張宏平 趙連儒

摘 要：STEM教育是全球熱門的教學改革方式之一。在我國STEM教育方興未艾，STEM課程特別是校本資源的STEM課程開發(fā)相對不足，制約STEM教育的深入開展。文章介紹立足校本資源，從人們的實際需要、生活現象和現有工具設備的缺陷、教材中的綜合實踐活動、教材問題的拓展延伸中挖掘出STEM教育素材，或從他人STEM教育成果中挖掘校本特色的STEM教育素材的策略。把人們還沒有解決的真實問題作為研究素材，物化研究成果參加各類科技創(chuàng)新競賽，激發(fā)學生學習積極性。按STEM要求甄別素材，課程的實施處理好分科與跨學科學習、STEM課程整體設計和分步實施、教師的限定和學生的自主探究的關系，以此開發(fā)校本特色的STEM課程，高效地服務于教學。

關鍵詞：STEM教育；校本資源；STEM教育素材

中圖分類號：G632? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1673-8918（2023）16-0006-05

STEM教育強調基于真實情景，以解決現實生活中的實際問題為驅動，綜合應用科學（S）、技術（T）、工程（E）、和數學（M）領域知識，在解決實際問題的過程中探索學習知識，提升素養(yǎng)，其跨學科教育的特性彌補了傳統分科教學的弊端，培養(yǎng)目標與培養(yǎng)復合型創(chuàng)新型人才的時代要求吻合，是全球熱門的教學改革方式之一。但STEM教育在我國方興未艾，在理論層面探索多，實踐環(huán)節(jié)研究相對較少，STEM教育課程的自主開發(fā)相對不足。雖有第三方機構為學校提供可直接使用的STEM課程，但這些課程不能完全適應每個學校的實際情況。本研究嘗試探索在借鑒吸收他人STEM課程資源基礎上，立足校本資源和實際教學需求，挖掘STEM教育素材，開發(fā)校本特色的STEM課程，使STEM教學更加靈活、便捷、更具實效性。

一、 素材的來源

（一）基于生活經驗挖掘素材

“教育和心理學研究表明：當學習的材料與學生已有的知識和生活經驗相聯系時，學生對學習才會是有興趣的”。從學生熟悉的現實生活中挖掘出融合多學科知識才能解決的問題，作為STEM教育素材，更能激發(fā)學生學習的興趣。

1. 從人們的需要中精選STEM教育素材

“STEM學習是探究性學習，探究必須從問題開始”。人們的需求是推動社會技術進步的直接動力。認真觀察日常生活中人們存在的問題和需求，選取那些用學生所學的多學科知識，經過努力才能解決的帶有挑戰(zhàn)性任務，作為STEM教育的素材，學生會有更大的學習興趣。例如，寒暑假來臨，學生在學校教室種養(yǎng)的盆花澆水就成了問題，學生希望在家中就能完成學校盆花的澆水問題。圍繞這一問題的解決，可以整合的生物學知識：植物生長需要的空氣、水分、適宜溫度等條件，植物根吸收水分，莖的疏導，葉光合作用和蒸騰作用，不同花卉葉片大小不同，根系發(fā)達程度不同，對溫度、澆水多少與頻率要求就不同，不同的生物需要不同的環(huán)境等。物理學科水的三種形態(tài)的變化，雨雪的形成等。如何通過網絡利用濕度傳感器遠程測量土壤濕度，利用網絡遠程掌握盆花土壤濕度問題，并通過網絡遠程控制澆水的時間、澆水數量，具體實施基于網絡遠程控制的滴灌控制系統的過程，涉及信息技術、工程，澆水的速度與時間的控制涉及數學計算問題。在這一過程中，學生不僅解決了在家中通過手機或電腦，遠程給學校教室中的盆花精準澆水這一挑戰(zhàn)性問題，而且學習了綜合應用多學科知識解決問題的方法，提升了學生的核心素養(yǎng)。這些問題和相關知識整合起來就是STEM教育的素材。

又如，為防止燒水做飯時水沸騰后沸水外溢，人們需要防止溢水鍋蓋；天然氣爐頭安裝火焰?zhèn)鞲衅?，當火焰?zhèn)鞲衅鳈z測不到天然氣爐頭的火焰時，天然氣閥門立即關閉并報警，提醒主人立即采取必要的措施；把控制的電器開關改為通過控制光信號的通斷，進而控制電路通斷的結構，徹底防止人用潮濕的手觸碰電器開關時發(fā)生觸電現象；人們在醫(yī)院輸液體時，用液位傳感器在液體臨近輸完時，給病人和醫(yī)務人員報警；學生看書寫字時，眼睛距離書本太近，可利用超聲波傳導信號警報，提醒主人調整坐姿等。先找人們存在的實際問題，然后從中精選那些利用學生所學的多學科知識可以解決的挑戰(zhàn)性問題，尋求各學科之間的共同點和交叉點，分析學科知識間的內在聯系，明確聯系各知識點的驅動性問題，綜合運用相關學科知識，研究和解決工程問題。把這些問題和相關知識整合起來作為STEM教育素材，既能解決人們生活中的實際需求，又可以讓學生學習科學知識，提升學生核心素養(yǎng)，學生能夠表現出濃厚的學習興趣。

2. 分析已有產品的缺陷，從中挖掘STEM教育素材

分析現有產品中存在的缺陷與問題，針對問題提出解決辦法，精選那些學生能用所學的跨學科知識解決產品缺陷，并制做出消除原有產品缺陷的全新產品項目，以解決產品缺陷作為驅動性問題，整合解決問題時所涉及的相關聯的多學科知識，即可作為一個新的STEM項目素材。不僅使學生更好地提高學生分析問題、解決問題的能力，又能催生出新的有實用價值的新產品，解決人們生活中的難題。

聲光控制開關是學校等公共場所普遍使用的電器自動控制開關，夜晚有人經過開關控制區(qū)域并發(fā)出聲響后，開關控制的燈泡就會亮，但現有聲光控開關當夜晚有過往的車輛等設備發(fā)出響聲時，系統會誤判為有人經過，燈泡會亮，浪費電能資源。針對這一弊端，在現有設備的基礎上增加接收人體紅外線的二極管及其相關電路，夜晚只有有人經過時，開關才閉合，燈泡才會亮。該問題的解決既涉及多學科知識，又催生出新產品，是理想的STEM教育素材。

3. 基于生活現象挖掘素材

像牛頓觀察思考蘋果落地發(fā)現萬有引力定律一樣，留意觀察并思考生活中的每一個司空見慣的現象背后隱藏的科學問題，挖掘出現象背后包含的具有挑戰(zhàn)性、用多學科知識才能解決的問題，作為STEM教育的素材。

從土地里新挖出的大蒜，如果把它植入土壤中或水培，大蒜并不發(fā)芽，深入探究這一問題，原來是大蒜在休眠。把新挖出的大蒜放在冰箱里冷凍幾天，模擬冬季來臨的環(huán)境，大蒜就“以為冬天已經過去”而結束休眠，然后再水培大蒜，大蒜就正常發(fā)芽。水培大蒜生長一段時間后，就會出現根部腐爛現象，圍繞水培大蒜爛根原因探究與防治，可以整合多學科知識學習，植物生長的條件，種子的休眠、冬眠，涉及生物學科，大蒜的生長周期涉及數學知識。

諸如此類的生活現象很多，只要是用學生所學跨學科知識可以解決的問題都可作為STEM教育的素材來源。

（二）基于教材挖掘STEM教育素材

1. 教材中的綜合實踐改進后作為STEM素材

實施STEM的有效教學，“要發(fā)展學生的素養(yǎng)，教學最核心的是思維，STEM實際上最核心的還是‘做，不是按照程序做，而是讓學生去思考、去設計”?？茖W教材中有動手操作的制作活動，常融合多學科知識，把這些實踐操作加以改造就是很好的知識體驗型的STEM教育的素材。

例如，“建高塔”是教科版小學《科學》教材中的制作活動。讓學生動手建造高塔，體驗上輕下重，上小下大，中間鏤空的結構的高塔穩(wěn)定性好、造價低且不易倒。什么樣的設計可實現這些功能，該怎樣制作設計，所用材料的長短規(guī)格的選用與計算等，綜合應用科學、技術、工程、數學方面的知識。教材中用塑料吸管材料做骨架，用塑料膠袋來固定塑料吸管的連接部位，但用塑料膠袋固定和連接塑料吸管，其堅固性不理想，可讓學生頭腦風暴改進方案，如用芨芨草棍子代替塑料吸管，用建筑領域外墻保溫用的阻燃隔熱擠塑聚苯板或高密度泡沫塑料小方塊連接芨芨草棍子，有不錯的效果。或用L型?？堊o邊做骨架，用螺絲連接?？堊o邊，可以做出一個高而堅固的高塔，效果震撼。

教材中的類似的設計制作很多，如反沖力小車、做紙橋、做紙飛機、制作太陽能熱水器、制作1分鐘計時器、水火箭、氣體火箭等，都可作為STEM教育的素材。

2. 拓展延伸教材中的問題作為STEM教育素材

教科版小學《科學》教材中有用1.5V干電池、導線、小燈泡組成的電路檢測材料是導體還是絕緣體的內容，把被檢測材料串聯接入電路后，小燈泡亮，被檢測材料就是導體，小燈泡不亮，檢測材料就是絕緣體。把人體接入該檢測電路，小燈泡不亮，按照教材的判斷標準，人體是絕緣體，但日常生活中，有時會發(fā)生人體觸電的現象，顯然，人體應當是絕緣體?？梢园讶梭w是導體還是絕緣體作為驅動性問題，整合多學科知識來解決。引導學生討論，把人體接入電路后，小燈泡不亮，是只有一種可能性，人體與小燈泡沒有電流流過，還是人體與小燈泡沒有電流流過和流過人體與小燈泡的電流太小，達不到小燈泡發(fā)光的條件兩種可能性都有？在沒有更加靈敏的檢測儀器的情況下，拓展延伸給學生介紹三極管，三極管基極有微弱電流流過時，集電極、發(fā)射極之間就會有較大電流流過，相當于是把微小電流放大，在它們中間接入發(fā)光二極管，二極管就會發(fā)光。學生在教師的引導下，自己動手制作可檢測人體、花草樹木、潮濕抹布、泥土等是否導電的靈敏電流檢測儀，用物理、技術、工程等多學科知識給驅動性問題給出了答案。

（三）有選擇地借鑒吸收他人的STEM研究成果

自主開發(fā)課程并不排斥吸收他人優(yōu)秀研究成果。他人的STEM素材與實施方案，既不完全照抄照搬，也不一味地拒絕排斥，而是采取批判的、吸收的態(tài)度，去其糟粕，取其精華，為我所用。對符合學生實際的優(yōu)秀案例和素材，可以直接拿來為我所用，對其中有不妥之處，或有進一步完善意向的項目，可根據自己的需求加以改進。例如，有一STEM項目是讓學生制作正好裝一升牛奶的罐子，可改進為幾個小組分別做不同形狀的能盛一升牛奶的不同形狀的容器，最后，教師在做好的容器中加入一升牛奶驗證，看哪個小組做得最準確。另外，還可繼續(xù)拓展，如果教師給你的是靈敏電子秤，只能稱出牛奶的重量，該怎么辦？由此引出重量與體積大小間的計算，將S、T、E、M有機整合在了一個項目中。

（四）兼顧研究解決真實問題與參加科技類競賽

在選擇STEM教育中的驅動性問題時，驅動性問題可以是人們已經解決的問題，讓學生在學習的過程中、做的過程中驗證、體驗多學科知識在實際生活中的應用，同時也可以是人們還沒有解決的實際問題，需要教師引導學生用跨學科知識去解決。堅持創(chuàng)新價值取向，同等條件下優(yōu)先選擇那些人們還沒有解決的真實問題，鼓勵師生能由此設計或改進開發(fā)出新產品，用多學科知識去解決人們還沒有解決的難題，不僅能提升學生用跨學科知識解決實際問題的能力，設計開發(fā)的新產品還能參加各類科技創(chuàng)新大賽，讓學生體驗成功的快樂，還能激發(fā)學生的學習積極性，教師也能有更大的收益和成就感。

二、 素材的甄別

（一）STEM教育要有物化成果

STEM教育最出彩的地方就是技術和工程。STEM教育的學習是通過物化產品來進行的，STEM不能只有知識的學習，而沒有終極物化產品。所選的素材中一定要有讓學生動手操作的內容，要有設計和制作，也就是讓學生在“做中學”。STEM要有需要解決的問題，不論你選擇的問題是像文章中所述的建高塔、建紙橋、做紙飛機那樣，問題的解決方案教材中已經提供，側重于讓學生在建造、制作的過程中，驗證、體驗教材已經學習的單元知識的具體應用，還是像解決杏仁外殼破殼過程中降低噪聲問題，問題沒有解決方案，是針對未知問題的探索，需要師生自己開動腦筋，綜合應用所學的多學科知識，自己動手設計制作全新的低噪聲杏仁外殼破殼機，解決杏仁外殼的破殼難問題，兩種情況問題的解決都離不開物化的成果，物化的產品。這個物是學生自己動手做出來的，不同于科學實驗中教師提供的實驗設備和儀器的那個物。學生的動手也不同于科學實驗中的那個動手。科學實驗中的動手是如何用物品，而STEM教育的動手是用材料造新的物品。沒有學生為解決問題而動手制作的終極物化產品，用再多的物體，動手做再多的實驗操作，也不是STEM教育。作為項目最終產出的這個物化成果可以是多樣化的，可以是一篇論文、一條結論，如大蒜水培爛根的原因，或大蒜水培爛根現象的防治措施就是一條結論；也可以是一個新產品，如低噪聲杏仁外殼破碎機，是無中生有的新產品；還可以是原有產品的重大創(chuàng)新和改進，如紅外線聲光控制電器開關。

（二）STEM教育必須基于跨學科知識的學習

STEM強調有物化研究成果，但所選定素材“必須基于知識學習，而且是知識的綜合學習”。必須以跨學科知識學習為基礎，不能只強調物化產品和解決人們的難題而忽視跨學科知識的學習，強調發(fā)明創(chuàng)造而忽視STEM是基于項目、問題的探究，是為了提升學生的跨學科學習能力，為了在用跨學科知識解決實際問題的過程中更好地理解和應用學科知識。STEM教育強調創(chuàng)新，但不能把STEM教育等同于創(chuàng)客教育。STEM教育強調要有為解決驅動性問題而產生的物化成果，強調在制作物化產品過程中學習，而創(chuàng)客教育只強調發(fā)明出新的作品解決人們的難題，不關注學習過程是否發(fā)生。如果只強調解決問題和物化產品而忽視學習本身，所謂STEM教育就成了創(chuàng)客教育。

（三）STEM教育整合的知識必須有內在聯系

STEM所選各學科知識之間在解決驅動性問題方面要有內在的聯系，是基于解決驅動性問題的知識，是培養(yǎng)學生實踐精神和創(chuàng)新能力相關聯的知識。不能為了跨學科而跨學科，是為了解決問題而跨學科。整合的跨學科知識間不能是沒有關聯的一盤散沙，所整合的各學科知識點之間要有交叉點，各個知識點之間是一種融合關系，各知識點是服務于驅動性問題解決的。判斷融合的標準是看這些知識是否存在關聯，是否有利于驅動性問題的解決?？鐚W科整合是相互聯系的知識的融合，而不是相互關聯的知識的機械組合和簡單羅列，是一種有目的的融合，而不是隨意的組合。例如，探究花卉遠程澆水系統，與水有關的知識很多，不能把與水有關的知識來個大羅列，只選與解決驅動性問題有關的水知識。植物生長的條件、花卉葉片的大小、葉片蒸騰作用、水的三種形態(tài)的循環(huán)，這些知識都與植物生長和遠程澆灌有關，可以整合，但語文教材寫水分的詩句，地理學科中我國水資源分布，化學學科中水的化學結構，數學上鹽水濃度配比計算，水的體積重量計算，與主題無關，或相去太遠，就不必整合了?？茖W課程的綜合性、實踐性特征，決定了適合跨學科整合的知識是科學知識，而不是文史類知識。不提倡教師絞盡腦汁去研究文科知識的跨學科教學，是否需要文科知識跨學科教學，看文科知識對解決驅動性問題有無關聯。

三、 課程的實施

（一）處理好傳統分科課程和跨學科綜合課程之間的關系

傳統的分科教學學生能系統學習專業(yè)知識，知識系統連貫，扎實，但只有分科知識的學習，沒有跨學科知識的學習，弱化學生用跨學科知識解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力。用跨學科的綜合性學習代替分科學習，會使相互聯系的知識相互割裂，知識的學習不系統。分科知識的學習不扎實，綜合性學習失去了基礎，不能用STEM分科學習取代綜合的跨學科課程的學習。在經過一段時間系統的分科知識學習后，還需要以解決驅動性問題為載體，融合所學多學科知識解決驅動性問題，培養(yǎng)學生創(chuàng)造性解決實際問題的能力，檢驗體會知識在實際問題中的應用時在選擇跨學科的STEM教育。必須以分科教學為主，綜合的跨學科學習為輔。

（二）處理好STEM課程整體設計和分級實施的關系

STEM教育的內容整體要與學生的知識結構、認知能力匹配，可以在學生現有的知識結構基礎上適度拓展，完成一些帶有挑戰(zhàn)性任務，以激發(fā)學生學習的興趣。另外，還可以利用科學社團對學生進行某個領域、某個模塊知識的學習，但學習的知識要有系統性、連貫性，基于學生學習的內容，對照學生學科知識分解到不同年級，讓學生通過進階，完成系統化的學習內容。不能跨學段、跨年級進行學生根本沒有學過的內容，讓學生死記硬背。

（三）處理好STEM中教師指導和學生的自主探究的關系

STEM教育強調基于生活中的實際問題的探究性學習，探究必須從問題開始。這個需要解決的基于生活實際的真實問題，可以由教師給定，也可以由學生自己收集。教師給定的問題，有的屬于已有知識的驗證，如建高塔，讓學生通過動手實踐驗證上小下大，上輕下重、中間鏤空、有三角形結構加固的框架結構的高塔穩(wěn)定性最好，不是讓學生固定的按照程序做，而是讓學生去思考、去設計；有的屬于對未知的問題的探索，比如，低噪聲杏仁外殼破碎機，教師要加以啟發(fā)引導，讓學生自己去設計，去制作。如果是學生自己發(fā)現的問題，要加以一定的條件限制，“如果沒有一定的限定條件，與科學家發(fā)現問題完全一樣，本身不是學生的學習。因此，STEM的問題既需要開放和創(chuàng)造，也需要一定的限定”。否則，學生的研究會漫無邊際，費時費力達不到預期效果。STEM教育不是學生按照教師公布方案按程序機械制作，也不是學生沒有限定地完全像科學家那樣的研究，而是在教師引導下有目的地自主探究。

四、 活動評價

（一）活動的評價

制訂STEM評價方案與評價的指標體系，實施STEM教育的評價，是不斷優(yōu)化STEM教育方案，提高STEM教育成效，推進STEM教育深入開展的重要環(huán)節(jié)。STEM教育評價，可以由設計實施STEM教育的跨學科團隊對課程的方案設計、實施過程、實施效果等進行評價，可以由學生評價，也可以委托STEM教學團隊和學生以外的第三方專業(yè)評估機構評價。

（二）課程設計方案評價

主要看STEM四個模塊是否都具備，是否設計有驅動性問題，是否重視學生的動手操作，是否有物化研究成果，跨學科的學習是否真正發(fā)生，是否整合了多學科知識，各跨學科的知識是否與解決問題相關聯。

（三）課程實施過程評價

看是否體現了學生的主體地位，學生的思維是否活躍，學習是否真正發(fā)生，學生是否真正動手參與活動設計與制作，學生學習是否有積極性，教師主導是否恰當，是否有教師越位現象。

（四）課程實施結果評價

堅持定量分析與定性分析相結合的辦法，對課程實施效果整體評價。看課程設計的目標是否達到，是否有助于學生解決實際問題能力等核心素養(yǎng)的提升以及物化成果的等級評價、學生對知識掌握情況的評價等。

總之，選擇適合用跨學科知識解決的那些生活問題作為STEM教育素材來源，按知識是否有機聯系，跨學科學習是否真正發(fā)生進一步去甄別素材，處理好課程實施過程中分科與跨學科等關系，STEM教育才能更加靈活、高效。

參考文獻：

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