基于STEM理念的初中科學(xué)概念教學(xué)設(shè)計

謝杰妹 黃靜

摘? ?要：文章分析了當(dāng)前初中科學(xué)概念教學(xué)存在的問題及原因，汲取了STEM理念的相關(guān)知識，初步確定了初中科學(xué)概念教學(xué)實施STEM教育的教學(xué)模式，并將其應(yīng)用于杠桿概念教學(xué)之中。其次，結(jié)合杠桿概念教學(xué)提出了基于STEM理念的初中科學(xué)概念教學(xué)的建議和意義。

關(guān)鍵詞：STEM教育;初中科學(xué)概念;杠桿教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）7-0011-5

科學(xué)概念是科學(xué)知識的基本組成，是科學(xué)知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。學(xué)生掌握科學(xué)概念是發(fā)展科學(xué)能力的必要前提。因此，科學(xué)概念教學(xué)是形成學(xué)生科學(xué)概念的基本途徑，是科學(xué)教學(xué)最基礎(chǔ)、最重要的內(nèi)容之一。

1? ? 現(xiàn)狀分析：初中科學(xué)概念教學(xué)的現(xiàn)狀

概念教學(xué)在初中科學(xué)教學(xué)中具有重要的地位，因此，教師對概念教學(xué)也十分重視。但從師生關(guān)于初中科學(xué)概念教學(xué)的問卷調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，發(fā)現(xiàn)存在以下幾點問題：

1.學(xué)生方面：對我校學(xué)生進行了抽樣調(diào)查，整理數(shù)據(jù)得出概念學(xué)習(xí)行為統(tǒng)計圖（如圖1）。從統(tǒng)計圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，“做大量習(xí)題學(xué)習(xí)”和“背誦記憶學(xué)習(xí)”占90%左右。那么，是什么原因造成絕大部分的學(xué)生以題海戰(zhàn)術(shù)和強行記憶這種低效學(xué)習(xí)方法來代替對概念的深入理解呢？

2.教師方面：針對學(xué)生低效的概念學(xué)習(xí)行為，再對我縣一線科學(xué)教師關(guān)于初中科學(xué)概念課教學(xué)現(xiàn)狀進一步深入調(diào)查，整理數(shù)據(jù)得出教師概念教學(xué)行為統(tǒng)計圖（如圖2）。從統(tǒng)計圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，絕大部分教師在概念教學(xué)中，重講述，輕建構(gòu)，缺乏對概念的定位和理解，阻礙了學(xué)生思維的發(fā)展。

由于教師往往基于自己的經(jīng)驗和知識本位的思想對科學(xué)概念進行教學(xué)設(shè)計，落實在課堂中缺乏將先進的教學(xué)理念融入教學(xué)。所以，筆者認(rèn)為汲取合適的教學(xué)理念建構(gòu)初中科學(xué)概念很有必要。

2? ? 理念選擇：基于STEM理念解決初中科學(xué)概念教學(xué)問題

2015年，教育部在《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》中首次提出探索STEM教育模式。STEM教育是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)教育的統(tǒng)稱，倡導(dǎo)“以設(shè)計和探索為手段，運用科學(xué)與數(shù)學(xué)的思想，通過應(yīng)用技術(shù)手段，在解決實際問題中進行知識學(xué)習(xí)”的教學(xué)模式，旨在提升學(xué)生解決實際問題的綜合能力和跨學(xué)科的思維能力。

那么，STEM教育能給我們初中科學(xué)教學(xué)帶來怎樣的改變？作為教師，又將如何在教學(xué)中開展STEM教育。本文筆者將結(jié)合“杠桿”這個概念的建構(gòu)，談?wù)劵赟TEM理念的初中科學(xué)核心概念教學(xué)的實踐研究。

3? ? 模式確定：初中科學(xué)概念教學(xué)實施STEM教育的途徑

筆者根據(jù)STEM教育理念與初中科學(xué)概念教學(xué)特色初步建立了關(guān)于概念的教學(xué)模型，如圖3所示。

基于STEM理念的初中科學(xué)概念教學(xué)模式將圍繞概念展開，在某一種教學(xué)情境下，教師提出核心問題，學(xué)生運用STEM四個方面的綜合知識和科學(xué)探究方式進行主動研究，解決問題并最終建構(gòu)概念。這樣的教學(xué)模式突出知識的內(nèi)在聯(lián)系;鼓勵學(xué)生綜合運用相關(guān)知識，創(chuàng)造性地解決實際生活中的問題。根據(jù)以上教學(xué)模型可將教學(xué)途徑分為4個步驟來進行，如圖4所示。

第1步：根據(jù)概念建立問題情境。創(chuàng)設(shè)的情境要便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并能應(yīng)用STEM教育的相關(guān)學(xué)科知識，引出概念。

第2步：學(xué)生以小組為單位，運用STEM知識進行問題研究并收集相關(guān)問題的解決技術(shù)和數(shù)據(jù)，建構(gòu)概念。

第3步：學(xué)生組間交流討論，設(shè)計出解決問題的最佳方案，深化概念。

第4步：學(xué)生利用新建構(gòu)的概念解決新問題，應(yīng)用概念。

4? ? 教學(xué)實踐：凸顯STEM理念的杠桿概念建構(gòu)

杠桿是初中科學(xué)教學(xué)中的一個重要概念，下面筆者將結(jié)合基于STEM理念的初中科學(xué)概念的教學(xué)模型，以浙教版初中科學(xué)九年級上冊第三章第4節(jié)《簡單機械——杠桿》教學(xué)內(nèi)容為例，建立以問題為中心的基于STEM理念的概念教學(xué)設(shè)計。教學(xué)流程如圖5所示。

本節(jié)課對于杠桿這個概念的建構(gòu)體現(xiàn)了STEM教育的基本要求。通過學(xué)生思考如何拔釘子，讓學(xué)生理解科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四大領(lǐng)域之間的緊密關(guān)系，逐步建構(gòu)杠桿模型。最后讓學(xué)生思考并找出當(dāng)手拿物體抬起時、當(dāng)踮起腳尖時人體中杠桿的五要素，又將概念與工程聯(lián)系起來。具體教學(xué)過程如表1。

5? ? 實踐反思：基于STEM理念的初中科學(xué)概念教學(xué)實施建議

我們學(xué)校科學(xué)組對基于STEM理念的初中科學(xué)概念教學(xué)作了本土化、學(xué)科化、操作化的分析與實踐，初步摸索出基于STEM理念的初中科學(xué)概念的教學(xué)模型和教學(xué)過程示意圖，并將其應(yīng)用在概念教學(xué)新課堂中。在應(yīng)用實踐的一年中，我們總結(jié)出了實施基于STEM理念的初中科學(xué)概念教學(xué)的幾點有效建議。

5.1? ? “工程”的選擇要適切

圍繞概念引出的工程要有以下三個層次的特征：

1.真實性。教師要創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，并且在工程設(shè)計過程中的問題要具有一定的梯度性，由簡入深，吸引學(xué)生的興趣。比如，在建構(gòu)杠桿概念的教學(xué)中，從如何撬起木樁上的釘子到用螺絲刀怎樣撬釘子更容易，問題層層深入，再通過學(xué)生三次畫圖建立杠桿模型。

2.學(xué)科性。工程中要包含大量的知識與技能，通過對核心問題的拆分，獲得細(xì)化的知識與技能。STEM理念涉及學(xué)科中相關(guān)知識、關(guān)鍵概念的組織，具有跨越多個學(xué)科領(lǐng)域的重要性。

3.延伸性。工程的問題能夠具有繼續(xù)探討和延伸的價值，有可以挖掘的潛能。比如在杠桿概念教學(xué)中，延伸到尋找生活中的一些杠桿以及人體中的杠桿等。

5.2? ? 學(xué)科的整合要聚焦

教師要克服以往那種教學(xué)零散片段的內(nèi)容和活動，聚焦概念，引導(dǎo)學(xué)生通過科學(xué)探究、數(shù)學(xué)計算、技術(shù)知識與技能的應(yīng)用來完成工程項目。比如，在杠桿概念教學(xué)中，撬起木樁上的釘子這項工程里，涉及到圓的切線和支點，以及運用數(shù)學(xué)知識引出杠桿概念中的核心——力臂。鼓勵學(xué)生在核心概念上花更多的時間深入透徹地理解，避免僅僅對教學(xué)內(nèi)容的覆蓋。

5.3? ? 學(xué)生的活動要協(xié)作

STEM理念提倡以小組合作的形式解決問題或完成工程項目。教師可以根據(jù)每個學(xué)生的不同特點進行分組，每一小組里有動手能力強、數(shù)學(xué)成績突出或者實驗設(shè)計能力好的學(xué)生，這樣分組更有利于學(xué)生學(xué)會如何在團隊中展示自己所擅長的東西，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力。比如，圍繞杠桿概念開展的小組活動有：1.小組內(nèi)選用工具撬釘子;2.小組交流討論畫出螺絲刀、羊角錘、開瓶器撬釘子時的支點、動力和阻力;3.小組探究杠桿上力的作用效果的影響因素;4.畫出螺絲刀、羊角錘、開瓶器撬釘子時的動力臂和阻力臂，投影學(xué)生作品，小組內(nèi)進行交流評價;5.小組內(nèi)交流討論，尋找人體中的杠桿。整堂課學(xué)生進行合作學(xué)習(xí)，參與整個STEM工程，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心，主動建構(gòu)杠桿概念的過程。

5.4? ? 概念的應(yīng)用要開放

教師應(yīng)用概念遷移性地解決生活中的新問題以促進學(xué)生概念的深度學(xué)習(xí)。教師要選擇著眼于生活中關(guān)于科學(xué)概念的實際問題，并遷移到學(xué)生的實際生活中。以杠桿概念教學(xué)為例，在建構(gòu)了杠桿這個概念后，讓全班學(xué)生做人體操體現(xiàn)了學(xué)與樂相結(jié)合。然后，將建構(gòu)的杠桿模型延伸到尋找人體中的杠桿、展示學(xué)生作品、小組交流匯報等形式共同解決生活中的新問題，最終達成深度學(xué)習(xí)。教師在概念的應(yīng)用過程中應(yīng)為學(xué)生留足夠的認(rèn)知空間和操作空間，重視學(xué)生的體驗和興趣發(fā)展，鼓勵學(xué)生的創(chuàng)新思維。

6? ? 評價交流：基于STEM理念的初中科學(xué)概念教學(xué)的意義

在人類科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的今天，學(xué)科之間的交融越來越明顯，而STEM教育涉及到各個領(lǐng)域的相互融合。根據(jù)STEM教育包含的四大領(lǐng)域的科學(xué)知識（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)），嘗試著建立了基于STEM理念的初中科學(xué)概念教學(xué)的教育體系圖，如圖6所示。下面將根據(jù)這個教育體系圖，談?wù)劵赟TEM理念的初中科學(xué)概念教學(xué)的意義。

6.1? ? 變單一為綜合——充分發(fā)揮STEM教育的綜合性

原本的概念教學(xué)以講述式這種單一的教學(xué)手段為主，課堂比較枯燥乏味。而STEM教育包括社會科學(xué)、自然科學(xué)、工程技術(shù)、實用數(shù)學(xué)等。因此，在初中科學(xué)概念的教學(xué)中實施STEM教育，讓學(xué)生充分領(lǐng)會教學(xué)法的綜合性，將科學(xué)知識同生活有機結(jié)合，讓學(xué)生在全面學(xué)習(xí)中提升思維能力和動手能力。此外，STEM教育強調(diào)的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)、科學(xué)解決問題的能力，教師對學(xué)生提出需要運用多種學(xué)科知識解決的任務(wù)，進而對學(xué)生的綜合能力進行有效培養(yǎng)。

6.2? ? 變表面為深層——充分利用STEM教育的開放性

傳統(tǒng)的概念課中過于強調(diào)知識的記憶，而STEM教育更加關(guān)注知識的更新和發(fā)展，這些知識的更新與發(fā)展除了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科外，還包括科學(xué)原理、科學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域。所以，基于STEM理念的初中科學(xué)概念教學(xué)更強調(diào)對概念的理解和應(yīng)用，學(xué)生通過更深層的理解實現(xiàn)對核心概念的靈活應(yīng)用。根據(jù)STEM教育的開放性內(nèi)容、開放性實施，我們可以將科學(xué)概念中涉及到生物、地理方面的概念教學(xué)拓展到大自然中去，化學(xué)方面的概念教學(xué)拓展到家庭等戶外場所，讓學(xué)生在實踐的過程中對科學(xué)概念進行深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生解決現(xiàn)實生活問題的能力。

6.3? ? 變靜態(tài)為動態(tài)——充分利用STEM教育的實踐性

傳統(tǒng)的概念教學(xué)對學(xué)科概念知識過分靜態(tài)化，缺乏實踐平臺讓學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、嘗試解決問題，學(xué)生對教師的依賴性強。而STEM教育突破了這種模式，它將工程技術(shù)等學(xué)科知識的地位等同于科學(xué)、數(shù)學(xué)，體現(xiàn)了STEM教育的實踐性。而在基于STEM理念的初中科學(xué)概念教學(xué)中，教師根據(jù)核心概念問題設(shè)計相應(yīng)的動手活動，讓學(xué)生在動手操作的過程中建構(gòu)概念。并通過有效的課程組織，推動實踐關(guān)注逐步取代知識關(guān)注。通過動態(tài)的實踐性課程，實現(xiàn)學(xué)生對知識的自由獲取，碰撞出更多的火花。

6.4? ? 變“雙基”為“人本”——有效利用STEM教育的豐富性

從傳統(tǒng)“雙基”教學(xué)目標(biāo)—“三維目標(biāo)”—“核心素養(yǎng)”，這樣的目標(biāo)定位體現(xiàn)了我國深化基礎(chǔ)教育課程改革在不斷的進步。在實施STEM教育中，教師設(shè)置不同層次的教學(xué)目標(biāo)，幫助學(xué)生形成不同的STEM水平。因此，基于STEM理念的初中科學(xué)概念教學(xué)應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實際情況設(shè)置不同的教學(xué)目標(biāo)，讓每個學(xué)生都有適合自己能力的目標(biāo)，使每個學(xué)生都能在收獲成功的喜悅中逐漸增強學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣和熱情。以杠桿這個概念為例：體驗用螺絲刀、開瓶器、羊角錘等撬釘子，說出杠桿在生產(chǎn)、生活中的價值，總結(jié)、歸納出杠桿的三條特征，并用科學(xué)的語言給杠桿下定義。教師結(jié)合學(xué)生的能力可以設(shè)置進一步的發(fā)展目標(biāo)，使學(xué)生在掌握知識的基礎(chǔ)上開展更深層次的探究。因此，教師在初中科學(xué)概念教學(xué)活動中充分借鑒和吸收STEM教育的理念、方法和內(nèi)容，對提高學(xué)生的STEM素養(yǎng)具有重要的意義。

參考文獻：

[1]任偉，李遠(yuǎn)蓉.基于STEM教育下的中學(xué)化學(xué)教學(xué)模式初探[J].化學(xué)教與學(xué)，2015（7）：10-12.

[2]宋巧穎，黃燕燕.基于STEM教育的課堂教學(xué)設(shè)計[J].閩南師范大學(xué)學(xué)報，2017（2）：128-131.

[3]王玥月，陸建隆.凸顯STEM教育的初中物理教學(xué)設(shè)計初探[J].物理教師，2017，38（2）：41-43.

[4]陳鋒.初中科學(xué)概念教學(xué)新范式的實踐探索[J].上海教育科研，2016（11）：84-87.

[5]胡永兵.基于核心素養(yǎng)的初中科學(xué)核心概念教學(xué)探索[J].中學(xué)教學(xué)參考，2017（2）：79-81.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）