楊聰

研究背景

近些年，STEM教育是全球科學(xué)教育改革中炙手可熱的話題。美國2013年頒布的（《新一代科學(xué)教育標準》將工程和技術(shù)明確地寫進了科學(xué)教育中。如何在科學(xué)課堂中合理地運用STEM教育，是每一個科學(xué)教師都希望解決的問題。

在當今的科學(xué)教學(xué)中，課堂的關(guān)注點已經(jīng)由原來單一的知識傳授轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴骄繛橹鞯膶W(xué)習(xí)方式。在探究式科學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過對已收集到的證據(jù)進行思考和邏輯推理生成概念，使自己能夠更好地理解周圍世界。學(xué)生掌握一個科學(xué)概念，實質(zhì)上就是掌握同類事物的共同特征，中高年級的科學(xué)教學(xué)中如何指導(dǎo)學(xué)生將具有共同關(guān)鍵屬性的一類對象、事件、情境、需求、性質(zhì)等的科學(xué)概念融合，建構(gòu)成科學(xué)的大概念，則是我們需要深入研究的課題。

STEM教育活動中融合了科學(xué)、工程、技術(shù)和數(shù)學(xué)4門學(xué)科，以整合的教學(xué)方式幫助學(xué)生在活動中建構(gòu)理解，掌握解決問題的技能，并能夠靈活地運用到日常生活中去。因此，設(shè)計一個適合學(xué)生研究的STEM活動顯得尤為重要，這樣可以促使學(xué)生在解決實際問題的過程中，自發(fā)地對已有經(jīng)驗提取和再內(nèi)化，加強有效的部分概念，修改有問題的部分概念，在評價和交流過程中，逐步建立正確的概念認知。

活動主題設(shè)計思路——以“設(shè)計保溫杯”為例

喚醒兒童的前概念

在幫助兒童建構(gòu)科學(xué)概念時，我們得先知道學(xué)生現(xiàn)有的知識結(jié)構(gòu)、他們感興趣的一些內(nèi)容，以此為基礎(chǔ)喚醒孩子的前概念。由于學(xué)生日常積累的認知概念可能是膚淺的，或者是錯誤的，活動設(shè)計前，需要了解學(xué)生原有生活的經(jīng)驗和概念。

在開展“設(shè)計保溫杯”的教學(xué)設(shè)計之前，對我校四五年級學(xué)生對保溫杯的認知情況進行了調(diào)查，結(jié)果顯示孩子們認為好的保溫杯應(yīng)該具有美觀、輕便、保溫效果好、攜帶方便、結(jié)實、功能多這些特點（如圖1），而談到如何讓保溫杯的保溫效果更好時，孩子們想到許多想法（如圖2）。

調(diào)查反映出，大部分學(xué)生認為在杯子夾層中添加泡沫、棉花、塑料等材料會起到很好的保溫作用，但是問他們選用什么材料最好，大部分學(xué)生說不出來；調(diào)查還顯示出，大部分學(xué)生在思考時，僅僅考慮保溫效果好就可以了，而忽略了實際中可能存在的其他問題，如杯子的重量會不會增加、外形是否美觀、成本是否增加等。

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計（如圖3），發(fā)現(xiàn)孩子在4年級科學(xué)課中，有過對“熱”的單元的學(xué)習(xí)，在生活中也有相關(guān)經(jīng)驗，但是對保溫這一概念還不清晰，或者有許多片段式的小概念，還沒有融合成一個科學(xué)大概念，并且運用的概念也很難和生活實際現(xiàn)象相聯(lián)系。

設(shè)計需要解決的問題

Dyasi教授在培訓(xùn)活動中指出，開展STEM活動時一個清晰的、學(xué)生感興趣的且富有挑戰(zhàn)性的問題非常重要。在“設(shè)計保溫杯”課程中，我們圍繞學(xué)生的前概念，設(shè)計出3個階段的主題活動。

·設(shè)計一個保溫杯

這一階段的目標是通過觀察生活中的保溫杯和保溫的物品，能夠借助生活經(jīng)驗。描述出影響物體保溫效果的因素；小組合作設(shè)計一個保溫杯，并介紹保溫杯的原理；再次修改自己小組的保溫杯設(shè)計。

·如何將自己設(shè)計的保溫杯制作出來

這一階段的目標是在設(shè)計的基礎(chǔ)上思考制作保溫杯的可行性和需要準備的物品，制訂工作計劃。

·檢測保溫杯的效果

這一階段的目標是介紹自己保溫杯的制作過程，從多個方面相互檢測和評價彼此保溫杯的實際效果。

制訂活動中的學(xué)科維度

制訂活動中的學(xué)科維度是設(shè)計STEM活動的重要步驟，也是體現(xiàn)STEM綜合活動設(shè)計思路的有效方法。圖4顯示出在“設(shè)計保溫杯”課程活動中所涉及的科學(xué)與工程實踐、跨學(xué)科概念及學(xué)科核心概念，這使得課程目標、方法和過程都一目了然。

在課堂中的教學(xué)方法

建立適合學(xué)生學(xué)習(xí)的“學(xué)習(xí)場”

讓學(xué)習(xí)活動真正發(fā)生，需要構(gòu)建適合學(xué)生學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)場，就是營造學(xué)習(xí)的氛圍。而設(shè)計有深度參與性的話題則是學(xué)習(xí)場的核心。那么最好的話題就是學(xué)生認為有意義，與學(xué)生生活密切相關(guān)的問題。例如“設(shè)計保溫杯”主題活動，一開始就從學(xué)生的需求出發(fā)，“冬天即將到來，大家都會使用保溫杯，什么樣的保溫杯好呢？”這樣的話題是學(xué)生生活所需要的，也是STEM活動的特點之一。

設(shè)計核心問題，引導(dǎo)學(xué)生深入思考

科學(xué)概念往往隱身于現(xiàn)象的背后，以物質(zhì)或能量為載體，通過相互作用產(chǎn)生的現(xiàn)象呈現(xiàn)出來。在科學(xué)的STEM活動中，教師應(yīng)該如何引導(dǎo)學(xué)生透過實際現(xiàn)象把握其背后的科學(xué)概念呢？第一，可以讓孩子們自己提出自己的觀點，在討論中歸納出相關(guān)科學(xué)概念。第二，教師圍繞核心概念以追問的形式，提出問題。舉例如下。

教師：剛才大家從多個角度評論了彼此設(shè)計的作品，現(xiàn)在我們再來看一看，大家設(shè)計的保溫杯，都有哪些共同的目的？

學(xué)生：都為了讓保溫杯更加保溫。

教師：什么是保溫呢？

學(xué)生在提出自己的設(shè)計觀點后，讓他們歸納這些觀點的相同點，學(xué)生則能抓住“保溫”這個核心概念，進而教師可以請學(xué)生解釋什么是保溫，再一次引發(fā)學(xué)生對核心概念的思考，將前概念調(diào)動起來。

以小組合作方式完成方案設(shè)計

美國加利福尼亞大學(xué)索諾瑪分校校長保爾認為，在課堂教學(xué)中，對話性思維和辯證性思維是活躍知識、重建概念的方法，而合作學(xué)習(xí)可以促進學(xué)生之間的思維互動，幫助他們更好地構(gòu)建相關(guān)概念，避免以自我為中心的思維局限。

在設(shè)計方案這一環(huán)節(jié)中，不少教師可能會擔(dān)心孩子是否有能力進行設(shè)計。21世紀初期，美國斯坦福大學(xué)設(shè)計學(xué)院和德國波茨坦大學(xué)設(shè)計學(xué)院研究表明，設(shè)計思維并不一定是由專門的設(shè)計學(xué)校培養(yǎng)出來的，設(shè)計專業(yè)以外的普通人也擁有設(shè)計思維的天資和潛力，只是需要經(jīng)過恰當?shù)囊龑?dǎo)和訓(xùn)練。而對于兒童和青少年這個年齡階段的學(xué)生來說，他們的思維塑造處于黃金時期。因此，在STEM活動課程教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生共同對一個計劃進行合理設(shè)計，制訂研究方案，在學(xué)生設(shè)計活動時，學(xué)生自發(fā)幫助彼此，發(fā)現(xiàn)錯誤想法，搭建支架，促進彼此轉(zhuǎn)變錯誤的想法，提高學(xué)生思維能力的同時，也幫助學(xué)生建立起正確的概念認知。舉例如下。

師生談話：如果讓你設(shè)計并制作一個保溫效果好的保溫杯，你會怎樣設(shè)計？

（學(xué)生合作進行）

為學(xué)生創(chuàng)造展現(xiàn)小組設(shè)計方案的平臺

在科學(xué)教學(xué)中，學(xué)生設(shè)計活動之后，需要讓學(xué)生充分介紹自己的設(shè)計思路，在相互交流中讓學(xué)生充分質(zhì)疑，達成共識。相互交流的過程，不僅是學(xué)生思維顯性化的過程，更是學(xué)生思維精細化發(fā)展的需要。舉例如下。

（將課前大家的設(shè)計作品掛在墻上）教師提問：我們每個小組都對保溫杯進行了設(shè)計，我們請他們來介紹一下自己的設(shè)計思路，你也可以對他們的方案提出一些建議或可行的想法。

為了充分展示學(xué)生的作品，教學(xué)中，不僅將學(xué)生設(shè)計的原版作品貼在教室周邊，還為每組打印了相關(guān)設(shè)計的副本圖片，讓每個學(xué)生了解每一件作品。這樣在對每件作品的充分了解基礎(chǔ)上，學(xué)生交流起來也有理有據(jù)。為了讓方案更精細化、可行化，在學(xué)生相互介紹和評價了彼此作品之后，提醒學(xué)生進一步修改自己的設(shè)計作品，為制作保溫杯做好鋪墊。

引導(dǎo)學(xué)生合理設(shè)計制作方案，在過程中引發(fā)學(xué)生對跨學(xué)科概念.核心慨念和自己的技術(shù)能力進行反思，并解決相關(guān)問題

在STEM活動中，問題作為核心，而解決問題的過程往往要運用許多領(lǐng)域的概念知識，還要運用多種解決的技術(shù)能力。在學(xué)生準備活動方案時，往往會在交流過程中發(fā)現(xiàn)原有的知識能力不足以解決現(xiàn)在遇到的問題，會產(chǎn)生認知的需求。學(xué)生會自主地尋求新的知識，或者對原有知識產(chǎn)生質(zhì)疑，從而重新建構(gòu)原有的概念。舉例如下。

師生談話：剛才大家已經(jīng)設(shè)計好自己小組的保溫杯，接下來你準備怎么去制作這個保溫杯？你們可以相互交流，指定一個可行的制作方案。

（學(xué)生討論）

教師提問：你們在制訂計劃的時候遇到了哪些困難？準備怎樣解決？

學(xué)生匯報：材料問題——不知道哪種材料保溫效果最好。

檢測問題——如何才能知道自己制作的杯子保溫效果好不好？

顏色配比問題——不同的組員對顏色搭配有不同的意見。

技術(shù)問題——怎樣切割泡沫？保溫絲怎么做？可顯示溫度計怎么做？真空環(huán)境怎么制造出來？

可見，在制訂方案過程中，學(xué)生會遇到許多自己沒有接觸過或者自己尚不知道的問題，引導(dǎo)學(xué)生查資料或者進行探究活動，自主解決這些相關(guān)問題，這種方法可以促使學(xué)生主動學(xué)習(xí)、積極思考?；顒拥拈_展像吸鐵石一樣緊緊地吸引學(xué)生的注意力，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，讓學(xué)生形成主動學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，調(diào)動學(xué)生積極思考建構(gòu)科學(xué)概念。

設(shè)計合理的評價方法，幫助學(xué)生歸納出核心概念

學(xué)生在方案的制訂、保溫杯制作及最終測試時，數(shù)學(xué)方法顯得尤為重要，在過程中學(xué)生運用測量、建模、計算等方法收集相關(guān)數(shù)據(jù)，在歸納過程中提高其思維的嚴謹性。通過相互評測，結(jié)合自己的活動方案和最后結(jié)果，學(xué)生能夠?qū)⒃谶^程中的片段概念進行整合，從而形成新的大概念及概念聯(lián)系網(wǎng)。舉例如下。

師生談話：在前段時間的學(xué)習(xí)和制作中，大家都已經(jīng)制作出自己小組的保溫杯，怎樣評價每個小組的保溫杯呢？

學(xué)生： （1）哪個組保溫杯做得漂亮。

（2）哪個組保溫效果好。

（5）哪個組的既輕便，又結(jié)實。

在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生能夠想出許多評價方法，可以讓孩子們先使用自己的評價標準點評，而后教師依然要抓住核心問題“保溫”這一核心概念。在教學(xué)過程中，大部分孩子都會以誰做的保溫杯保溫效果好作為評價依據(jù)，教師在此基礎(chǔ)上進一步引導(dǎo)學(xué)生相互檢測，收集數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)說話，找出最棒的保溫杯，并再次點評，幫助學(xué)生歸納其保溫效果好的原因。

相關(guān)思考

開展STEM活動中.數(shù)學(xué).工程.技術(shù)和科學(xué)之間的相互關(guān)系

學(xué)生在進行STEM活動時，要引導(dǎo)學(xué)生針對需要解決的實際問題，組成研究小組，指定活動方案。這也是工程學(xué)中的核心思想，將作為整個活動的主線；而在活動整個過程開展中，數(shù)學(xué)思維、數(shù)學(xué)方法則貫穿整個活動，為活動的開展提供依據(jù)；科學(xué)則在活動開展中提供理論依據(jù)和研究方法，為活動的開展提供直觀載體和理論依據(jù)；技術(shù)為整個活動的開展提供保障。

開展活動所需要的條件

第一，提供給學(xué)生一個輕松的學(xué)習(xí)氛圍。

第二，在對學(xué)生前概念調(diào)查統(tǒng)計后，應(yīng)該為學(xué)生提供能夠完成活動的材料和設(shè)施。

第三，幫助學(xué)生建立一個深厚的基礎(chǔ)知識和一個強大的概念框架，使他們能夠組織信息，并將其轉(zhuǎn)化為可用的知識。

開展STEM活動中教師的作用

教師作為活動的組織者，可以和學(xué)生一同完成活動的設(shè)計、制作、交流、評測的整個過程，并且在此過程中，教師盡可能讓孩子自己提出問題并嘗試解決；在討論和交流過程中，教師也可以作為參與者，適時評價學(xué)生作品，引導(dǎo)學(xué)生正確評價別人的作品。因此?；顒又械慕處熞彩腔顒拥膮⑴c者，與學(xué)生共同作為活動的主人，共同進行整個教學(xué)活動。但是教師因其特殊身份，在學(xué)生遇到問題時，還要作為引導(dǎo)者，引導(dǎo)學(xué)生運用合理的方法解決問題。