貴州省湄潭縣實(shí)驗(yàn)小學(xué) 封建偉

科學(xué)課標(biāo)中指出了科學(xué)學(xué)科的核心概念，相關(guān)核心概念不僅針對(duì)科學(xué)概念，還與工程、技術(shù)等素養(yǎng)有關(guān)。在科學(xué)的教與學(xué)的活動(dòng)過程中，落實(shí)好工程、技術(shù)教育，自覺融入數(shù)學(xué)思維，對(duì)推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展有著積極意義。STEM理念就是把科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)融合在一起，倡導(dǎo)跨學(xué)科融合的理念。因此，在科學(xué)教學(xué)中有必要去落實(shí)好STEM的理念，培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。

一、STEM教育和STEM素養(yǎng)

一般來(lái)說，STEM教育就是在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的過程中，通過動(dòng)腦思索、動(dòng)手設(shè)計(jì)、合作探索，利用科學(xué)原理，運(yùn)用跨學(xué)科的理念，解決一些實(shí)際問題或者進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的教學(xué)行為。STEM素養(yǎng)包含科學(xué)素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)及工程素養(yǎng)。科學(xué)素養(yǎng)是能解答“為什么”的能力，能解答事物的原理規(guī)律，讓學(xué)生“知其然”的同時(shí)“知其所以然”；技術(shù)素養(yǎng)是利用已有的科學(xué)認(rèn)知，進(jìn)行設(shè)計(jì)并解決實(shí)際問題，在此基礎(chǔ)上所形成的解決問題的能力；工程素養(yǎng)是進(jìn)行實(shí)踐操作的一種能力體現(xiàn)，是把思維物化的一種能力；數(shù)學(xué)素養(yǎng)是學(xué)生對(duì)數(shù)量、空間關(guān)系認(rèn)識(shí)的一種思維品質(zhì)。

那么，如何有效地融合STEM的理念，培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)呢？根據(jù)課題實(shí)踐的研究，我們?cè)谡n堂教學(xué)中采取教學(xué)“四步走”的方式，按照“4D課堂”教學(xué)范式的流程，開展組織教學(xué)，能夠有效地達(dá)到目標(biāo)。

二、“4D課堂”教學(xué)范式的概念

在實(shí)踐教學(xué)中，我們總結(jié)了基于STEM理念的關(guān)于科學(xué)教學(xué)的“發(fā)現(xiàn)（Discover）—設(shè)計(jì)（Design）—行動(dòng)（Do）—展示（Display）”“4D課堂”教學(xué)范式。

發(fā)現(xiàn)（Discover），是在科學(xué)教學(xué)中讓學(xué)生從情境中發(fā)現(xiàn)問題，讓學(xué)生在教師設(shè)置的情境中學(xué)會(huì)“提出問題”。“發(fā)現(xiàn)”是一節(jié)科學(xué)課的首要環(huán)節(jié)，科學(xué)教師在開始上課時(shí)要重視“發(fā)現(xiàn)”的價(jià)值，想方設(shè)法去創(chuàng)設(shè)一些與課題相關(guān)的情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，讓學(xué)生去“發(fā)現(xiàn)”有價(jià)值的問題，為接下來(lái)的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

設(shè)計(jì)（Design），就是學(xué)生針對(duì)發(fā)現(xiàn)的有價(jià)值的問題，開展頭腦風(fēng)暴，利用圖表或者文字等形式呈現(xiàn)出解決問題的思路、辦法等。設(shè)計(jì)的過程即為充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力的過程?！霸O(shè)計(jì)”指向?qū)W習(xí)素養(yǎng)中“建立聯(lián)系”的學(xué)習(xí)能力的培育，教師在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生通過知識(shí)與知識(shí)之間的聯(lián)系、知識(shí)與情境問題之間的關(guān)聯(lián)，開展人與人之間的交流討論、頭腦風(fēng)暴等，形成解決問題的基本方案。

行動(dòng)（Do），就是通過動(dòng)手實(shí)踐不斷修正自己的解決方案，最終形成最佳的理論方案或?qū)嵨镒髌??！靶袆?dòng)”離不開方案，是在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上通過學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)來(lái)體現(xiàn)的。在行動(dòng)的過程中，學(xué)生還要不斷地對(duì)解決問題的方案進(jìn)行修正和完善，在實(shí)際“動(dòng)手做”的過程中深化學(xué)習(xí)，克服困難，最終完成項(xiàng)目化學(xué)習(xí)。可以說，行動(dòng)是學(xué)生的創(chuàng)造力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力、動(dòng)手能力的綜合體現(xiàn)，是落實(shí)STEM教育的“工程”和“技術(shù)”的環(huán)節(jié)。

展示（Display），就是將內(nèi)化的知識(shí)進(jìn)行外顯。通過展示，可以培養(yǎng)學(xué)生表達(dá)與交流、傾聽與接納、融合與建議的能力，是一種高階的思維層次。

三、“4D課堂”教學(xué)范式的案例

下面，筆者以“做個(gè)太陽(yáng)能熱水器”的案例來(lái)詮釋“4D課堂”教學(xué)范式。

（一）發(fā)現(xiàn)：激趣導(dǎo)入

1.展示生活中大家所使用的太陽(yáng)能熱水器的圖片。

2.提出問題：太陽(yáng)能熱水器是如何工作的？它和我們這個(gè)單元的內(nèi)容有什么聯(lián)系？

學(xué)生回答后，教師小結(jié)：前面我們學(xué)了“光與熱”“怎樣得到更多的光和熱”，知道光強(qiáng)溫度就高、深色物體比淺色物體吸熱快、物體與陽(yáng)光垂直比傾斜吸熱快等知識(shí)。這堂課我們就要運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)做一個(gè)太陽(yáng)能熱水器。

目前在生活中大多數(shù)采用的是電熱水器，即使用了太陽(yáng)能熱水器，很多人都把它安放在屋頂，學(xué)生不易觀察到，所以需要用圖片讓學(xué)生對(duì)太陽(yáng)能熱水器有初步印象。通過問題把太陽(yáng)能熱水器和本單元的知識(shí)建立聯(lián)系，讓學(xué)生感受到科學(xué)知識(shí)的價(jià)值與用途，搭建起遷移知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)解決問題的橋梁。在小結(jié)的過程中，讓學(xué)生知道可以從哪些角度去提高太陽(yáng)能熱水器的效能。

（二）設(shè)計(jì)

1.介紹太陽(yáng)能熱水器。

（1）太陽(yáng)能熱水器是利用多種科學(xué)原理設(shè)計(jì)出來(lái)的一種光熱轉(zhuǎn)換器，具有節(jié)能、環(huán)保、安全的優(yōu)點(diǎn)，它的構(gòu)造怎樣？它是如何工作的？

教師安排學(xué)生先整理資料，然后進(jìn)行匯報(bào)。

（2）現(xiàn)在請(qǐng)幾位同學(xué)上來(lái)匯報(bào)收集到的關(guān)于太陽(yáng)能熱水的資料，與大家分享。

教師介紹太陽(yáng)能熱水器的構(gòu)造（放課件）。太陽(yáng)能熱水器的組成包括：太陽(yáng)能集熱器、控制系統(tǒng)、絕熱儲(chǔ)水箱（保溫箱）、連接管道、支架等。

2.想一想：

集熱器有什么作用？絕熱儲(chǔ)水箱是用來(lái)做什么的？

教師小結(jié)：利用集熱器吸收陽(yáng)光，把光能轉(zhuǎn)化為熱能，并通過儲(chǔ)水箱來(lái)儲(chǔ)存熱水。

3.工程設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)制作太陽(yáng)能熱水器。（1）明確目標(biāo)：接下來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)太陽(yáng)能熱水器。

（2）出示設(shè)計(jì)要求：能夠儲(chǔ)水200毫升；能夠盡可能地在15分鐘內(nèi)使熱水器中水的溫度升上去。（多媒體出示）

（3）思考：

①為了讓熱水器盡快地升溫，我們要考慮哪些問題？采取哪些措施？②主要應(yīng)該包括哪兩部分？③需要選用什么材料做？

4.小組先根據(jù)要求討論思考的問題，閱讀書上的設(shè)計(jì)方案。

5.學(xué)生小組設(shè)計(jì)制作方案，繪出設(shè)計(jì)圖。

豎井掘進(jìn)機(jī)的偏斜控制系統(tǒng)工作原理如圖3所示，包括測(cè)斜系統(tǒng)和糾偏系統(tǒng)。測(cè)斜系統(tǒng)由位移測(cè)量系統(tǒng)和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)組成。位移測(cè)量系統(tǒng)包含井筒上部的激光發(fā)射器和掘進(jìn)機(jī)上部的PSD光電位移傳感器平板，可以從光電傳感器平板讀取豎井掘進(jìn)機(jī)軸線與井筒設(shè)計(jì)軸線的偏斜量；姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)包含2個(gè)高精度角度傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)豎井掘進(jìn)機(jī)主軸傾角。

6.學(xué)生分組自行設(shè)計(jì)。

學(xué)生思考后知道可以從哪些地方去進(jìn)行設(shè)計(jì)，并把思考的結(jié)果轉(zhuǎn)化成方案，這是理論物化的一個(gè)中間環(huán)節(jié)，也是體現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力的過程。學(xué)生設(shè)計(jì)的方案可能有不恰當(dāng)?shù)牡胤?，這個(gè)時(shí)候就需要參考教科書上的實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的調(diào)整。但教科書上的方案也僅是參考，目的在于給學(xué)生提供一個(gè)思路。在參考實(shí)例后學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)制作才是本過程的核心。這樣不僅能使學(xué)生的動(dòng)手能力得到鍛煉，而且學(xué)生的設(shè)計(jì)思維也能進(jìn)一步與實(shí)際操作相銜接。

（三）行動(dòng)

學(xué)生按照設(shè)計(jì)圖動(dòng)手制作太陽(yáng)能熱水器，教師巡視指導(dǎo)。

這是課堂的中心環(huán)節(jié)，也是學(xué)生最感興趣的一個(gè)環(huán)節(jié)。為了提高學(xué)生的動(dòng)手能力和課堂效率，教師一定要明確分工，讓學(xué)生按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行動(dòng)手制作，在行動(dòng)中讓學(xué)生修正方案。

（四）展示：展示太陽(yáng)能熱水器

1.各小組出示設(shè)計(jì)制作的太陽(yáng)能熱水器的模型，并介紹各自的設(shè)計(jì)理念。

3.檢驗(yàn)我們制作的太陽(yáng)能熱水器。檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)：能夠裝水200毫升，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)把溫度升上去。每隔2分鐘測(cè)一次溫度。為了公平，制訂以下規(guī)則：裝同樣溫度的水，要同時(shí)放在陽(yáng)光下，要實(shí)事求是地記錄數(shù)據(jù)。

4.反思改進(jìn)。（1）提出問題：我們的太陽(yáng)能熱水器在外觀設(shè)計(jì)上是否美觀？（2）我們制作的熱水器升溫和保溫效果怎么樣？有哪些不足？（3）怎樣改進(jìn)才能使我們的熱水器升溫快、保溫效果好？

以上是評(píng)價(jià)交流的環(huán)節(jié)，為了設(shè)計(jì)方案的可靠性、合理性以及科學(xué)性，教師要重視這個(gè)交流環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生相互學(xué)習(xí)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，為后面的反思改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。教師要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用前面的知識(shí)，發(fā)揮創(chuàng)新性，不要局限于已有的方案和作品，以設(shè)計(jì)出更好的簡(jiǎn)易太陽(yáng)能熱水器。

四、“4D課堂”教學(xué)范式的實(shí)施意義

在實(shí)踐過程中，教師根據(jù)“4D課堂”教學(xué)范式開展課堂教學(xué)，課堂教學(xué)流程清晰，教學(xué)環(huán)節(jié)的處理逐步規(guī)范，教學(xué)時(shí)間的分配比較恰當(dāng)，課堂效率得到提升，教師的執(zhí)教水平得到快速發(fā)展。

通過這一教學(xué)流程，教師可以構(gòu)建“動(dòng)腦設(shè)計(jì)、動(dòng)手制作、團(tuán)結(jié)協(xié)作、多元并舉”的STEM課程方法體系，并在此基礎(chǔ)上提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。STEM課程的主導(dǎo)思想是讓學(xué)生在主題項(xiàng)目式的科學(xué)學(xué)習(xí)中進(jìn)行探究、實(shí)踐、思考，整合學(xué)科理論，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。教師應(yīng)根據(jù)不同學(xué)段學(xué)生的特征設(shè)置有梯度、進(jìn)階式的STEM課程，通過實(shí)施STEM理念的教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展和科學(xué)素養(yǎng)的提升。

助推教師用跨學(xué)科的思想與理念解決生活中的實(shí)際問題。在教學(xué)流程中，我們需要運(yùn)用跨學(xué)科的思想去解決一些實(shí)際問題，把解決問題、工程設(shè)計(jì)、研究性學(xué)習(xí)、項(xiàng)目教學(xué)、探索性學(xué)習(xí)等多種教學(xué)理念融合在一起，把不同的、相互有聯(lián)系的學(xué)科或課程融合為一個(gè)整體，讓學(xué)生能綜合運(yùn)用多種技能解決實(shí)際生活中遇到的問題。

開展STEM的教學(xué)活動(dòng)，我們主張通過學(xué)生在參與式的項(xiàng)目學(xué)習(xí)體驗(yàn)中獲得自主學(xué)習(xí)的方法，并不斷提升自學(xué)能力，讓學(xué)生積極動(dòng)手、動(dòng)腦，參與學(xué)習(xí)過程。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)為學(xué)生提供了足夠動(dòng)手做的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的相關(guān)知識(shí)應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界問題，經(jīng)過一系列緊密連貫的體驗(yàn)過程，創(chuàng)生新思想、新設(shè)計(jì)、新產(chǎn)品、新成果。因此，基于STEM的科學(xué)教學(xué)活動(dòng)具有體驗(yàn)性特征，學(xué)生在參與、體驗(yàn)的過程中獲得知識(shí)，這就將獲得過程性與結(jié)果性知識(shí)自然地結(jié)合。這種在參與、體驗(yàn)中習(xí)得知識(shí)的方式為學(xué)生在后期的學(xué)習(xí)中奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。