科技類校本課程“STEM化”的實(shí)踐與思考獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

科技類校本課程“STEM化”的實(shí)踐與思考獲獎(jiǎng)科研報(bào)告校本課程；STEM教育；跨學(xué)科教學(xué)

隨著課程改革的不斷推進(jìn)和深化，STEM教育正以其不同于分科教學(xué)的跨學(xué)科整合課程的方式受到極大關(guān)注。我國(guó)的STEM教育仍處于初級(jí)階段，課程資源嚴(yán)重不足，而花費(fèi)大量資金引進(jìn)國(guó)外的原版STEM課程資源，又難免“水土不服”。為了解決課程資源不足的問題并實(shí)現(xiàn)STEM教育的本土化，筆者嘗試把傳統(tǒng)的科技類校本課程打造成具有鮮明STEM特征的課程資源，并開展了相關(guān)實(shí)踐研究，總結(jié)歸納了一些行之有效的方法和措施。

一、明確STEM教育的核心特征

綜合國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于STEM教育的研究，可將其核心特征歸納為以下九個(gè)方面。一是跨學(xué)科，這是STEM教育最重要的核心特征，它意味著教育的重點(diǎn)不在某個(gè)特定學(xué)科上，而是將重心放在特定的問題上，強(qiáng)調(diào)綜合利用多門學(xué)科的知識(shí)來解決問題。二是趣味性，STEM教育重視分享和創(chuàng)造，強(qiáng)調(diào)使學(xué)生能夠從分享和創(chuàng)造的過程中獲得樂趣與成就感。三是體驗(yàn)性，強(qiáng)調(diào)學(xué)生以動(dòng)手、動(dòng)腦的方式參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，在這種體驗(yàn)式的過程中，不僅獲得“陳述性知識(shí)”，還習(xí)得蘊(yùn)含在項(xiàng)目問題解決過程中的“程序性知識(shí)”。四是情境性，STEM教育不直接傳授學(xué)生學(xué)科知識(shí)，而是鼓勵(lì)把知識(shí)還原于生活，常以生活中面臨的實(shí)際挑戰(zhàn)作為問題情境，激發(fā)學(xué)生綜合運(yùn)用多種知識(shí)解決實(shí)際問題。五是協(xié)作性，特別強(qiáng)調(diào)通過團(tuán)隊(duì)成員之間的互相幫助和互相啟發(fā)進(jìn)行群體知識(shí)建構(gòu)，往往采用小組合作方式，共同搜集、共享、分析或處理信息，提出多種假設(shè)并展開驗(yàn)證，評(píng)價(jià)也更多地針對(duì)團(tuán)隊(duì)而非個(gè)人。六是設(shè)計(jì)性，要求學(xué)習(xí)產(chǎn)出環(huán)節(jié)要包含設(shè)計(jì)作品，通過設(shè)計(jì)促進(jìn)知識(shí)的融合與遷移，通過作品外化學(xué)習(xí)的結(jié)果，外顯習(xí)得的知識(shí)和能力。設(shè)計(jì)作品的質(zhì)量可以體現(xiàn)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維、靈活運(yùn)用技術(shù)和綜合運(yùn)用知識(shí)的能力水平。七是藝術(shù)性，強(qiáng)調(diào)在工程設(shè)計(jì)過程中體現(xiàn)美感，提高作品的藝術(shù)性。八是實(shí)證性，這不僅是STEM教育的一個(gè)特征，更是科學(xué)區(qū)別于其他學(xué)科的重要特征，強(qiáng)調(diào)基于證據(jù)驗(yàn)證假設(shè)，以實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度來開展研究。九是技術(shù)增強(qiáng)性，STEM教育強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者要具備一定的技術(shù)素養(yǎng)，要求習(xí)得并較熟練掌握技術(shù)手段，從而利用技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意，將構(gòu)想形象化，創(chuàng)造制作形成實(shí)物作品[1]。

傳統(tǒng)的科技類校本課程往往只強(qiáng)調(diào)某一類技術(shù)的傳授，或者根據(jù)某一載體以特定內(nèi)容和固定方式開展動(dòng)手實(shí)踐活動(dòng)，雖然也具有活動(dòng)內(nèi)容有趣、鼓勵(lì)學(xué)生小組合作、指導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手制作等特點(diǎn)，但往往不能完全涵蓋以上所提及的STEM教育的特征，在跨學(xué)科融合、基于現(xiàn)實(shí)問題的情境創(chuàng)設(shè)以及技術(shù)增強(qiáng)性等方面有明顯的缺失。

二、挖掘科技課程內(nèi)容中值得放大的關(guān)鍵點(diǎn)

并非所有的課程內(nèi)容都適合開發(fā)為STEM課程。這就需要教師重新審視課程內(nèi)容體系，從中挖掘值得大做文章的關(guān)鍵點(diǎn)。由于STEM課程離不開工程設(shè)計(jì)，因此在整個(gè)課程內(nèi)容中，可首選涉及動(dòng)手制作的活動(dòng)作為值得進(jìn)一步開發(fā)的內(nèi)容。以“創(chuàng)意航天”校本課程為例（曾榮獲首屆全國(guó)校本課程設(shè)計(jì)大賽特等獎(jiǎng)），是比較成熟的科技類校本課程，從整體內(nèi)容框架上可以看出其具有完整的系統(tǒng)性和連續(xù)性（見表1）。

為了在此基礎(chǔ)上開發(fā)出能夠促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展的STEM課程，必須勇于突破常規(guī)，打破原有課程體系的固有模式。從表中內(nèi)容可見，第一章主要是“講解有關(guān)航天科技的常識(shí)和基礎(chǔ)知識(shí)”，并不適合改版為STEM課程資源。而第二章中的“運(yùn)載火箭”“航天飛機(jī)”“人造衛(wèi)星”“宇宙空間站”等有關(guān)航天科技領(lǐng)域中的實(shí)體內(nèi)容就比較適合轉(zhuǎn)化成STEM課程資源。因?yàn)椋@些內(nèi)容涉及具體的模型制作，可與工程設(shè)計(jì)結(jié)合起來。其中“飛天利劍——運(yùn)載火箭”部分就擴(kuò)展衍生出了STEM課程“水火箭”的內(nèi)容框架（見表2）。

三、創(chuàng)設(shè)趣味情境，將體驗(yàn)活動(dòng)任務(wù)化

傳統(tǒng)的科技類校本課程往往以具體的套材作為載體開展相應(yīng)的制作活動(dòng)，較少創(chuàng)設(shè)趣味化的情境。而STEM課程更強(qiáng)調(diào)在具有趣味性的情境中去解決真實(shí)的問題，以問題或任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，來完成項(xiàng)目作品或形成解決方案。因此，將課程中的具體教學(xué)內(nèi)容融入一個(gè)有趣并有意義的情境中，是STEM教學(xué)活動(dòng)的必要前提。

以“水火箭的制作”活動(dòng)為例，傳統(tǒng)的授課方式是：教師向?qū)W生展示一枚水火箭模型，然后講解水火箭的結(jié)構(gòu)和各部分的作用，接著指導(dǎo)學(xué)生用飲料瓶等材料仿制一枚水火箭，最后帶領(lǐng)學(xué)生到戶外發(fā)射模型。而作為STEM課程則不然，需要教師根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)創(chuàng)設(shè)一個(gè)有趣的情境，如一個(gè)外星人入侵地球的故事，并匹配相應(yīng)的視頻短片來渲染氣氛。

【創(chuàng)設(shè)情境】——“精準(zhǔn)打擊”

隨著科技的飛速發(fā)展，人類對(duì)空間的探索不斷加深，我們終于發(fā)現(xiàn)地球不是宇宙中唯一存在生物的星球。在與地外文明接觸的過程中，也暴露了地球在宇宙中的坐標(biāo)位置。終于不幸降臨，一群外星生物先遣隊(duì)入侵地球，在世界各地建立起要塞據(jù)點(diǎn)。我們必須要趕在外星生物大部隊(duì)到來之前摧毀這些要塞據(jù)點(diǎn)，才能挽救人類，保衛(wèi)地球。勇士們，為了我們共同的家園，馬上拿起你的武器實(shí)施精準(zhǔn)打擊吧！

學(xué)生在觀看了外星人入侵地球的科幻電影短片后，被這個(gè)充滿神秘感的故事情節(jié)所吸引，在旁白的召喚下，激發(fā)了保衛(wèi)家園的責(zé)任感和使命感，使接下來的水火箭制作活動(dòng)充滿了奇幻色彩和趣味性。盡管情境的創(chuàng)設(shè)是虛構(gòu)的，但需要完成的任務(wù)是真實(shí)的，即“如何實(shí)施精準(zhǔn)打擊”。這一任務(wù)激發(fā)了學(xué)生的能動(dòng)性，使他們能夠積極思考并踴躍參與。

四、制造認(rèn)知沖突，激發(fā)問題意識(shí)

開門見山直奔主題式的導(dǎo)入，常無法激發(fā)學(xué)生的問題意識(shí)。在創(chuàng)設(shè)了有趣的挑戰(zhàn)情境后，學(xué)生們躍躍欲試。此時(shí)，教師應(yīng)從問題入手，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，促使學(xué)生開動(dòng)腦筋，通過搜索已有的知識(shí)或?qū)W習(xí)新知識(shí)嘗試解決新問題。例如：教師不急于向?qū)W生呈現(xiàn)水火箭的模型成品，而是先組織學(xué)生以小組合作的方式到戶外嘗試發(fā)射單只飲料瓶，看能否擊中預(yù)定目標(biāo)。在一番努力和嘗試中，學(xué)生總是無法將飲料瓶發(fā)射到預(yù)定區(qū)域。由此開始思考：“為什么單只飲料瓶無法做到精準(zhǔn)打擊呢？”同時(shí)，學(xué)生也通過觀察飲料瓶的飛行軌跡來積極尋找原因。接下來，教師再讓學(xué)生展開小組討論“如何改進(jìn)飲料瓶的結(jié)構(gòu)才能達(dá)到精準(zhǔn)打擊”。學(xué)生們根據(jù)自己的體驗(yàn)和觀察到的現(xiàn)象總結(jié)出單只飲料瓶在飛行過程中存在的缺陷，思考如何通過改良其結(jié)構(gòu)使飛行姿態(tài)更加穩(wěn)定、飛行軌跡更加可控。最終，學(xué)生討論得出“增加流線型的箭頭有利于減小空氣阻力”“增加尾翼可以使箭體飛行姿態(tài)更加穩(wěn)定”等重要結(jié)論。前期花費(fèi)大量時(shí)間所進(jìn)行的鋪墊看似多余，實(shí)則不然，它充分激發(fā)了學(xué)生自主探究的意愿，體現(xiàn)了STEM課程體驗(yàn)性和協(xié)作性的特征。

五、以解決問題為驅(qū)動(dòng)，綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)

STEM教育提倡打破學(xué)科界線，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科融合，充分調(diào)動(dòng)各學(xué)科“有用的”知識(shí)來解決實(shí)際問題。學(xué)生長(zhǎng)期接受分科教學(xué)，在大腦中存儲(chǔ)了很多個(gè)單一學(xué)科獨(dú)立的知識(shí)單元，很少有機(jī)會(huì)將各學(xué)科知識(shí)進(jìn)行整合運(yùn)用。以科技類校本課程為基礎(chǔ)的STEM課程可以給學(xué)生搭建綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)的平臺(tái)和機(jī)會(huì)。例如，學(xué)生已經(jīng)歸納并勾勒出了水火箭的構(gòu)造雛形，教師便可順勢(shì)利導(dǎo)向?qū)W生介紹水火箭的制作方法。在制作過程中，學(xué)生并不是單純模仿，而是邊加工、邊思考，隨時(shí)需要解決制作過程中出現(xiàn)的新問題。在實(shí)施制作加工之前，學(xué)生還必須先掌握一些常見工具的使用技巧（即STEM中的“T”——技術(shù)），工具的使用技巧會(huì)影響水火箭成品的質(zhì)量和最終發(fā)射的效果，如用美工刀切掉飲料瓶的底部，用剪刀將切口邊緣修剪光滑等。教師則有必要傳授安全使用工具的方法。而“如何將飲料瓶的橫截面的圓周進(jìn)行三等分”“什么尺寸的尾翼更適合水火箭飛行”這樣的問題，就需要運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)來解決（即STEM中的“M”——數(shù)學(xué)）。在改良飲料瓶結(jié)構(gòu)的過程中，學(xué)生必須要知道箭頭、箭體、尾翼等各部分的作用，并理解“結(jié)構(gòu)決定功能”這一科學(xué)觀念（即STEM中的“E”——工程）。而在水火箭發(fā)射前的調(diào)試中，還涉及對(duì)水火箭前端進(jìn)行配重從而合理調(diào)整模型自身的重心與壓心的相對(duì)位置，需要學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)的物理學(xué)知識(shí)（即STEM中的“S”——科學(xué)）。這樣，以解決問題為驅(qū)動(dòng)，便可以將知識(shí)的學(xué)習(xí)和運(yùn)用融入到具體任務(wù)中，大大激發(fā)學(xué)生調(diào)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。在遇到已有知識(shí)無法解決的問題時(shí)，學(xué)生也將更加積極主動(dòng)地獲取新知識(shí)，并在此過程中形成新的知識(shí)建構(gòu)。

經(jīng)過改版所形成的STEM課程豐富了原有的教學(xué)模式。以“精準(zhǔn)打擊”這一活動(dòng)內(nèi)容為例，可總結(jié)歸納出如圖1所示的基本教學(xué)環(huán)節(jié)。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，“創(chuàng)設(shè)情境”“初步體驗(yàn)”和“觀看學(xué)習(xí)”這三個(gè)環(huán)節(jié)是在主體學(xué)習(xí)活動(dòng)之前的預(yù)熱和鋪墊。相比于傳統(tǒng)教學(xué)，明顯增添了許多鮮明的STEM元素。而結(jié)尾處的“實(shí)踐檢驗(yàn)”和“分享總結(jié)”兩個(gè)環(huán)節(jié)也更加凸顯了STEM教育理念。

通過對(duì)原有“創(chuàng)意航天”科技類校本課程中“水火箭”一課的改版和優(yōu)化，可歸納總結(jié)出校本課程“STEM化”的有效措施為：先挖掘原