基于設(shè)計的小學(xué)STEM項目

吳歡 鄭丹 江赟

● 課程介紹

武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)實驗小學(xué)對創(chuàng)客和STEAM教育的理解和探索始于2015年，隨著市級和國家級課題的先后立項，我校對其已進(jìn)行了四年多的實踐和探索。課題組教師從信息技術(shù)、科學(xué)組拓展到學(xué)科全覆蓋，教師們對課程的理解也逐步加深，開發(fā)了《物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新科技》《小木工》《小小建筑師》《制作紙板樂器》等系列課程，并在教學(xué)實踐中不斷迭代、更新。

近年來，我國明確把生態(tài)環(huán)境保護(hù)擺在更加突出的位置，生態(tài)文明建設(shè)是關(guān)系人民福祉、關(guān)乎民族未來的大計，是實現(xiàn)中國夢的重要內(nèi)容。我校從2017年開始也加大對學(xué)生的生態(tài)文明教育，并在2018年圍繞“關(guān)注生物的多樣性，美化我們的家園”這一主題，從學(xué)生的真實生活和發(fā)展需要出發(fā)，關(guān)注生物與環(huán)境，開發(fā)了基于設(shè)計的小學(xué)STEM項目群——《“智·美”生態(tài)課程》（如下頁表1），將生活情境中發(fā)現(xiàn)的問題轉(zhuǎn)化為活動主題，以項目為載體，通過跨學(xué)科學(xué)習(xí)，保護(hù)學(xué)生與生俱來的好奇心，使他們成為有一定的解決問題、合作交流能力，具備良好的社會責(zé)任感、創(chuàng)新意識、信息素養(yǎng)，能夠終身學(xué)習(xí)的全球公民。本文將重點介紹四年級上冊的STEM項目“建設(shè)我們的校園氣象站”。

1.選題特色

基于小學(xué)生的年齡特點及小學(xué)階段學(xué)科知識水平，我們將小學(xué)階段的STEM項目定位于“初學(xué)者”層級。學(xué)生在開展《“智·美”生態(tài)課程》中的小紅鷹濕地項目、生態(tài)種植項目研究時發(fā)現(xiàn)，需要及時監(jiān)測周邊環(huán)境的PM2.5、溫度、土壤濕度等氣象數(shù)據(jù)，由此，學(xué)生提出是否能建設(shè)一個自己能隨時進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測的氣象站?？茖W(xué)教師結(jié)合小學(xué)四年級科學(xué)課《天氣》的相關(guān)內(nèi)容，邀請信息技術(shù)、美術(shù)教師和學(xué)生成立“建設(shè)我們的校園氣象站”項目組，并設(shè)計形成基于項目學(xué)習(xí)的維度框架。

2.設(shè)計思路

校園氣象站的建設(shè)涉及基本氣象知識的了解、氣象傳感器的認(rèn)識、編程技術(shù)的運(yùn)用、氣象站的外觀設(shè)計和氣象站的使用等不同方面。確定相關(guān)學(xué)科的具體目標(biāo)如下。

科學(xué)方面：了解基本的大氣知識，知道溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量等的基本含義。

技術(shù)方面：能夠識別并運(yùn)用溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、噪聲、空氣質(zhì)量、氣壓、雨水傳感器。

工程方面：能夠小組合作完成校園氣象站的功能設(shè)計、選址和建造。

藝術(shù)方面：能夠完成氣象播報網(wǎng)頁的UI設(shè)計、氣象站的外觀設(shè)計，氣象小主播能夠完成氣象播報。

數(shù)學(xué)方面：能夠統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)，并繪制氣溫折線圖和氣溫柱狀圖，總結(jié)天氣變化的規(guī)律。

為了更好地幫助學(xué)生完成項目，我們制作了完整的項目學(xué)習(xí)指導(dǎo)手冊（如圖1），設(shè)計了詳細(xì)的項目計劃。

3.實施方案

近年來，在STEM課程開發(fā)和實踐的過程中，我校和華中師范大學(xué)合作，逐漸形成了“樂·創(chuàng)”教育背景下基于設(shè)計的STEM教學(xué)模式（如下頁圖2）：以學(xué)生為中心，分為理解挑戰(zhàn)、習(xí)得新知、新的挑戰(zhàn)、展示分享和評價反思等環(huán)節(jié)，其中項目中分解出的多個小任務(wù)在“新的挑戰(zhàn)”這個環(huán)節(jié)迭代循環(huán)完成。教師承擔(dān)的是輔助者、引導(dǎo)者、組織學(xué)習(xí)和指導(dǎo)評價的角色，教師活動主要包括確定主題，呈現(xiàn)挑戰(zhàn);講授新知，描述任務(wù);建立標(biāo)準(zhǔn)，提供支架;監(jiān)督觀察，適時指導(dǎo);組織學(xué)習(xí)，引導(dǎo)合作;評估成果，教學(xué)反思?！敖ㄔO(shè)我們的校園氣象站”這個項目以設(shè)計思想為紐帶，將科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)、讀寫等其他學(xué)科內(nèi)容綜合運(yùn)用、串接起來，成為一個完整的學(xué)習(xí)項目。

（1）理解挑戰(zhàn)

學(xué)校生態(tài)種植園和小紅鷹濕地的動植物生長，對周邊環(huán)境氣象監(jiān)測有需求，四年級學(xué)生科學(xué)課正在學(xué)習(xí)《天氣》，科學(xué)教師面向全體四年級學(xué)生征集有意向者組成項目組，一起建設(shè)我們的校園氣象站。

（2）習(xí)得新知

圍繞校園氣象站需要實現(xiàn)的功能，確定監(jiān)測的氣象要素，認(rèn)識溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量、紫外線強(qiáng)度、PM2.5等氣象傳感器，并學(xué)會用可視化編程的方式將傳感器采集到的數(shù)據(jù)在屏幕上顯示出來，讓大家可以直觀地了解當(dāng)前的氣象狀況。

（3）新的挑戰(zhàn)

通過分小組制作氣象站模型，深化學(xué)生對氣象知識的了解和傳感器的使用;通過課上、課后對校園各個角落的實地考察，交流溝通、達(dá)成共識后確定氣象站的建設(shè)位置;通過對校園氣象站的功能、外觀和播報頁面的UI設(shè)計，分小組展示交流后，確定我校小紅鷹氣象站的最終設(shè)計;在教師的幫助下，完成校園氣象站的施工。

（4）展示分享

展示分享貫穿項目的始終，無論是氣象站模型的設(shè)計和成品分享，還是校園氣象站的選址、功能、外觀和播報頁面的UI設(shè)計等環(huán)節(jié)，我們都讓學(xué)生進(jìn)行充分地討論、交流和分享，用“智慧”點燃“智慧”，相互學(xué)習(xí)、共同提高，同時培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)溝通能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。

（5）評價反思

教師利用軟件對學(xué)生進(jìn)行累積評價，結(jié)合學(xué)分和學(xué)生投票，學(xué)期末頒發(fā)“VIP學(xué)員”證書，下學(xué)年的社團(tuán)有優(yōu)先選課權(quán)利;生生之間除了表格評價，還有相互提問和口頭評價;華中師范大學(xué)作為第三方長期進(jìn)行課堂觀察，結(jié)合學(xué)生項目學(xué)習(xí)的前后測情況，對我校師生給予評價和課程研究建議。師生、生生和第三方的三維立體評價，促進(jìn)師生進(jìn)行反思和共同成長，并推進(jìn)項目更有效地開展。

● 課程實施的典型課堂案例

1.用問題推進(jìn)項目進(jìn)展

整個項目圍繞“如何建設(shè)我們的校園氣象站”這個大問題進(jìn)行，當(dāng)中又分解成很多小問題：氣象站建在哪里？需要實現(xiàn)哪些功能？外觀設(shè)計有什么要求？頁面需要顯示哪些數(shù)據(jù)？……教師并不會直接拋出答案，而是帶著學(xué)生一起去尋找最優(yōu)解決方案。例如，在解決“氣象站建在哪里？”這個問題時，教師先讓學(xué)生思考并查詢氣象站對選址有沒有特殊要求，課下小組成員一起逛逛校園，并完成學(xué)習(xí)任務(wù)單（如圖3）;然后，在課上讓小組成員上臺分享自己的選址及其理由;最后，教師再帶著大家一起到校園里每個角落都逛一逛，綜合考慮后，大家一起確定氣象站的最終建設(shè)地點。氣象站要建在空曠、四周沒有遮擋的地方，車棚、后花園、天臺等地點被排除，大家把地點定在了時間廣場靠近小紅鷹濕地的一塊空地，因為這里是學(xué)校的中心地帶，相對來說比較空曠，四周沒有遮擋，可以為小紅鷹濕地里的動植物提供氣象支持。其實操場也是個不錯的選擇，但是學(xué)生考慮到打籃球、踢足球的學(xué)生可能會不小心把球砸到氣象站，造成氣象站損壞，因此在操場建設(shè)氣象站不合適。學(xué)生在這樣的討論和交流中，逐漸學(xué)會全面思考和解決問題。

2.用評價促進(jìn)習(xí)慣養(yǎng)成

學(xué)生一直對項目學(xué)習(xí)持有較高的熱情，甚至常常下課了，還在研究和討論，久久不愿離開教室?？墒且坏┌l(fā)現(xiàn)已經(jīng)下課好久了，他們就會直接離開教室，導(dǎo)致教室桌椅擺放、器材和學(xué)習(xí)任務(wù)單整理不到位，教師要花很長時間進(jìn)行處理。同時，在一些小組中存在學(xué)習(xí)任務(wù)分布不均勻的問題，有的學(xué)生一個人差不多完成了所有的學(xué)習(xí)任務(wù)，而有的學(xué)生幾乎不參與。另外，大家都很愿意表達(dá)自己的觀點，但是在傾聽方面還有所欠缺。為了培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高課堂效率，我們設(shè)計了如上頁表2所示的表格——《STEM項目學(xué)習(xí)學(xué)生行為評價表》，評價表既不太復(fù)雜，也不占用太多時間，能給予學(xué)生比較全面的評價。

在每次課程結(jié)束前幾分鐘，教師會提醒學(xué)生整理自己小組的物品。待大家整理完畢，再給2分鐘時間讓組長就組員本節(jié)課的行為表現(xiàn)給予評價：是否能夠安靜傾聽、小聲討論、大聲發(fā)言;是否完成了本節(jié)課組員協(xié)商后分配的學(xué)習(xí)任務(wù);是否團(tuán)結(jié)友愛、顧全大局;是否發(fā)生不文明的舉止;是否整理好自己使用過的器材，擺放好自己的桌椅板凳。若有做得很好的地方，值得繼續(xù)保持，就拿出來供大家學(xué)習(xí)，并記錄在“今日閃光點”上，再將該記錄單貼在該學(xué)生的記錄本上，累計評價。對各小組長的評價，有時候是教師進(jìn)行評價，有時候會隨機(jī)抽選一名組員進(jìn)行點評。

評價表的實施，讓課堂更有序、更有效率，學(xué)生也不僅僅關(guān)注學(xué)習(xí)任務(wù)，還會關(guān)注小組每個成員的學(xué)習(xí)狀態(tài)，會安靜地傾聽別人的發(fā)言，會去關(guān)注小組的器材歸還和衛(wèi)生問題……學(xué)生的習(xí)慣得到了全面的培養(yǎng)。

● 課程實施的教學(xué)效果及反思

1.教學(xué)效果

本項目每個小組除了設(shè)計制作完成了一個簡易氣象站模型，還以山川、河流、城市和校園為主題，設(shè)計和制作了不同情境下的功能性氣象站模型，同時完成了校園氣象站的建設(shè)，為小紅鷹濕地和生態(tài)種植園提供氣象服務(wù)。項目組四名成員參加了第三屆全國中小學(xué)生創(chuàng)·造大賽——AI地球分項賽，獲得了金獎和全場唯一的最佳團(tuán)隊協(xié)作獎（如圖4）。學(xué)生通過項目的學(xué)習(xí)，對氣象有了更深入的理解、認(rèn)識，動手能力、編程能力也得到了提高。更重要的是，學(xué)生在項目推進(jìn)過程中遇到的種種問題，也都在教師的指導(dǎo)下，通過交流協(xié)作，慢慢摸索、嘗試得到了解決，問題解決能力得到了顯著的提升。

2.教學(xué)反思

校園氣象站項目以現(xiàn)實問題為基點，將多學(xué)科、多個應(yīng)用領(lǐng)域的知識和技能巧妙地融合在一起，引導(dǎo)學(xué)生動腦思考、動手實踐，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生思維品質(zhì)、創(chuàng)造能力的綜合發(fā)展。通過項目的研究，我們有以下兩點思考：

第一，在項目真實性與教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)性之間找到平衡。在項目實施時，科學(xué)、數(shù)學(xué)和程序設(shè)計等知識都有一定的難度，教師要考慮學(xué)生的年齡特點、身心發(fā)展規(guī)律和已有的知識儲備，不能讓學(xué)生跨越較大的梯度來學(xué)習(xí)和研究。

第二，在課時有限性與探究耗時性之間找到平衡。在氣象站項目實施過程中，由于受到課時的限制，需要引導(dǎo)學(xué)生充分利用課內(nèi)外時間。學(xué)生在課上可以完成項目功能說明和解決方案的撰寫，在課余通過小組合作來完成項目，遇到問題可以向教師、家長或同學(xué)求助。

綜上所述，基于STEM理念的氣象站項目是教育改革和時代發(fā)展的產(chǎn)物，其所具有的整合性、實踐性、趣味性等要切合學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，讓內(nèi)容容易習(xí)得，讓思維具有可見性，幫助學(xué)生向他人學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)，為孩子們實現(xiàn)夢想打下堅實的基礎(chǔ)。

點? 評

武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)實驗小學(xué)圍繞“關(guān)注生物的多樣性，美化我們的家園”這一主題，從學(xué)生的真實生活和發(fā)展需要出發(fā)，針對不同年齡段學(xué)生的特點和能力水平，分年級開設(shè)了一系列STEAM項目學(xué)習(xí)課程。將生活情境中發(fā)現(xiàn)的問題轉(zhuǎn)化為活動主題，以項目為載體，通過跨學(xué)科學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和解決問題的能力。

1.激發(fā)學(xué)生的求知欲，提高學(xué)生學(xué)習(xí)動力

學(xué)生在參與小紅鷹濕地項目和生態(tài)種植項目中，發(fā)現(xiàn)隨時監(jiān)測周圍環(huán)境數(shù)據(jù)非常必要，而學(xué)校并沒有相關(guān)監(jiān)測設(shè)備，由此，學(xué)生提出是否能建設(shè)一個可以隨時進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測的氣象站。當(dāng)課題與真實世界緊密聯(lián)系時，學(xué)習(xí)就變成學(xué)生自己“想要知道”，而不再是脫離實際的“需要知道”。知識變成了鮮活、有趣且有意義的東西，而不再是印在書本上死記硬背的東西。好奇，是一切學(xué)習(xí)的前提，是學(xué)習(xí)的內(nèi)在驅(qū)動力。這就是選題與真實世界相聯(lián)系、與學(xué)生生活實際相聯(lián)系的意義。

2.學(xué)科融合，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思維

建設(shè)校園氣象站，需要具備哪些知識呢？教師對需要進(jìn)行的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)五個方面的知識準(zhǔn)備進(jìn)行了透徹分析，學(xué)習(xí)目標(biāo)明確、合理，這也是開好STEAM課程的基礎(chǔ)。STEAM課程應(yīng)該從工程設(shè)計切入，以實踐為明線，以各學(xué)科核心概念、核心知識為暗線，它的基礎(chǔ)是學(xué)科課程，它的表現(xiàn)是完成項目活動，而不能舍本逐末。如果活動中沒有滲透學(xué)科知識，沒有明確的學(xué)科學(xué)習(xí)目標(biāo)，那么學(xué)生的學(xué)習(xí)就是零碎的、盲目的、不成體系的，該課程也就不能稱之為“STEAM課程”。另外，學(xué)生的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備很重要，如果學(xué)生在動手開展項目前，沒有學(xué)習(xí)相關(guān)的知識，那么這樣的課程就變成了懵懵懂懂的操作課，沒有理論基礎(chǔ)，也就失去了實踐的意義。

3.分享交流，評價方式多元化

展示分享貫穿項目的始終，讓學(xué)生進(jìn)行充分地討論、交流和分享。評價方式采用師生、生生和第三方的三維立體評價，促進(jìn)師生進(jìn)行反思和共同成長。過程性評價應(yīng)該融入課程中，在探究學(xué)習(xí)的每個環(huán)節(jié)設(shè)置評價。建議可以考慮引入發(fā)展性教育評價，分析學(xué)生的特點和不足，并提出改進(jìn)建議，促進(jìn)學(xué)生逐步提高、全面發(fā)展。

校園氣象站項目，總體上說，理論框架完整，課程設(shè)計科學(xué)。本項目用現(xiàn)實中真實存在的問題激發(fā)學(xué)生求知欲，啟發(fā)學(xué)生思考，以問題解決驅(qū)動學(xué)習(xí)，學(xué)科教學(xué)目標(biāo)明確，學(xué)習(xí)準(zhǔn)備充分，注重分享交流，評價維度多元化。本項目做到了學(xué)科融合，培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計思維、創(chuàng)新意識和跨學(xué)科解決問題的能力。

（點評人：2019年度全國教師信息素養(yǎng)提升交流活動評委/天津市教育科學(xué)研究院 黃天澤）