STEM教学案例的实施策略

科学课程标准指出，人类在与自然界打交道的过程中，为了适应自然、改善生存条件而产生了技术；人类对已有的物质材料和生活环境加以系统的开发、生产、加工、建造，以满足人们的需求，就产生了工程。现代技术、工程和科学相互影响与相互促进，越来越密不可分，共同推动了社会进步。工程活动的本质是创造人工实体，设计与物化是其中的重要环节。STEM教育强调科学、技术、工程、数学的互相融合，不仅引导学生从不同的切入点理解科学与技术知识，还让他们用所学的知识进行实验探究，解决实际问题。由此可见，STEM教育的理念与我国科学课程改革的要求有着异曲同工之妙。

在教学中我们发现，学生在解决实际问题时，通常只会依靠从课堂上获取的科学知识，这是远远不够的。现实中的问题还需要他们运用综合思维能力，在充分调动已学知识的同时，发散性地运用跨学科知识，这样才能有效地解决问题。由此，我们从目标设定、内容呈现、师生角色、学习驱动方式、评价方式这五个维度比较传统教学与STEM教学（见表1）。STEM教学的特点是：课程目标制订有明确依据，任务目标清晰；课程内容中素材的选取贴近真实生活，并融入了跨学科知识；采用以实验探究和工程设计为主的项目式教学模式；教学评价多样化，充分考虑了学生学习的主体性；等等。现以“我的植物工厂”项目为例，探讨STEM教学的实施策略。

一、明确课程目标

根据课程标准和学生学情，我们制订了如下课程目标。

科学观念：知道技术与工程改变了人们的生产和生活，种植技术的改变能提高植物的产量和质量。

科学思维：能比较全面地分析影响植物生长的各种因素；能针对具体问题作出假设，基于情境提出观点，建立证据与假设之间的联系。

探究实践：查阅资料，设计并讨论“植物工厂”的建造方案；能尝试运用所学科学原理制作简单的装置，进行模拟演示，并简要解释如何提高植物的产量和质量。

态度责任：小组成员合理分工，在活动中积极协作、互相帮助；积极参与展示分享，认真聆听其他组的汇报，相互给予意见和建议；坚持观察记录，通过分析数据寻找植物工厂的不足之处并加以改进。

二、创设生活化情境

STEM教学强调科学、技术、工程、数学的融合，不仅注重引导学生从不同的切入点理解科学与技术知识，而且让他们用所学知识进行探究实践，解决实际问题。因此，情境的创设应联系学生的生活实际，让他们积极主动地投入探究活动中。

本项目创设了如下情境：我们生活在高楼林立的城市中，土地资源十分有限，却向往着田园牧歌的生活，希望吃到绿色、无污染的新鲜蔬果，怎么办呢？这个情境激发了学生的兴趣，聚焦项目主题“植物工厂”。教师适时引导“如何在有限的空间里种植植物？如何提高植物的产量和质量”，进而提出驱动性问题——影响植物生长的因素有哪些？学生分小组讨论确定各自的研究主题，开展科学探究。

三、提出驱动性问题

驱动性问题的提出表面看是为了解决具体的问题，实际指向的是核心知识。这个核心知识可以是学科知识体系中的核心概念，也可以是跨学科概念。本项目中，“影响植物生长的因素有哪些”这一问题的提出，不仅仅是为了完成种植植物这样一个项目，更为重要的是帮助学生深层次地理解学科核心概念。学生知道，要想植物长得快、长得好，就要考虑光照、水分、土壤、温度等因素，进而整理出项目的研究问题（如图1）。通过开展项目化学习，我们希望帮助学生建构概念：植物的生长和环境息息相关。

四、重视体验与合作

STEM教学以项目为载体，通过探究活动让学生主动构建知识，并应用所学知识解决真实问题。学生以小组为单位，按照一定的流程开展探究（如图2）。活动的每个环节都注重体验与合作，既激发了学生的探究乐趣，也培养了他们的实践精神。

本项目从问题的提出到方案的设计、从材料的准备到实验的实施、从数据的收集整理到撰写研究报告，都让学生经历了丰富的实践过程，如查找资料、选种、播种、种植、日常管理、收集信息等一系列任务。虽然植物的种植与观察记录需要很长时间，但学生积极的心态和高涨的热情支撑着他们的探究。每个学生都参与其中，对植物的生长情况了然于胸，为了完成植物工厂的研究付出了大量的心血。可以想象一下：当学生看到第一株幼苗破土而出时会是一种什么样的心情；当学生看到自己精心设计的自动供水系统开始工作时会是一种什么样的心情；当学生发现实验组和对照组的植物长势明显不同时是一种什么样的心情。这些持续的、丰富的学习实践必然会给学生带来不一样的学习体验，加深他们对科学知识的理解。

五、规范设计与实证

科学探究实践的过程要遵循科学本质的实证性。我们要促进学生按照科学的原则设计实验，基于证据验证假设并得出解决问题的方案，让规范的工程实践帮助他们认识和运用科学规律。

本项目中，每个组围绕各自的研究问题开展对比实验。从设计图（如图3）中可以看出：学生写出了控制变量的条件，所选材料的尺寸、数量也都有清晰的标注。这既保证了制作的顺利进行，也为后续的反馈评价提供了依据。学生通过每天收集信息可以发现一些问题，为后续的方案改进提供了有效的数据支持。

例如，有的组为了研究色光对植物生长的影响，把白菜分成了两组，只改变光的颜色，其他条件保持不变。学生通过观察对比两组植物生长的情况（植株的高度、色彩等），最终得出结论：植物的生长与光的颜色有关。在这个过程中，学生需要思考在实验中要改变什么条件，要控制哪些条件，怎样运用工程和技术的方法来实现对实验条件的控制和改变，需要收集哪些实验数据，怎样整理实验数据，怎么对实验数据做出合理的解释等。很明显，学生在实验过程中需要综合运用观察、测量、比较、分析、推理等多种学习策略（如图4）。

六、倡导评价方式多元化

STEM教学的评价是一个系统性的评价过程，教师要对学生进行全方位的评价，不仅包括原有的学科基础知识与基本技能，而且包括态度责任等方面（见表2）。

以上评价方案注重学生的自我评价和各小组的互动评价，将总结性评价、过程性评价有机结合。它不仅重视对最后结果的评价，还注重对项目学习过程中学生计划实践、分工合作、交流表达、分析问题、解决问题等方面的评价。