以STEM理念优化科学技术与工程内容的教学

□俞晓东

《义务教育小学科学课程标准》在实施建议部分提出“倡导跨学科学习方式”，其对STEM教学给出了明确的解释，鼓励科学教师尝试运用于自己的教学实践。小学科学技术与工程领域的内容具有实践性、综合性等特点，在教学理念上与STEM 教育的理念不谋而合。建构基于小学科学技术与工程内容的STEM 教学策略，尝试小学科学课融合STEM 教学，能够更有效地促进学生创新能力和实践能力的发展。这也是目前小学普及STEM 教育的可行之路。

一、项目的进化——基于技术与工程领域，孕育STEM学习项目

小学科学教材的技术与工程领域包含很多制作、建造类活动，能够为STEM学习提供项目素材。如做一张叶画、做个指南针、做个太阳能热水器、设计制作小赛车等。但教材中的活动不是成熟的STEM 项目，它们在常规科学课中往往以课堂探究活动的方式出现。其中，一个探究活动往往聚焦一个单一性问题，一个问题的研究结论往往指向一个科学概念。而STEM项目的学习主线是“暴露问题—分析问题—解决问题”，并且这个过程是循环往复的。学生在STEM学习中会产生多个问题，且这些问题的指向是多维、发散的。

比如，某教师在执教教科版《科学》四年级上册《声音的变化》一课时，试图弱化对“声音的变化与哪些因素有关”这一问题的探究，用STEM 项目——“做一个小乐师”替换原先的科学课。然而最终，课堂上并没有出现教师期待的“小乐师”。原因在于学生在尝试制作小乐器的过程中会产生诸多问题：声音的高低怎么调节？声音的强弱如何变化？制作材料如何改进……这些问题中，涉及科学原理的，需要通过若干个探究过程来解决；涉及设计、制作方案的，需要通过计算与合作交流来完成；涉及评价的，需要制定规则来进行。可以说，无论是按教材来学习，还是将其转换成STEM 项目，学生对声音高低、强弱的探究过程都是必不可少的。STEM 项目包含科学探究活动，并且相较于科学探究活动，它的理念更清晰，过程更完整。因此，教材活动到STEM项目的进化需要从学习目标、学习方法、学习评价等多方面进行，绝不是简单延长探究时间，或者增加实验材料就能完成的。

二、目标的升华——从科学、技术、工程、数学等维度，定位学习目标

STEM 教育的内涵可以理解为以数学为基础，通过工程，解读科学和技术。因此，从科学、技术、工程和数学四个维度，制定小学科学课技术与工程领域中STEM内容的学习目标，是将教材内容改造为STEM项目的重要步骤。

比如，在“设计制作一个保温杯”项目中，教师可以为学生制定学习目标，如表1。

表1“设计制作一个保温杯”STEM学习目标

从科学、技术、工程、数学等维度制定STEM学习目标，能将科学概念、科学方法和科学情感有机融合，使其贯穿项目始终，为学生在知识、能力、思维等方面的发展指明方向。在“STEM+”的理念下，教师也可以动态地、循序渐进地加入艺术、人文等目标维度。比如，在“设计制作一个保温杯”这一项目中，科学、技术、工程和数学目标是核心目标，只有在这四个维度目标的指引下，才能建构起保温杯模型，而当模型升级为产品时，艺术、人文的要素就会凸显出来。

三、思维的分化——高度开放的项目实施路径，诱发思维的深入和创新

从技术与工程领域的STEM 项目学习逻辑（如图1）来看，现实需求引发项目的启动；现实需求的差异促使项目成果朝多元化发展。这就决定了学生在STEM 学习中重在思考，而非制作；完成的作品是思维发展和创新的成果，而非手工复制品。成果创新要求思维分化，而学习路径的高度开放才能为思维个性化发展创造最大可能性。学习路径的开放性主要体现在学习内容、学习时空、学习方法三个方面。

图1

（一）开放学习内容，为思维分化打下基础

STEM学习倡导在“做中学，学中思”，有时还可能是“因做而学”。当已有知识储备不能支持STEM项目继续实施时，学生就会从更开放的资源库中搜索学习资源，现学现用，从而为思维个性化发展埋下种子。

比如，教师将教科版《科学》五年级下册《制作一个一分钟计时器》一课改造为STEM 项目——《做一个计时器》，为学生提供注射器、纸板、小球、棉线、细沙、纸杯等丰富的材料。学生可以根据这一单元中的水钟、沙漏、摆钟等已有模型，有选择性地进行升级改造。各小组在这个STEM 项目中的学习内容是由升级改造的目标决定的。

（二）开放学习时空，为思维分化酝酿条件

学习时空的开放是指学习时间的开放和学习空间的开放。在做一顶帽子、设计制作小赛车、制作小杆秤等项目中，要在40分钟内完成一件作品，对于学生来说是比较困难的。即便完成了，也只能停留在简单模型的层面，并且这些模型往往趋同。因为学生没有充足的时间思考和酝酿，组员之间没有机会进行充分的交流研讨。

因此，将教材中技术与工程领域的内容改造成STEM 项目后，学生应该得到更充裕的学习时间和更开放的学习空间。以STEM 项目“造一座桥”为例，教师应该为学生观察生活中不同结构、不同造型、不同规模的桥创造条件。这能为学生规划、设计一座桥提供现实依据。也曾有学校组织学生到室外搭建一座跨度超过5米，可以承受人的重量的桥。从教室到操场的转变，延伸了学生的学习空间，给学生提供了理论嫁接现实的机会。

（三）开放学习方法，为思维分化疏通要道

探究并非学习科学的唯一方式，探究式学习也并不等同于实验研究。查阅资料、实地考察、采访调查等都可以作为学生进行探究式学习的方法。在STEM项目实施的特定阶段，学生可以通过一些传统的学习方法完成任务，如师徒相授、实践训练，也可以应用超出现阶段理解能力的原理和技术等。

比如在学习“做一个太阳能热水器”STEM项目时，学生可以先到商店参观各种款式的太阳能热水器，听一听导购员对太阳能热水器主要功能的介绍，再上网查阅资料，寻找这些功能背后的科学信息。目的不在于让学生理解所有的科学原理，而是为了丰富本单元光与热的科学信息，为太阳能热水器模型的建构创造多种可能性。当学生不满足于教材提供的简易太阳能热水器模型时，创造性思维由此延伸。

四、评价的优化——量性评价与质性评价结合，提升评价效果

量性评价与质性评价结合的方式能够同时发挥两种评价的优势，弥补双方的不足，使评价更精准、全面、高效。

（一）量性评价指引项目的规划与实施

制定明确的量化评价标准，并且在项目实施前出示评价标准，能够为学生规划和实施STEM项目树立标杆，指引方向。以一年级STEM 项目“做一张叶画”的量化评价标准为例，如表2。

表2“做一张叶画”STEM项目评价标准

推选组长和分工指向项目团队建设；叶的形状、颜色、名称指向做叶画这一项目中的主要学习内容；给叶画起个题目指向作品的创意。量化的评分表不仅能激发学生做叶画的兴趣和比赛欲望，还能从人员规划、材料收集、作品改进等方面为学生实施STEM项目指出努力的方向。

（二）质性评价关注学生的隐性成长

学生在项目学习过程中遇到问题、解决困难的经历以及交流研讨的过程是难以量化的，但这个过程却演绎了学生科学思维的发展。教师应为学生搭建平台，对这些难以量化的学习行为进行过程性评价。

仍然以STEM项目“做一张叶画”为例，教师通过“叶画展示交流会”对学生进行质性评价。每个小组依次介绍落叶的采集过程，叶来自什么植物，叶的特点，叶画表达的意思等。汇报结束后，每位学生拥有3 颗★贴纸，他们依次在作品陈列区自主投票。学生通过展示、交流，呈现做叶画过程中遇到问题、解决困难以及质疑论证等难以量化的隐性学习成果。民主投票能够引发学生的情感共鸣，作为一种无声的交流方式，弥补低年级儿童语言表述能力的不足。

从已有课例的实践效果来看，在STEM 理念下开展技术与工程内容的教学，能够优化常规科学课40分钟的时间配置，拓展学生的学习空间，搭建更多的实践和创新活动平台。学生在STEM 项目式学习活动中表现出来的学习主动性和成果丰富性是常规科学课望尘莫及的。除此之外，小学科学教材中一些以长周期观察和以调查、实践为主的学习内容都具备开发成STEM项目的条件，有待研究和实践。