热水器、制作1分钟计时器、水火箭、气体火箭等，都可作为STEM教育的素材。

2. 拓展延伸教材中的问题作为STEM教育素材

教科版小学《科学》教材中有用1.5V干电池、导线、小灯泡组成的电路检测材料是导体还是绝缘体的内容，把被检测材料串联接入电路后，小灯泡亮，被检测材料就是导体，小灯泡不亮，检测材料就是绝缘体。把人体接入该检测电路，小灯泡不亮，按照教材的判断标准，人体是绝缘体，但日常生活中，有时会发生人体触电的现象，显然，人体应当是绝缘体。可以把人体是导体还是绝缘体作为驱动性问题，整合多学科知识来解决。引导学生讨论，把人体接入电路后，小灯泡不亮，是只有一种可能性，人体与小灯泡没有电流流过，还是人体与小灯泡没有电流流过和流过人体与小灯泡的电流太小，达不到小灯泡发光的条件两种可能性都有？在没有更加灵敏的检测仪器的情况下，拓展延伸给学生介绍三极管，三极管基极有微弱电流流过时，集电极、发射极之间就会有较大电流流过，相当于是把微小电流放大，在它们中间接入发光二极管，二极管就会发光。学生在教师的引导下，自己动手制作可检测人体、花草树木、潮湿抹布、泥土等是否导电的灵敏电流检测仪，用物理、技术、工程等多学科知识给驱动性问题给出了答案。

（三）有选择地借鉴吸收他人的STEM研究成果

自主开发课程并不排斥吸收他人优秀研究成果。他人的STEM素材与实施方案，既不完全照抄照搬，也不一味地拒绝排斥，而是采取批判的、吸收的态度，去其糟粕，取其精华，为我所用。对符合学生实际的优秀案例和素材，可以直接拿来为我所用，对其中有不妥之处，或有进一步完善意向的项目，可根据自己的需求加以改进。例如，有一STEM项目是让学生制作正好装一升牛奶的罐子，可改进为几个小组分别做不同形状的能盛一升牛奶的不同形状的容器，最后，教师在做好的容器中加入一升牛奶验证，看哪个小组做得最准确。另外，还可继续拓展，如果教师给你的是灵敏电子秤，只能称出牛奶的重量，该怎么办？由此引出重量与体积大小间的计算，将S、T、E、M有机整合在了一个项目中。

（四）兼顾研究解決真实问题与参加科技类竞赛

在选择STEM教育中的驱动性问题时，驱动性问题可以是人们已经解决的问题，让学生在学习的过程中、做的过程中验证、体验多学科知识在实际生活中的应用，同时也可以是人们还没有解决的实际问题，需要教师引导学生用跨学科知识去解决。坚持创新价值取向，同等条件下优先选择那些人们还没有解决的真实问题，鼓励师生能由此设计或改进开发出新产品，用多学科知识去解决人们还没有解决的难题，不仅能提升学生用跨学科知识解决实际问题的能力，设计开发的新产品还能参加各类科技创新大赛，让学生体验成功的快乐，还能激发学生的学习积极性，教师也能有更大的收益和成就感。

二、 素材的甄别

（一）STEM教育要有物化成果

STEM教育最出彩的地方就是技术和工程。STEM教育的学习是通过物化产品来进行的，STEM不能只有知识的学习，而没有终极物化产品。所选的素材中一定要有让学生动手操作的内容，要有设计和制作，也就是让学生在“做中学”。STEM要有需要解决的问题，不论你选择的问题是像文章中所述的建高塔、建纸桥、做纸飞机那样，问题的解决方案教材中已经提供，侧重于让学生在建造、制作的过程中，验证、体验教材已经学习的单元知识的具体应用，还是像解决杏仁外壳破壳过程中降低噪声问题，问题没有解决方案，是针对未知问题的探索，需要师生自己开动脑筋，综合应用所学的多学科知识，自己动手设计制作全新的低噪声杏仁外壳破壳机，解决杏仁外壳的破壳难问题，两种情况问题的解决都离不开物化的成果，物化的产品。这个物是学生自己动手做出来的，不同于科学实验中教师提供的实验设备和仪器的那个物。学生的动手也不同于科学实验中的那个动手。科学实验中的动手是如何用物品，而STEM教育的动手是用材料造新的物品。没有学生为解决问题而动手制作的终极物化产品，用再多的物体，动手做再多的实验操作，也不是STEM教育。作为项目最终产出的这个物化成果可以是多样化的，可以是一篇论文、一条结论，如大蒜水培烂根的原因，或大蒜水培烂根现象的防治措施就是一条结论；也可以是一个新产品，如低噪声杏仁外壳破碎机，是无中生有的新产品；还可以是原有产品的重大创新和改进，如红外线声光控制电器开关。

（二）STEM教育必须基于跨学科知识的学习

STEM强调有物化研究成果，但所选定素材“必须基于知识学习，而且是知识的综合学习”。必须以跨学科知识学习为基础，不能只强调物化产品和解决人们的难题而忽视跨学科知识的学习，强调发明创造而忽视STEM是基于项目、问题的探究，是为了提升学生的跨学科学习能力，为了在用跨学科知识解决实际问题的过程中更好地理解和应用学科知识。STEM教育强调创新，但不能把STEM教育等同于创客教育。STEM教育强调要有为解决驱动性问题而产生的物化成果，强调在制作物化产品过程中学习，而创客教育只强调发明出新的作品解决人们的难题，不关注学习过程是否发生。如果只强调解决问题和物化产品而忽视学习本身，所谓STEM教育就成了创客教育。

（三）STEM教育整合的知识必须有内在联系

STEM所选各学科知识之间在解决驱动性问题方面要有内在的联系，是基于解决驱动性问题的知识，是培养学生实践精神和创新能力相关联的知识。不能为了跨学科而跨学科，是为了解决问题而跨学科。整合的跨学科知识间不能是没有关联的一盘散沙，所整合的各学科知识点之间要有交叉点，各个知识点之间是一种融合关系，各知识点是服务于驱动性问题解决的。判断融合的标准是看这些知识是否存在关联，是否有利于驱动性问题的解决。跨学科整合是相互联系的知识的融合，而不是相互关联的知识的机械组合和简单罗列，是一种有目的的融合，而不是随意的组合。例如，探究花卉远程浇水系统，与水有关的知识很多，不能把与水有关的知识来个大罗列，只选与解决驱动性问题有关的水知识。植物生长的条件、花卉叶片的大小、叶片蒸腾作用、水的三种形态的循环，这些知识都与植物生长和远程浇灌有关，可以整合，但语文教材写水分的诗句，地理学科中我国水资源分布，化学学科中水的化学结构，数学上盐水浓度配比计算，水的体积重量计算，与主题无关，或相去太远，就不必整合了。科学课程的综合性、实践性特征，决定了适合跨学科整合的知识是科学知识，而不是文史类知识。不提倡教师绞尽脑汁去研究文科知识的跨学科教学，是否需要文科知识跨学科教学，看文科知识对解决驱动性问题有无关联。

三、 课程的实施

（一）处理好传统分科课程和跨学科综合课程之间的关系

传统的分科教学学生能系统学习专业知识，知识系统连贯，扎实，但只有分科知识的学习，没有跨学科知识的学习，弱化学生用跨学科知识解决实际问题的能力和创新能力。用跨学科的综合性学习代替分科学习，会使相互联系的知识相互割裂，知识的学习不系统。分科知识的学习不扎实，综合性学习失去了基础，不能用STEM分科学习取代综合的跨学科课程的学习。在经过一段时间系统的分科知识学习后，还需要以解决驱动性问题为载体，融合所学多学科知识解决驱动性问题，培养学生创造性解决实际问题的能力，检验体会知识在实际问题中的应用时在选择跨学科的STEM教育。必须以分科教学为主，综合的跨学科学习为辅。

（二）处理好STEM课程整体设计和分级实施的关系

STEM教育的内容整体要与学生的知识结构、认知能力匹配，可以在学生现有的知识结构基础上适度拓展，完成一些带有挑战性任务，以激发学生学习的兴趣。另外，还可以利用科学社团对学生进行某个领域、某个模块知识的学习，但学习的知识要有系统性、连贯性，基于学生学习的内容，对照学生学科知识分解到不同年级，让学生通过进阶，完成系统化的学习内容。不能跨学段、跨年级进行学生根本没有学过的内容，让学生死记硬背。

（三）处理好STEM中教师指导和学生的自主探究的关系

STEM教育强调基于生活中的实际问题的探究性学习，探究必须从问题开始。这个需要解决的基于生活实际的真实问题，可以由教师给定，也可以由学生自己收集。教师给定的问题，有的属于已有知识的验证，如建高塔，让学生通过动手实践验证上小下大，上轻下重、中间镂空、有三角形结构加固的框架结构的高塔稳定性最好，不是让学生固定的按照程序做，而是让学生去思考、去设计；有的属于对未知的问题的探索，比如，低噪声杏仁外壳破碎机，教师要加以启发引导，让学生自己去设计，去制作。如果是学生自己发现的问题，要加以一定的条件限制，“如果没有一定的限定条件，与科学家发现问题完全一样，本身不是学生的学习。因此，STEM的问题既需要开放和创造，也需要一定的限定”。否则，学生的研究会漫无边际，费时费力达不到预期效果。STEM教育不是學生按照教师公布方案按程序机械制作，也不是学生没有限定地完全像科学家那样的研究，而是在教师引导下有目的地自主探究。

四、 活动评价

（一）活动的评价

制订STEM评价方案与评价的指标体系，实施STEM教育的评价，是不断优化STEM教育方案，提高STEM教育成效，推进STEM教育深入开展的重要环节。STEM教育评价，可以由设计实施STEM教育的跨学科团队对课程的方案设计、实施过程、实施效果等进行评价，可以由学生评价，也可以委托STEM教学团队和学生以外的第三方专业评估机构评价。

（二）课程设计方案评价

主要看STEM四个模块是否都具备，是否设计有驱动性问题，是否重视学生的动手操作，是否有物化研究成果，跨学科的学习是否真正发生，是否整合了多学科知识，各跨学科的知识是否与解决问题相关联。

（三）课程实施过程评价

看是否体现了学生的主体地位，学生的思维是否活跃，学习是否真正发生，学生是否真正动手参与活动设计与制作，学生学习是否有积极性，教师主导是否恰当，是否有教师越位现象。

（四）课程实施结果评价

坚持定量分析与定性分析相结合的办法，对课程实施效果整体评价。看课程设计的目标是否达到，是否有助于学生解决实际问题能力等核心素养的提升以及物化成果的等级评价、学生对知识掌握情况的评价等。

总之，选择适合用跨学科知识解决的那些生活问题作为STEM教育素材来源，按知识是否有机联系，跨学科学习是否真正发生进一步去甄别素材，处理好课程实施过程中分科与跨学科等关系，STEM教育才能更加灵活、高效。

参考文献：

［1］杜娟，石雪飞，邹丽娜.核心素养导向的STEM教育［M］.北京：清华大学出版社，2021.

［2］吕延会.STEM教育的核心精神［J］.当代教育科学，2017（5）：16-19.

［3］胡卫平.创客与STEM整合的课程体系建设［J］.中国教育信息化，2019（2）：27-29.