何斐 汪存友

摘要：本文基于STEM教育理念分析了小學(xué)科學(xué)課的價(jià)值導(dǎo)向，依據(jù)STEM教育的本質(zhì)特性，以“會(huì)飛的空氣——走馬燈”項(xiàng)目為例，以5E教學(xué)模式為基礎(chǔ)，從參與、探究、解釋、遷移和評(píng)價(jià)五個(gè)方面對(duì)課堂教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以期能夠培養(yǎng)小學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：STEM理念;跨學(xué)科;教學(xué)設(shè)計(jì);5E教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2021）07-0061-04

相關(guān)概念界定

1.STEM教育的本質(zhì)

STEM教育代表科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)，它遍及生活的每個(gè)部分。STEM教育的基礎(chǔ)始于幼兒時(shí)期，這一時(shí)期的孩子們可以從最早的科學(xué)和環(huán)境中學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和技術(shù)。孩子們自然也會(huì)通過(guò)親身實(shí)踐的多感官和創(chuàng)造性的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行早期的STEM探索，這些經(jīng)歷可以激發(fā)他們的好奇心，發(fā)展他們的批判性思維和解決問(wèn)題的能力。

2.5E教學(xué)模式

5E教學(xué)模式形成于STEM教育的實(shí)踐之中，是由美國(guó)生物學(xué)課程研究所（BSCS，1989）開發(fā)的一種基于建構(gòu)主義教學(xué)理論的模式[1]，這種教學(xué)模式分為參與（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Exploration）、遷移（Extension）和評(píng)價(jià)（Evaluation）五個(gè)環(huán)節(jié)。在這種模式下，教師讓學(xué)生參與激發(fā)他們好奇心的學(xué)習(xí)任務(wù)，幫助他們一起探索潛在的解決方案，提出解釋，闡述概念理解，評(píng)價(jià)他們的科學(xué)概念和能力。這種探究模式的優(yōu)勢(shì)在于：為如何促使學(xué)生正確學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)提供了一種在社會(huì)建構(gòu)的有意義學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)背景下探索和解釋特定領(lǐng)域知識(shí)的結(jié)構(gòu)。

基于STEM教育理念的小學(xué)科學(xué)課的價(jià)值導(dǎo)向

1.跨學(xué)科

跨學(xué)科課程整合就是聚焦共同的主題，突破現(xiàn)有學(xué)科界限，將不同學(xué)科中不同領(lǐng)域所包含的理論和方法有機(jī)融合在一起，有目的、有計(jì)劃地設(shè)計(jì)組織課程內(nèi)容和教學(xué)活動(dòng)，以提高學(xué)生能力、促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展為最終目的的一種課程組織方式和課程設(shè)計(jì)理論。

2.建立彈性課堂

在STEM教育活動(dòng)中，科學(xué)探究活動(dòng)具備較強(qiáng)的持久性以及復(fù)雜性，學(xué)生需要較長(zhǎng)的時(shí)間對(duì)知識(shí)進(jìn)行深入的探索、思考、反思，在真實(shí)的教學(xué)情境中，并不是所有的知識(shí)都能夠被學(xué)生理解，這時(shí)就需要教師發(fā)揮自己的專業(yè)能力，對(duì)課程的難易程度以及上課時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整，使其貼近學(xué)生的接受程度以及所能理解的程度，這也更加強(qiáng)調(diào)了STEM課程理念應(yīng)用的有效性。

3.面向真實(shí)生活的情境性

在STEM教育中應(yīng)更加注重讓學(xué)生把所學(xué)習(xí)到的知識(shí)運(yùn)用到生活中，能夠根據(jù)自己當(dāng)下的情境，對(duì)所學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行更加深入的了解，最后，達(dá)到靈活運(yùn)用的目的，這也體現(xiàn)了STEM教育更加強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生自己通過(guò)探索理解知識(shí)而并非通過(guò)外部強(qiáng)加于學(xué)生的理念。[2]

4.培養(yǎng)獨(dú)創(chuàng)性和創(chuàng)造力

STEM教育旨在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，一方面通過(guò)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和思維，另一方面鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力，即讓學(xué)生在日常學(xué)習(xí)和生活中學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，學(xué)會(huì)應(yīng)用所學(xué)知識(shí)從不同角度分析及解決問(wèn)題。

5.鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作

STEM教育中，能力水平各異的學(xué)生可以在團(tuán)隊(duì)中共同努力，找到問(wèn)題的解決方案、記錄數(shù)據(jù)、編寫報(bào)告、進(jìn)行演示等，最終結(jié)果是學(xué)生了解如何與他人合作并在團(tuán)隊(duì)的環(huán)境中成長(zhǎng)。

6.鼓勵(lì)知識(shí)應(yīng)用

在STEM教育中學(xué)到的技能可以應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

7.教會(huì)解決問(wèn)題的方法

STEM教育更加鼓勵(lì)學(xué)生在解決問(wèn)題時(shí)，能夠整合不同的學(xué)科知識(shí)，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐解決當(dāng)前遇到的問(wèn)題，有效培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)及跨學(xué)科思維能力[3]，教會(huì)學(xué)生如何在解決問(wèn)題的過(guò)程中用批判性的眼光看待問(wèn)題，通過(guò)參與STEM學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)學(xué)習(xí)到如何在這個(gè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題。

基于STEM理念的教學(xué)設(shè)計(jì)探究

1.學(xué)習(xí)者分析

本項(xiàng)目主要針對(duì)四、五年級(jí)的學(xué)生，他們對(duì)空氣的物理性質(zhì)已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)，并且基本能夠進(jìn)行概念總結(jié)、問(wèn)題提出、假設(shè)，進(jìn)而逐步解決問(wèn)題。

2.教學(xué)內(nèi)容分析

“會(huì)飛的空氣——走馬燈”內(nèi)容需要學(xué)生運(yùn)用已有的知識(shí)認(rèn)識(shí)熱空氣的特征，即空氣受熱會(huì)上升。本節(jié)課通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)合STEM理念啟發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象進(jìn)行分析，即運(yùn)用已有認(rèn)知對(duì)空氣受熱后產(chǎn)生的變化做出解釋，理解熱空氣上升的原理。

3.教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：（1）對(duì)應(yīng)STEM（S）。①了解空氣的性質(zhì)與特點(diǎn);②清楚走馬燈旋轉(zhuǎn)的原理。（2）對(duì)應(yīng)STEM（T）。①將燈罩頂蓋剪成六個(gè)扇形葉片并向上翹起;②走馬燈圓筒粘貼要緊密，不要有縫隙。（3）對(duì)應(yīng)STEM（E）。蠟燭點(diǎn)燃后，走馬燈轉(zhuǎn)得慢，可以采取哪些措施。（4）對(duì)應(yīng)STEM（M）。走馬燈能旋轉(zhuǎn)與它的結(jié)構(gòu)有關(guān)，要有轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的軸，要有同一方向傾斜的葉片，轉(zhuǎn)動(dòng)得快慢與扇葉張開的角度大小有關(guān)。（5）其他。①語(yǔ)文：語(yǔ)言表達(dá);②化學(xué)：空氣的對(duì)流;③物理：動(dòng)力的來(lái)源;④藝術(shù)：走馬燈的美觀。

過(guò)程與方法目標(biāo)：①創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)對(duì)解決實(shí)際問(wèn)題的好奇心;②采用小組合作的方式探究走馬燈的動(dòng)力來(lái)源，掌握熱動(dòng)力方面的知識(shí);③通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)，總結(jié)相關(guān)原理，改進(jìn)優(yōu)化項(xiàng)目。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：①通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究培養(yǎng)動(dòng)手能力、操作能力，提升觀察分析能力;②培養(yǎng)對(duì)科學(xué)探究的興趣;③培養(yǎng)合作意識(shí)、勇于探索的精神。

4.學(xué)生活動(dòng)

以小組的形式分工合作，動(dòng)手實(shí)踐。

5.實(shí)驗(yàn)材料

①燈罩頂蓋*1;②燈罩側(cè)圍*1;③雙面膠*1;④木板*1;⑤圓木棒*1;⑥子扣*1;⑦母扣*1;⑧蠟燭*1;⑨筆芯*1。

基于STEM理念的項(xiàng)目“會(huì)飛的空氣——走馬燈”教學(xué)設(shè)計(jì)

1.參與（Engagement）

（1）激發(fā)興趣環(huán)節(jié)

師：中國(guó)的燈籠各式各樣，但有一種燈籠較為獨(dú)特，它的外形也與其他燈籠沒(méi)有什么差別，但是當(dāng)你將它點(diǎn)燃時(shí)，它就會(huì)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。大家想知道是什么嗎？這個(gè)就是走馬燈。

（2）聯(lián)系舊知

教師引導(dǎo)學(xué)生觀看一小段有關(guān)走馬燈的視頻，提出走馬燈為什么會(huì)轉(zhuǎn)的問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)小組討論，收集信息。

2.探究（Exploration）

學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后進(jìn)行思考判斷，在頭腦中整理出信息框架，聯(lián)系實(shí)際，針對(duì)各方面的問(wèn)題提出自己的設(shè)計(jì)，同時(shí)，教師要不斷跟進(jìn)，對(duì)學(xué)生的進(jìn)步、能力進(jìn)行反饋。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生直接參與教學(xué)現(xiàn)象的觀察和材料的呈現(xiàn)，教師充當(dāng)引導(dǎo)者，提供材料并引導(dǎo)學(xué)生的注意力。

（1）材料下發(fā)

教師活動(dòng)：講解走馬燈相關(guān)知識(shí)，并將實(shí)驗(yàn)器材下發(fā)給學(xué)生。

學(xué)生活動(dòng)：整理器材，擺放整齊。

（2）教師引導(dǎo)制作走馬燈

①折疊燈罩頂蓋：將燈罩頂蓋上的六個(gè)扇形葉片沿著裁剪線向上翹起，注意翹起幅度不宜過(guò)大，否則將影響正常轉(zhuǎn)動(dòng)。將扇片翹起后把子母扣安裝在頂蓋上的圓孔內(nèi)，注意子母扣凸起的一面朝上，最后將頂蓋周邊紅線外的部分沿著紅線向下折（如圖1）。

②粘貼燈罩側(cè)圍、頂蓋。將雙面膠粘貼在側(cè)面的轉(zhuǎn)帖處，不要撕下保護(hù)膜。將長(zhǎng)方形剪紙卷成一個(gè)圓柱體，把剪紙內(nèi)側(cè)白色區(qū)域的雙面膠撕開，沿著燈罩頂蓋折下的部分將其粘緊，然后撕掉側(cè)面的雙面膠保護(hù)膜，粘貼在側(cè)面即可。注意粘接時(shí)手將粘接區(qū)域按緊不要留下空隙以免影響制作完成后的轉(zhuǎn)動(dòng)效果。

③組裝底座、燈柱。將圓木棒插入方形木板上的圓孔中使其成為一個(gè)底座，如果插接時(shí)圓木棒有松動(dòng)請(qǐng)用乳膠粘緊，再將產(chǎn)品自帶的圓珠筆桿套入圓木棒內(nèi)（如圖2）。

④蓋上燈罩，放好蠟燭。將組裝好的燈罩放置在底座上，子母扣凹進(jìn)去的一面與圓珠筆桿頂部對(duì)在一起，點(diǎn)燃蠟燭，觀察有什么現(xiàn)象。

（3）疑難探究

①探究1。

師：現(xiàn)在已經(jīng)做好了走馬燈，我們將蠟燭放到底座上，用打火機(jī)點(diǎn)燃蠟燭，過(guò)幾秒種后，觀察燈罩有沒(méi)有變化，再看看小馬是前進(jìn)還是后退。

生：（點(diǎn)燃打火機(jī)并觀察）點(diǎn)燃蠟燭后燈罩會(huì)緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，小馬在向前方奔跑。

②探究2。

師：將扇葉開口完全閉合后，觀察燈罩是否還會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)？

生：（把扇葉閉合并觀察）將扇葉開口完全閉合后，燈罩會(huì)慢慢停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

③探究3。

師：將扇葉開口高度張開45度后，觀察燈罩是否還會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)？

（提示：點(diǎn)燃蠟燭后如燈罩不能轉(zhuǎn)動(dòng)，將翹起的葉片稍均勻壓低些。如果實(shí)驗(yàn)不成功，檢查一下圓珠筆頭是否頂住了子母扣凹進(jìn)去的地方，如果沒(méi)有，請(qǐng)放置好。燈罩邊緣是否有縫隙）

生：（學(xué)生將扇葉開口高度張開45度觀察）將扇葉開口高度張開45度后，燈罩轉(zhuǎn)動(dòng)速度較快。

3.解釋（Exploration）

解釋是教師在學(xué)生探究的基礎(chǔ)上，明確相關(guān)概念、原理，把學(xué)生已有的知識(shí)與它們結(jié)合在一起建立聯(lián)系，最后總結(jié)出概念的過(guò)程。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，教師為學(xué)生創(chuàng)造足夠的空間，讓學(xué)生通過(guò)不斷發(fā)現(xiàn)，完善對(duì)概念的認(rèn)知，加深對(duì)概念的理解。

（1）原理總結(jié)

師：通過(guò)本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)，大家想一下走馬燈為什么會(huì)轉(zhuǎn)？

生：因?yàn)樽唏R燈下面的蠟燭點(diǎn)燃受熱后會(huì)產(chǎn)生熱空氣。

師：對(duì)的，走馬燈會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，就是因?yàn)楫?dāng)它下面的蠟燭點(diǎn)燃后，空氣受熱后會(huì)上升形成氣流，從而推動(dòng)走馬燈轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，這就是走馬燈會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的原因。那么，熱空氣為什么會(huì)向上升呢？（學(xué)生思考，并進(jìn)行小組討論）地面上各個(gè)空間的空氣冷熱不均，冷空氣向下運(yùn)動(dòng)，熱空氣向上運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)熱空氣上升到高空會(huì)變冷，冷空氣向下降，補(bǔ)充到熱空氣上升后留下的空間里，這樣的空氣對(duì)流是一個(gè)不斷循環(huán)過(guò)程。除了豎直方向，橫向也存在冷熱空氣對(duì)流的現(xiàn)象。這樣，空氣就流動(dòng)起來(lái)了。而走馬燈正是利用這樣的原理制成的，走馬燈的扇形葉片向上翹起，下面放有蠟燭，空氣受熱后變輕上升，其周圍的冷空氣會(huì)下降。熱空氣上升帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，葉片再帶動(dòng)畫著馬的燈圈旋轉(zhuǎn)，由此走馬燈開始旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

（2）重難點(diǎn)回顧

師：通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們知道了燈罩為什么會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)這節(jié)課你們知道熱空氣有什么特點(diǎn)嗎？熱空氣會(huì)向哪里流動(dòng)？

生：空氣無(wú)處不在，它可以流動(dòng)到每一個(gè)角落。

4.遷移（Extension）

遷移是指學(xué)生通過(guò)教師指導(dǎo)，結(jié)合生活實(shí)際，加深對(duì)新知識(shí)的理解與強(qiáng)化，改進(jìn)自己的設(shè)計(jì)，甚至能夠進(jìn)行更深入的探索，拓展課堂的深度。本環(huán)節(jié)中，教師積極引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行更為細(xì)致的改進(jìn)，分析新舊知識(shí)的相同與不同之處，建立聯(lián)系，并把已有認(rèn)知鋪展開，使得學(xué)生對(duì)新知識(shí)有更清晰的理解。

師：每組派一名同學(xué)給大家講解一下實(shí)驗(yàn)過(guò)程中哪些地方取得了成功？哪些地方有待改進(jìn)？大家一起來(lái)分享，共同學(xué)習(xí)與進(jìn)步（學(xué)生小組討論后發(fā)言）。走馬燈利用了熱空氣上升的原理，你們還知道生活中有哪些東西是利用這個(gè)原理呢？大家交流完成后，請(qǐng)每個(gè)小組分享交流成果。

生：孔明燈、熱氣球、排氣扇（安裝在衛(wèi)生間的上面）、抽油煙機(jī)（安裝在爐灶的上方）。

5.評(píng)價(jià)（Evaluation）

評(píng)價(jià)是5E教學(xué)模式的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)是教師對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握程度進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，教師可以靈活運(yùn)用各種科學(xué)有效的評(píng)價(jià)手段。本環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)方法主要采用了課堂觀察、小組評(píng)價(jià)的方式。教師根據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的行為表現(xiàn)、參與情況、成品的效果、美觀程度等維度進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，學(xué)生以小組的方式進(jìn)行點(diǎn)評(píng)或者補(bǔ)充，教師再做最后總結(jié)。

結(jié)語(yǔ)

本研究以“會(huì)飛的空氣——走馬燈”項(xiàng)目為載體，選取與學(xué)生實(shí)際生活密切聯(lián)系的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)將STEM教學(xué)理念融入小學(xué)科學(xué)課的實(shí)踐活動(dòng)，可以把枯燥無(wú)味的理論知識(shí)通過(guò)自己動(dòng)手設(shè)計(jì)出來(lái)的作品加以應(yīng)用，有助于擴(kuò)展學(xué)生的思維，讓學(xué)生對(duì)新事物產(chǎn)生興趣，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力。

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