基于STEM理念的小學科學與技術(shù)學科項目化學習初探

◎ 楊 俊

一、背景介紹

小學科學與技術(shù)學科是以培養(yǎng)小學生科學與技術(shù)素養(yǎng)為宗旨的啟蒙課程，“以小學生能夠親歷的生活學習情境為主要背景，以小學生身邊的事物、現(xiàn)象和實際問題等為主要學習載體”，這與項目化學習中“基于真實問題的探究性活動，本質(zhì)是一個問題解決的過程”的理念相似。同時，小學科學與技術(shù)又是一門跨學科、跨領(lǐng)域的課程，非常注重活動內(nèi)容的綜合性，教師往往從科學、技術(shù)等不同領(lǐng)域去整體設計和組織學生開展綜合實踐活動，這又與STEM課程“加強學生‘科學素養(yǎng)’‘技術(shù)素養(yǎng)’‘工程素養(yǎng)’‘數(shù)學素養(yǎng)’四個方面的教育”理念相近。因此，在小學科學與技術(shù)學科的教學設計與實施過程中，在基于課程標準的前提下開展基于STEM理念的項目化學習是培養(yǎng)學生學科核心能力的重要途徑之一。

“簡易隔熱墊”作為“加熱與保溫”單元中的內(nèi)容，具備實施項目化學習的可能。項目增加了“科學探究”和“數(shù)學測量”的環(huán)節(jié)，即通過設計對比實驗，探究不同材料熱傳導的本領(lǐng)，為“隔熱墊”選擇合適的材料；基于數(shù)學學科“平面幾何”和“測量”等相關(guān)內(nèi)容，強化“隔熱墊”尺寸和比例的確定，對“工程設計”和“技術(shù)制作”環(huán)節(jié)進行優(yōu)化：“設計”過程重視合理評價、有效改進；“制作”過程重視根據(jù)需求選擇工具，使原本單一的“技術(shù)、制作”活動發(fā)展為包含“科學”“數(shù)學”“工程”“技術(shù)”的項目化綜合實踐活動。

二、教學分析

（一）發(fā)現(xiàn)需求明確任務

上課伊始，教師出示“熱鍋導致玻璃破裂”的情境圖片，引導學生發(fā)現(xiàn)生活中的問題需求：如何防止玻璃破裂？并組織學生交流有效的解決辦法，明確所要完成的項目成果——制作隔熱墊，這符合項目化學習“以終為始”的特點。隨后，教師引導學生明確制作前要先進行設計，設計內(nèi)容包括圖樣、材料和尺寸等，這些設計過程都將在后續(xù)的活動中讓學生一一經(jīng)歷。

（二）“科學”探究獲得新知

在選擇材料環(huán)節(jié)中，教師出示三塊尺寸相同的銅片、塑料片和木片并要求學生從中選擇制作隔熱墊的材料，學生按照生活經(jīng)驗排除了銅片，他們認為銅片的傳熱效果比木片和塑料片更好。

師：能設計一個實驗證明你們的觀點嗎？

生：可以用上一節(jié)探究熱傳導的方法，在三塊材料片的某些相同部位放上蠟環(huán)，在同一處進行加熱，比較蠟環(huán)熔化的速度。

學生雖然能根據(jù)前一課時所經(jīng)歷過的實驗進行知識遷移，將生活中的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為科學實驗方法，實屬不易，但還需要教師的進一步引導。

師：用什么加熱？酒精燈嗎？

生：酒精燈會把木片點燃的。

師：上節(jié)課我們是用酒精燈來代替水探究金屬勺子放在開水中為什么勺柄會發(fā)燙，那么反過來呢？

生：對了，我們可以用開水代替酒精燈，將三塊材料片的一頭浸在開水里。

師：但是開水的溫度要遠遠低于酒精燈火焰的溫度，能保證蠟環(huán)在短時間內(nèi)熔化嗎？

生：不太可能，看來還要找一種材料代替蠟環(huán)。

學生在教師的引導下進一步開展實驗的設計，但在關(guān)鍵之處，還需教師利用有效的教學資源進行支持。教師適時出示了一個杯子并往里灌熱水，隨著熱水的灌入，原本黑色的杯子逐漸褪色，引發(fā)學生思考其中的原因，隨后教師出示“變溫油墨”的相關(guān)資料，并提示學生是否可將這種油墨運用到實驗中，給學生的思維過程架設一個可攀登的“階梯”，將學生的思維火花再次點燃，幫助學生完善實驗設計。

生：只要在三塊材料片上涂上這種油墨，然后一頭放在開水里，比較褪色的快慢就行了。

師：真棒，老師這里另有三塊已經(jīng)涂上油墨的材料片，你們就用剛才所設計的實驗方法試一下吧。

通過探究實驗，學生不僅驗證了銅片的傳熱效果最好，了解了“熱的良導體和不良導體”的科學概念，同時又綜合考慮了“加工是否便利”“受熱是否易變形”等幾個因素，確定木片作為隔熱墊的材料更優(yōu)于塑料片。將科學探究作為設計制作的一部分，體現(xiàn)科學與技術(shù)學科特色，同時也體現(xiàn)了“STEM”理念中“S”的含義。

（三）“數(shù)學”測量確定尺寸

在確定尺寸環(huán)節(jié)中，教師首先讓學生明確隔熱墊并非越大越好，而是要依據(jù)碗的大小來確定，學生在數(shù)學學科中對圓形有了初步了解，能意識到測量碗底直徑可以確定隔熱墊的大小。雖然學生在數(shù)學學科中只有直線測量的經(jīng)歷，對于直徑測量并不熟悉，但本活動并非要讓學生精確測出碗的直徑，只需要意識到隔熱墊的尺寸應大于碗底的直徑即可。也有學生提出設計稍大一點的隔熱墊可用于多種不同尺寸的容器，教師也給予了“考慮問題周到”的肯定。

為了讓學生意識到設計圖尺寸是實際產(chǎn)品尺寸的等比例縮小，教師提供的設計圖紙遠遠小于碗的尺寸，故意為學生制造一定的“障礙”。

師：設計圖的紙比有些碗小，無法在圖紙上畫出完整的設計圖怎么辦？

生1：只能換一張大一點的紙了。

生2：畫得比實際小一點就行了。

師：那如何在圖紙上體現(xiàn)隔熱墊的尺寸呢？

學生在數(shù)學學科中會經(jīng)常接觸帶有尺寸的平面圖，但由于分科制的學習使得學生在科學與技術(shù)課堂上較難聯(lián)系起數(shù)學課中所學內(nèi)容，因此教師適時出示了學生較為熟悉的數(shù)學平面幾何題。

師：觀察數(shù)學題目上的求圖形面積和周長的圖片，有什么特別嗎？真的是1∶1的尺寸嗎？

生：平面圖上標有尺寸和單位，圖樣是等比例縮小的，實際要比圖樣大得多，我們也可以在隔熱墊的設計圖上標注數(shù)值和單位，這樣再大的隔熱墊都可以通過這種方式來體現(xiàn)它的尺寸。

教師通過出示數(shù)學中帶有尺寸和單位的平面圖，引導學生進行思維的聯(lián)系，為學生架起學科之間的橋梁，促使學生思考將數(shù)學方法用于技術(shù)設計中，不僅體現(xiàn)了學科整合，同時也體現(xiàn)了“STEM”理念中“M”的含義。

（四）“工程”設計繪制圖樣

由于小學生仍以形象思維為主，讓其憑空玻璃，熱量不會通過熱傳導傳給玻璃的。

生2：是否可以再增加一些厚度呢？這樣隔熱效果會更好。

圖1 學生甲作品

隨后，學生甲和乙根據(jù)他人的意見對圖紙進行了改進。部分學生還運用了低年級時所學想象去設計圖樣，難度較大，因此在繪制圖樣的環(huán)節(jié)中，教師提供學生各種隨機尺寸的木片，引導學生通過“擺一擺”“搭一搭”，初步擺放出隔熱墊的大致形狀，并依據(jù)碗的尺寸，結(jié)合擺放效果進一步設計隔熱墊的圖樣。

設計完成后，部分學生的圖紙進行了展示，互相評價、建議采納和改進設計是本環(huán)節(jié)重點。很多學生對所展示的圖紙進行了充分的評價，提出了很多具有建設性的意見，但有些提議并非完全合理，而進行展示的學生也并不完全同意他人的看法，仍舊堅持自己原有的想法，體現(xiàn)出學生對于初稿設計的自信，也反映出學生具有合理采納建議的意識，這也是學科核心能力要素之一。

生1：從學生甲的設計圖中（如圖1所示）看出，有一塊木片凸出來，使得碗放在上面不穩(wěn)定，如果作為底面，整個隔熱墊也不穩(wěn)定。

生2：學生乙的設計圖顯示中間有空隙（如圖2所示），可能會影響隔熱效果。

學生乙：我認為不會，鍋底沒有直接接觸過的“合一合”的創(chuàng)新思維方法，體現(xiàn)了不同年段學習內(nèi)容的銜接性。

圖2 學生乙作品

學生甲：我在上下兩邊各加了一塊木片，這樣就容易穩(wěn)定了。（如圖3所示）

學生乙：我將原本一層的隔熱墊改成了兩層，但這樣中間的空隙就堵住了，加工的時候我還是想把中間挖空。（如圖4所示）

學生丙：我又設計了一個較大的隔熱墊并用“加一加”的方法將兩個隔熱墊組合起來，這樣不僅增加了厚度，也適用于不同大小的鍋。（如圖5所示）

圖3 學生甲改進后的作品

圖4 學生乙改進后的作品

圖5 學生丙作品

當然，改進后的圖紙也并非完美，仍有學生提出新的建議，教師也允許學生對圖紙進行多次修改，讓其充分經(jīng)歷設計與改進的過程。

（五）“技術(shù)”制作工具選擇

在開展制作前，教師出示剪刀和刀片兩種工具，引導學生思考選擇何種工具進行木片的加工。學生的固有想法是“削木頭鉛筆是用刀片的，剪刀是用來剪紙的”，此時教師并沒有否定學生的觀點，而是讓學生用這兩種工具去切割木片進行體驗，結(jié)果顯示：剪刀能夠輕易剪切木片，刀片卻無法切割。

師：你們剛才不是都認為刀片比剪刀更適合加工隔熱墊嘛？

生：我覺得是因為木片比較薄，而這把剪刀又特別鋒利，所以能夠剪斷木片，相反刀片只能削木片，截斷木片是不行的，可能還需要鋸子幫忙。

師：看來完全按照個人經(jīng)驗去做事行嗎？

生：不行，有時候還需要先試驗一下再做決定。

通過體驗活動，讓學生意識到無論是科學探究還是設計制作，甚至是生活中遇到的任何事情和問題，不能完全依靠個人經(jīng)驗來進行判斷，簡單的試驗和嘗試非常有必要，這有利于增加做事的成功率。體驗活動雖小，但對改變學生的觀念具有積極的意義。

①ADL?？偡謹?shù)是一百，60分之上表示著可以獨自生活。在40～60分說明還不能完全的靠自己。20～40分幾乎不能獨自生活。低于二十分則說明完全不能獨自的照顧自己。

隨后，教師又出示了四種粘貼的耗材：固體膠、透明膠帶、雙面膠帶和白膠，再次引導學生思考選哪一種粘貼耗材可以用來連接木片，學生的固有想法是“固體膠是粘紙的，白膠是用來粘木材的，雙面膠和透明膠帶應該也可以粘木材”，此時教師也沒有否定學生的想法，而是繼續(xù)讓學生用四種耗材連接木片進行體驗，結(jié)果顯示：透明膠帶和雙面膠帶可以粘木片；而固體膠和白膠不能粘木片。

“白膠不能粘木片”的結(jié)果與學生的原有認知相沖突。此時，教師請了一位學生上臺，嘗試將教師事先準備好用透明膠帶、雙面膠帶和白膠粘連的木片進行分離，結(jié)果是：稍一用力，雙面膠帶和透明膠帶粘連的木片分離了，但無論怎么用力，甚至將木片折斷，白膠粘連的木片仍舊無法分離。

師：這是什么原因呢，為什么老師用白膠卻能粘連木片呢？

生1：我知道了，用白膠粘木片需要等很長時間，這樣才牢固。

生2：但很費時間，我覺得可以用透明膠帶纏住木片，這樣就牢固很多。

生3：但美觀程度就下降了，隔熱墊表面都是玻璃膠帶。

生4：雙面膠又不牢固，時間久了可能會脫落。

生1：都可以，每種耗材都有優(yōu)缺點，我們可以根據(jù)自己的需求和喜好選擇適合的粘貼耗材。

在科學與技術(shù)學科核心能力中，“判斷選擇”作為單列的核心要素，足以看出其在核心能力中的重要地位，也是技術(shù)制作過程中必不可少的環(huán)節(jié)。體驗活動雖然簡單，但能讓學生充分意識到看待問題應該從多個角度出發(fā)，以辨證的眼光來思考問題，應綜合考慮利弊，權(quán)衡優(yōu)勢、劣勢，根據(jù)自身需求，做出最適合自己的選擇。

表1 學習評價表

（六）使用評價改進創(chuàng)新

完成隔熱墊制作后，教師引導學生從隔熱墊的美觀和牢固這兩個方面進行自評和互評（見表1），并提出有效的改進意見，隔熱墊的隔熱效果則由家長通過實際使用來進行評價，讓學生意識到項目設計制作過程中對成品的試用與評價必不可少，這是生產(chǎn)優(yōu)秀成品的重要保障，并鼓勵學生根據(jù)他人意見嘗試改進作品，如有余力還可設計制作更多的創(chuàng)意隔熱墊，讓學生的項目學習從課內(nèi)延伸到課外，融合到學生的日常生活中。

三、教學反思

（一）活動效果

“簡易隔熱墊”在教材上所展示的僅僅是設計、制作一個隔熱墊的過程，本案例中教師將視角放在單元整體上，開展項目化綜合實踐活動，并在活動中融入STEM教育理念，將前一課時中“熱的良導體和不良導體”內(nèi)容融入“簡易隔熱墊”的設計過程中，通過對比實驗的方式，為隔熱墊選擇適合的材料，進一步培養(yǎng)學生細致觀察、縝密分析等科學探究習慣。

同時，教師又將數(shù)學學科中的測量、尺寸等知識點加入活動過程中，引導學生運用已掌握的技能解決學習生活中遇到的新問題，進一步提升學生的問題解決能力。

隨后，在設計隔熱墊時，教師針對學生的年齡特點，允許學生通過“初步搭建”的方法設計圖樣，并通過展示和交流進行不斷修改與完善，體驗工程設計的嚴謹過程。

此外，在開展技術(shù)制作前，教師比較細致地增加了工具和耗材選擇的環(huán)節(jié)，讓學生通過動手實踐、親身體驗來逐漸改變原有的認知和想法，促進學生遇到問題能深思熟慮，善于從多角度來看待問題，進一步培養(yǎng)他們的選擇和判斷能力。

最后，通過對設計圖以及項目成品的自評和互評，引導學生學會欣賞、客觀評價，具有愿意接受別人合理意見和建議的意識，讓學生的科學精神提升到新的高度。

通過整個項目實踐活動，學生經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)需求、規(guī)劃設計、加工制作、試用評價、改進創(chuàng)新等多個步驟，學習并運用了科學、數(shù)學、工程、技術(shù)等多個領(lǐng)域的知識和技能，充分體驗了項目設計和制作的一般過程，進一步提升了學科核心能力，對學生的后續(xù)學習乃至終身發(fā)展具有較好的促進作用。

（二）活動改進

1.細化評價指標

在完成制作隔熱墊后，教師出示評價單讓學生針對美觀和牢固等因素進行自評和互評，并讓家長在家中針對隔熱效果進行評價，但從實際效果來看，學生對于美觀和牢固的理解程度有所不同，導致相同品質(zhì)的作品獲得的評價相差甚遠。因此，教師還需在評價單中明確各評價級別的評價指標，指導學生進行客觀、公正的評價，進一步提升他們的評價能力。

2.運用信息技術(shù)

本項目實踐活動中，針對隔熱效果的評價是由家長來完成的，這種方式比較主觀，教師也難以知曉課后評價過程中的具體情況，若將信息技術(shù)融入評價活動中，也許能取得事半功倍的效果。如在教師的安全指導下將裝有熱水的鍋子放在自制隔熱墊上，將DIS溫度傳感器放置在隔熱墊下方，就能輕易測出隔熱墊的溫度，得到客觀、真實、有效的數(shù)據(jù)，從而評價隔熱墊的隔熱效果。運用信息技術(shù)不僅能快速、正確地獲得評價結(jié)論，同時也能讓學生體驗到科技進步所帶來的幫助。

3.建立成長檔案

學生在教師的引導下經(jīng)歷了整個項目化學習過程，在每一個環(huán)節(jié)中都有收獲，如設計圖初稿、改進稿、原作品、改進作品、創(chuàng)意作品等，但學生的變化過程卻沒能被記錄。因此，教師可以為每位學生建立一個檔案袋，學生將自己在學習過程中的點滴進步記錄下來，回顧自己在活動過程中的不斷成長，這對于學生的情感提升、終身發(fā)展具有極大的促進作用。