摘要：《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中提出了小學(xué)科學(xué)的十三個核心概念，其中“技術(shù)、工程與社會”“工程設(shè)計與物化”是兩個重要的核心概念。STEM教育是融合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)于一體的綜合教育，教師將STEM教育理念融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)，可以更好地激活學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：STEM教育；小學(xué)科學(xué)；教學(xué)設(shè)計

STEM教育是融合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)于一體的綜合教育，以項目或問題驅(qū)動的方式進行活動，在活動中強調(diào)從多學(xué)科、多角度創(chuàng)造性地解決實際問題。在STEM教育理念下，教師通過創(chuàng)設(shè)真實的探究情境，以具體的研究項目為驅(qū)動任務(wù)，以問題為引領(lǐng)，通過激活學(xué)生的科學(xué)思維，引導(dǎo)學(xué)生綜合運用所學(xué)的知識創(chuàng)造性地解決問題。STEM教育注重跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方式，強調(diào)在探究過程中展開動手實踐，學(xué)生能夠通過強化知識的運用，增加實際操作的體驗，激發(fā)學(xué)習(xí)的熱情，促進與同伴之間的溝通、協(xié)作。小學(xué)科學(xué)是一門綜合性很強的基礎(chǔ)課程，涵蓋了物理、化學(xué)、生物、地理、天文、數(shù)學(xué)、勞動等多學(xué)科的知識，倡導(dǎo)以探究實踐活動為主要的學(xué)習(xí)方式，課程內(nèi)容包括物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)、技術(shù)與工程等領(lǐng)域的知識，每個領(lǐng)域中都包含大量的STEM教育內(nèi)容。因此，將STEM教育理念融入小學(xué)科學(xué)探究實踐中，可以強化學(xué)生的動手實踐能力，激活學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生解決問題的能力，促進學(xué)生的合作交流，更好地提升學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。

STEM教育理念的內(nèi)涵是跨學(xué)科融合，突出學(xué)科間的聯(lián)系，倡導(dǎo)項目式學(xué)習(xí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，綜合運用多學(xué)科知識，在動手實踐中解決生活中的實際問題。在教學(xué)設(shè)計時，教師要針對學(xué)習(xí)內(nèi)容，分析完成STEM教育所需要的材料、知識、技能、方法，設(shè)計出融合STEM教育理念的教學(xué)目標(biāo)，明確教學(xué)流程和教學(xué)評價。

一、基于STEM教育理念的小學(xué)科學(xué)教學(xué)設(shè)計整體流程

STEM教育以項目研究為突破口，倡導(dǎo)學(xué)生綜合運用多學(xué)科知識，在情境中發(fā)現(xiàn)問題，以解決問題為目標(biāo)展開科學(xué)探究。將STEM教育理念充分融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)時，教師要以項目學(xué)習(xí)的方式引導(dǎo)學(xué)生在真實的情境中發(fā)現(xiàn)問題，在動手實踐的過程中創(chuàng)造性地解決問題。在進行教學(xué)設(shè)計時，教師可結(jié)合以下教學(xué)流程展開（見圖1）。教學(xué)活動主要包括觀察發(fā)現(xiàn)、提出問題—科學(xué)探究—工程設(shè)計—成果展示、評價交流四個環(huán)節(jié)，其中觀察發(fā)現(xiàn)、提出問題環(huán)節(jié)是開展STEM教育的基礎(chǔ)，工程設(shè)計環(huán)節(jié)是開展STEM教育的核心。各環(huán)節(jié)之間相互影響，有機融合，都注重在問題中激活學(xué)生的科學(xué)思維，促進學(xué)生自主參與探究的全過程，使學(xué)生能夠靈活運用知識解決實際問題。

觀察發(fā)現(xiàn)、提出問題環(huán)節(jié)需要教師創(chuàng)設(shè)真實的探究情境，為學(xué)生提供充足的探究資源，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生進行科學(xué)觀察、發(fā)現(xiàn)問題，進而提出有價值的探究問題。此環(huán)節(jié)重在激趣引思，使學(xué)生帶著問題開展深度探究。科學(xué)探究環(huán)節(jié)需要教師引導(dǎo)學(xué)生針對提出的探究問題展開合理的猜想，進行驗證假設(shè)，經(jīng)歷“提出問題—作出假設(shè)—制定計劃—驗證假設(shè)—表達和交流”等探究的過程。此環(huán)節(jié)重在提高學(xué)生參與的主動性，使學(xué)生明確探究的任務(wù)，掌握探究的方法。工程設(shè)計環(huán)節(jié)需要教師在科學(xué)探究結(jié)果的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生有效開展項目設(shè)計。此環(huán)節(jié)重在合理設(shè)計方案、進行有效指導(dǎo)。成果展示、評價交流環(huán)節(jié)需要教師為學(xué)生搭建展示成果的舞臺，各小組間進行評價交流，不斷完善作品。此環(huán)節(jié)重在作品展示、多元評價。

二、基于STEM教育理念的小學(xué)科學(xué)教學(xué)實踐應(yīng)用

基于STEM教育理念設(shè)計的教學(xué)活動要體現(xiàn)出多樣化的教學(xué)方法、綜合性的知識內(nèi)容、項目化的學(xué)習(xí)方式、多元化的評價方式，注重對學(xué)生問題意識、動手實踐能力、問題解決能力的培養(yǎng)，使學(xué)生在動手探究的過程中提高綜合素養(yǎng)。

（一）選擇教學(xué)內(nèi)容

“太陽鐘”是蘇教版科學(xué)教材四年級下冊第2單元“地球、月球與太陽”中的第4課，它是地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域的重要教學(xué)內(nèi)容。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教學(xué)方法主要以講授法、探究法為主，教師將日晷的計時原理和結(jié)構(gòu)以講述的方式傳授給學(xué)生，學(xué)生雖然掌握了相關(guān)知識，但沒有經(jīng)歷思考的過程，主動學(xué)習(xí)意識較差。教學(xué)過程中，教師缺乏對日晷結(jié)構(gòu)和原理的分析，學(xué)生并不能展開深度探究，無法體會到知識應(yīng)用的價值，更無法培養(yǎng)科學(xué)核心素養(yǎng)?！疤栫姟敝黝}具有綜合性、實踐性、探究性等特點，開展STEM教育可以激活學(xué)生的科學(xué)思維，在跨學(xué)科學(xué)習(xí)的探究過程中全面提升綜合素養(yǎng)。

（二）確定學(xué)時

主題探究實踐活動是一個長周期的教學(xué)活動，本次STEM教育實踐活動需要7個學(xué)時。其中，地球自轉(zhuǎn)的狀態(tài)、北京時間、真太陽時、正南方向、地理緯度等理論知識的學(xué)習(xí)以學(xué)生自主探究的方式開展，引導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)及建立模型開展探究，用2個學(xué)時。教師引導(dǎo)學(xué)生進行成果匯報與交流，使學(xué)生初步理解日晷的制作原理等，用1個學(xué)時。在學(xué)生獲得了對日晷的初步認識后，成立探究實踐小組，每組6人，共7組，然后分組開展日晷裝置的工程設(shè)計，其中包括設(shè)計、完善方案的匯報交流等活動，用2個學(xué)時。小組動手實踐，制作日晷作品，用1個學(xué)時。最后，展示與評價日晷作品，用1個學(xué)時。

（三）分析教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)除了常規(guī)的三個維度外，還要體現(xiàn)STEM教育理念的教學(xué)目標(biāo)，具體列出科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個方面的目標(biāo)要求。針對五年級學(xué)生的學(xué)習(xí)特點、認知規(guī)律和學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，設(shè)計恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)目標(biāo)，可以為學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題、創(chuàng)造性地解決問題指明方向。STEM教育理念下的課堂有別于其他常規(guī)課，要突出科學(xué)知識應(yīng)用、動手實踐創(chuàng)作、工具技術(shù)使用、工程圖紙設(shè)計、數(shù)學(xué)實際應(yīng)用等活動設(shè)計。在教學(xué)設(shè)計時，教師還要考慮為學(xué)生提供充足的探究資源。

在學(xué)習(xí)“太陽鐘”一課時，學(xué)生在制作日晷前，要明確日晷的原理、結(jié)構(gòu)、樣式，了解制作晷盤、晷面、晷針、底座等的材料，知道地球自轉(zhuǎn)的狀態(tài)、北京時間、真太陽時、正南方向、地理緯度等常識；在動手制作時，會用適當(dāng)?shù)墓ぞ弋嫵鲋睆缴源笠恍┑膱A形，會用剪刀、量角器、直尺、膠水、錐子、指南針等工具，制作、黏合日晷的各個部件；在測試時，能對照制作任務(wù)方法及要求展開調(diào)試，并能做出合理的調(diào)整和優(yōu)化。本課具體的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計詳見表1。

（四）教學(xué)評價設(shè)計

在教學(xué)中，教師可采用多元化教學(xué)評價，從不同維度對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力進行綜合性評價，可以用過程性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合的方式，提高學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。過程性評價是教師對學(xué)生在STEM教育實踐活動中的參與態(tài)度、探究能力、合作意識、交流能力、加工處理能力、繪圖能力、設(shè)計能力等各維度表現(xiàn)進行綜合性評分。總結(jié)性評價是教師對學(xué)生提交的作品從實用效果、展示效果、耐用程度、美觀程度等方面進行綜合性評分。

（五）具體教學(xué)過程

本課是基于STEM教育理念的教學(xué)設(shè)計，因此要包含科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個方面的維度，從科學(xué)的角度提出問題“日晷的計時原理是什么？日晷的晷面為什么要傾斜擺放？”從技術(shù)的角度探究“怎樣確定日晷的晷面與地面的夾角？”從工程的角度利用合適的材料制作計時準(zhǔn)確的日晷，從數(shù)學(xué)的角度設(shè)計日晷晷面的形狀、計時刻度并分清正南方位。通過創(chuàng)設(shè)真實的情境，學(xué)生能在科學(xué)探究和工程設(shè)計制作的過程中主動獲取科學(xué)知識、掌握探究方法、領(lǐng)悟科學(xué)精神。

1.觀察發(fā)現(xiàn)，提出問題

教師可以通過創(chuàng)設(shè)各種問題情境，引發(fā)學(xué)生深入思考，提出有價值的探究問題，如播放古人觀察太陽東升西落的動畫，引導(dǎo)學(xué)生找出旗桿影子的變化規(guī)律，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)旗桿影子均速地由西向東移動。教師啟發(fā)學(xué)生思考：你能猜測出古人是怎樣計時的嗎？在學(xué)生交流后，教師出示日晷的教學(xué)模型，讓學(xué)生觀察日晷的特點，引導(dǎo)學(xué)生從工程師的角度思考，提出問題：日晷的晷針為什么不是垂直地平面，而要傾斜一定的角度？這個傾角到底是多少度？

2.科學(xué)探究

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)“作出假設(shè)—制定計劃—驗證假設(shè)—表達和交流”的環(huán)節(jié)對晷面傾角的問題展開深度探究。在作出假設(shè)階段，教師將日晷的晷面平放在操場上，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)日晷上顯示的時間與標(biāo)準(zhǔn)時間相差半個小時左右，而當(dāng)晷面與地面呈現(xiàn)一定的角度后，日晷的計時再次準(zhǔn)確起來。這時，教師出示地球儀，引導(dǎo)學(xué)生觀察地軸。學(xué)生會發(fā)現(xiàn)地軸是傾斜的，地軸與赤道面是垂直的。通過對比觀察，學(xué)生激活了科學(xué)思維，展開了大膽猜測：日晷的晷面與赤道面平行，晷針與地軸平行，晷針與地平面的夾角等于當(dāng)?shù)氐木暥?。隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生制定計劃，用數(shù)學(xué)方法驗證晷針與地平面的夾角與當(dāng)?shù)鼐暥鹊年P(guān)系，并用模擬實驗的方法再次進行驗證，再通過交流深度理解日晷的晷針與地平面這個傾角。

3.工程設(shè)計

進入工程設(shè)計環(huán)節(jié)后，教師要對學(xué)生的活動進行適當(dāng)指導(dǎo)和調(diào)控，使學(xué)生在確定完善的優(yōu)選方案后，根據(jù)工程設(shè)計的思路進行日晷設(shè)計。晷針與地平面的傾角等于當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?，這個角度是否準(zhǔn)確是制作日晷的關(guān)鍵。各小組可以根據(jù)自己的方法設(shè)計日晷的外形，準(zhǔn)確測量出這個角度。各小組沿著“確定問題—設(shè)計方案—制定標(biāo)準(zhǔn)—設(shè)計原型—效果測試—改進完善—發(fā)布成果”的思路開展日晷裝置的設(shè)計與制作。

4.成果展示，評價交流

小組成員可以分工負責(zé)匯報的內(nèi)容，介紹日晷的工作原理、使用方法、測試結(jié)果、制作過程和注意事項。在小組成員進行日晷作品展示交流時，其他小組和教師要根據(jù)作品評價單進行打分（見表2）。教師要對學(xué)生的作品進行總結(jié)，指出作品的優(yōu)點和設(shè)計制作過程中存在的問題。

STEM教育將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個學(xué)科有機整合，加強了各學(xué)科間的聯(lián)系，能夠調(diào)動學(xué)生的探究熱情，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)?？茖W(xué)教師要深刻領(lǐng)會學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，積極開展STEM教育實踐，將立德樹人的根本任務(wù)切實落實到課堂教學(xué)活動中。

參考文獻：

［1］王馮祥. STEM活動融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)的實踐探索［J］.遼寧教育，2023（11）.

［2］李慧慧，楊文正，許秋璇.基于STEM的小學(xué)科學(xué)教學(xué)活動設(shè)計與應(yīng)用案例研究［J］.中小學(xué)電教，2020（Z1）.

（責(zé)任編輯：楊強）

作者簡介：宗若燦，營口實驗學(xué)校高級教師。