基于STEM教育理念的小学科学教学设计研究

2024-01-13宗若灿

辽宁教育 2023年23期

宗若灿

（营口实验学校）

STEM 教育是融合科学、技术、工程和数学于一体的综合教育，以项目或问题驱动的方式进行活动，在活动中强调从多学科、多角度创造性地解决实际问题。在STEM 教育理念下，教师通过创设真实的探究情境，以具体的研究项目为驱动任务，以问题为引领，通过激活学生的科学思维，引导学生综合运用所学的知识创造性地解决问题。STEM 教育注重跨学科的学习方式，强调在探究过程中展开动手实践，学生能够通过强化知识的运用，增加实际操作的体验，激发学习的热情，促进与同伴之间的沟通、协作。小学科学是一门综合性很强的基础课程，涵盖了物理、化学、生物、地理、天文、数学、劳动等多学科的知识，倡导以探究实践活动为主要的学习方式，课程内容包括物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程等领域的知识，每个领域中都包含大量的STEM 教育内容。因此，将STEM教育理念融入小学科学探究实践中，可以强化学生的动手实践能力，激活学生的科学思维，提高学生解决问题的能力，促进学生的合作交流，更好地提升学生的科学核心素养。

STEM 教育理念的内涵是跨学科融合，突出学科间的联系，倡导项目式学习，教师要引导学生发现问题，综合运用多学科知识，在动手实践中解决生活中的实际问题。在教学设计时，教师要针对学习内容，分析完成STEM 教育所需要的材料、知识、技能、方法，设计出融合STEM 教育理念的教学目标，明确教学流程和教学评价。

一、基于STEM 教育理念的小学科学教学设计整体流程

STEM 教育以项目研究为突破口，倡导学生综合运用多学科知识，在情境中发现问题，以解决问题为目标展开科学探究。将STEM 教育理念充分融入小学科学教学时，教师要以项目学习的方式引导学生在真实的情境中发现问题，在动手实践的过程中创造性地解决问题。在进行教学设计时，教师可结合以下教学流程展开（见图1）。教学活动主要包括观察发现、提出问题—科学探究—工程设计—成果展示、评价交流四个环节，其中观察发现、提出问题环节是开展STEM 教育的基础，工程设计环节是开展STEM 教育的核心。各环节之间相互影响，有机融合，都注重在问题中激活学生的科学思维，促进学生自主参与探究的全过程，使学生能够灵活运用知识解决实际问题。

图1 基于STEM的小学科学教学流程

观察发现、提出问题环节需要教师创设真实的探究情境，为学生提供充足的探究资源，在此基础上引导学生进行科学观察、发现问题，进而提出有价值的探究问题。此环节重在激趣引思，使学生带着问题开展深度探究。科学探究环节需要教师引导学生针对提出的探究问题展开合理的猜想，进行验证假设，经历“提出问题—作出假设—制定计划—验证假设—表达和交流”等探究的过程。此环节重在提高学生参与的主动性，使学生明确探究的任务，掌握探究的方法。工程设计环节需要教师在科学探究结果的基础上，指导学生有效开展项目设计。此环节重在合理设计方案、进行有效指导。成果展示、评价交流环节需要教师为学生搭建展示成果的舞台，各小组间进行评价交流，不断完善作品。此环节重在作品展示、多元评价。

二、基于STEM 教育理念的小学科学教学实践应用

基于STEM 教育理念设计的教学活动要体现出多样化的教学方法、综合性的知识内容、项目化的学习方式、多元化的评价方式，注重对学生问题意识、动手实践能力、问题解决能力的培养，使学生在动手探究的过程中提高综合素养。

（一）选择教学内容

“太阳钟”是苏教版科学教材四年级下册第2 单元“地球、月球与太阳”中的第4 课，它是地球与宇宙科学领域的重要教学内容。在传统教学中，教学方法主要以讲授法、探究法为主，教师将日晷的计时原理和结构以讲述的方式传授给学生，学生虽然掌握了相关知识，但没有经历思考的过程，主动学习意识较差。教学过程中，教师缺乏对日晷结构和原理的分析，学生并不能展开深度探究，无法体会到知识应用的价值，更无法培养科学核心素养。“太阳钟”主题具有综合性、实践性、探究性等特点，开展STEM 教育可以激活学生的科学思维，在跨学科学习的探究过程中全面提升综合素养。

（二）确定学时

主题探究实践活动是一个长周期的教学活动，本次STEM 教育实践活动需要7个学时。其中，地球自转的状态、北京时间、真太阳时、正南方向、地理纬度等理论知识的学习以学生自主探究的方式开展，引导学生利用网络及建立模型开展探究，用2 个学时。教师引导学生进行成果汇报与交流，使学生初步理解日晷的制作原理等，用1 个学时。在学生获得了对日晷的初步认识后，成立探究实践小组，每组6 人，共7 组，然后分组开展日晷装置的工程设计，其中包括设计、完善方案的汇报交流等活动，用2 个学时。小组动手实践，制作日晷作品，用1 个学时。最后，展示与评价日晷作品，用1个学时。

（三）分析教学目标

教学目标除了常规的三个维度外，还要体现STEM 教育理念的教学目标，具体列出科学、技术、工程、数学四个方面的目标要求。针对五年级学生的学习特点、认知规律和学习基础，设计恰当的教学目标，可以为学生主动发现问题、创造性地解决问题指明方向。STEM 教育理念下的课堂有别于其他常规课，要突出科学知识应用、动手实践创作、工具技术使用、工程图纸设计、数学实际应用等活动设计。在教学设计时，教师还要考虑为学生提供充足的探究资源。

在学习“太阳钟”一课时，学生在制作日晷前，要明确日晷的原理、结构、样式，了解制作晷盘、晷面、晷针、底座等的材料，知道地球自转的状态、北京时间、真太阳时、正南方向、地理纬度等常识；在动手制作时，会用适当的工具画出直径稍大一些的圆形，会用剪刀、量角器、直尺、胶水、锥子、指南针等工具，制作、黏合日晷的各个部件；在测试时，能对照制作任务方法及要求展开调试，并能做出合理的调整和优化。本课具体的教学目标设计详见表1。

表1 “太阳钟”一课教学目标

（四）教学评价设计

在教学中，教师可采用多元化教学评价，从不同维度对学生的学习能力进行综合性评价，可以用过程性评价与总结性评价相结合的方式，提高学生的科学核心素养。过程性评价是教师对学生在STEM教育实践活动中的参与态度、探究能力、合作意识、交流能力、加工处理能力、绘图能力、设计能力等各维度表现进行综合性评分。总结性评价是教师对学生提交的作品从实用效果、展示效果、耐用程度、美观程度等方面进行综合性评分。

（五）具体教学过程

本课是基于STEM 教育理念的教学设计，因此要包含科学、技术、工程、数学四个方面的维度，从科学的角度提出问题“日晷的计时原理是什么？日晷的晷面为什么要倾斜摆放？”从技术的角度探究“怎样确定日晷的晷面与地面的夹角？”从工程的角度利用合适的材料制作计时准确的日晷，从数学的角度设计日晷晷面的形状、计时刻度并分清正南方位。通过创设真实的情境，学生能在科学探究和工程设计制作的过程中主动获取科学知识、掌握探究方法、领悟科学精神。

1.观察发现，提出问题

教师可以通过创设各种问题情境，引发学生深入思考，提出有价值的探究问题，如播放古人观察太阳东升西落的动画，引导学生找出旗杆影子的变化规律，学生会发现旗杆影子均速地由西向东移动。教师启发学生思考：你能猜测出古人是怎样计时的吗？在学生交流后，教师出示日晷的教学模型，让学生观察日晷的特点，引导学生从工程师的角度思考，提出问题：日晷的晷针为什么不是垂直地平面，而要倾斜一定的角度？这个倾角到底是多少度？

2.科学探究

教师引导学生根据“作出假设—制定计划—验证假设—表达和交流”的环节对晷面倾角的问题展开深度探究。在作出假设阶段，教师将日晷的晷面平放在操场上，学生会发现日晷上显示的时间与标准时间相差半个小时左右，而当晷面与地面呈现一定的角度后，日晷的计时再次准确起来。这时，教师出示地球仪，引导学生观察地轴。学生会发现地轴是倾斜的，地轴与赤道面是垂直的。通过对比观察，学生激活了科学思维，展开了大胆猜测：日晷的晷面与赤道面平行，晷针与地轴平行，晷针与地平面的夹角等于当地的纬度。随后，教师引导学生制定计划，用数学方法验证晷针与地平面的夹角与当地纬度的关系，并用模拟实验的方法再次进行验证，再通过交流深度理解日晷的晷针与地平面这个倾角。

3.工程设计

进入工程设计环节后，教师要对学生的活动进行适当指导和调控，使学生在确定完善的优选方案后，根据工程设计的思路进行日晷设计。晷针与地平面的倾角等于当地的地理纬度，这个角度是否准确是制作日晷的关键。各小组可以根据自己的方法设计日晷的外形，准确测量出这个角度。各小组沿着“确定问题—设计方案—制定标准—设计原型—效果测试—改进完善—发布成果”的思路开展日晷装置的设计与制作。

4.成果展示，评价交流

小组成员可以分工负责汇报的内容，介绍日晷的工作原理、使用方法、测试结果、制作过程和注意事项。在小组成员进行日晷作品展示交流时，其他小组和教师要根据作品评价单进行打分（见表2）。教师要对学生的作品进行总结，指出作品的优点和设计制作过程中存在的问题。