STEM視角下小學(xué)科學(xué)探究活動(dòng)設(shè)計(jì)研究

邱亞莉

摘? 要 STEM教育具有跨學(xué)科和綜合性等特點(diǎn)，越來(lái)越多的教師嘗試將其與小學(xué)科學(xué)課程相結(jié)合，以充分發(fā)揮其巨大的潛力。嘗試從STEM教育理念和小學(xué)生思維認(rèn)知特點(diǎn)出發(fā)，基于STEM視角設(shè)計(jì)符合小學(xué)科學(xué)探究活動(dòng)的教學(xué)流程，并以“降落傘制作”為例，進(jìn)行具體的教學(xué)設(shè)計(jì)，以期為STEM教育整合融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)提供新的參考視角。

關(guān)鍵詞 STEM；小學(xué)科學(xué)；探究活動(dòng)；降落傘

中圖分類號(hào)：G623.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）13-0116-03

0? 引言

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代背景下，培養(yǎng)創(chuàng)新型綜合人才的需求已經(jīng)越來(lái)越迫切。2017年，中國(guó)教育科學(xué)研究院頒布的《中國(guó)STEM教育白皮書》中提到：“STEM教育是面向所有學(xué)生培養(yǎng)綜合素質(zhì)的載體”[1]。這是因?yàn)镾TEM教育提倡讓學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)，在不斷探索、試誤的過(guò)程中解決實(shí)際問(wèn)題，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展的目的。由此可見，基于STEM視角設(shè)計(jì)并有效實(shí)施小學(xué)科學(xué)探究活動(dòng)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng)。筆者通過(guò)研究小學(xué)科學(xué)課標(biāo)并結(jié)合STEM教育的特點(diǎn)，選擇“降落傘制作”為科學(xué)探究活動(dòng)主題，按照“創(chuàng)設(shè)情境，確定任務(wù)；做出預(yù)測(cè)，協(xié)作探究；制定方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；交流反思，再次設(shè)計(jì)；作品展示，小組競(jìng)賽”的流程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，以期為一線教師將STEM教育理念與小學(xué)科學(xué)教學(xué)相融合提供借鑒和參考。

1? 主題確定

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四個(gè)詞語(yǔ)英文首字母的組合。但STEM教育絕不僅僅是四門學(xué)科的簡(jiǎn)單相加，其強(qiáng)調(diào)通過(guò)探究活動(dòng)將科學(xué)探究、工程設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)方法、技術(shù)制作有機(jī)融合[2]，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的設(shè)計(jì)思維、迭代思維、知識(shí)遷移能力、解決問(wèn)題能力及團(tuán)隊(duì)合作能力。這與《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》所提倡的“科學(xué)學(xué)習(xí)要以探究為中心”不謀而合[3]。綜合STEM教育內(nèi)涵特點(diǎn)及小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，筆者選擇“降落傘制作”這一主題作為科學(xué)探究的主要內(nèi)容。選擇這一主題有以下幾個(gè)方面的原因。

首先，在綜合性方面，這一實(shí)踐活動(dòng)包含科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程各方面的知識(shí)：在工程方面，學(xué)生通過(guò)選擇合適材料制作降落傘，理解有效的設(shè)計(jì)可以提高制作產(chǎn)品的時(shí)效性和競(jìng)爭(zhēng)力；在科學(xué)方面，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)了解降落傘減速的原理，探究影響降落傘降落快慢的主要因素；在數(shù)學(xué)方面，學(xué)生通過(guò)控制變量法收集數(shù)據(jù)并分析測(cè)試的數(shù)據(jù)，得出規(guī)律；在技術(shù)方面，通過(guò)選擇合適的材料，依據(jù)設(shè)計(jì)方案制作一款性能優(yōu)異的降落傘。

其次，在可操作性方面，學(xué)生在制作降落傘的過(guò)程中可通過(guò)獨(dú)立思考、查閱資料了解降落傘的相關(guān)知識(shí)，再加上教師的講解及同伴互助可完成這一任務(wù)。

最后，在連貫性方面，橫向上，“降落傘制作”需要運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程四門學(xué)科的知識(shí)；縱向上，這一主題知識(shí)向上是對(duì)低年級(jí)知識(shí)的延伸和擴(kuò)展，向下是對(duì)初中物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科的鋪墊。因此，無(wú)論是縱向還是橫向，都起到銜接的作用，符合連貫性特點(diǎn)。

該教學(xué)流程主要分為五個(gè)環(huán)節(jié)：創(chuàng)設(shè)情境，確定任務(wù)；做出預(yù)測(cè)，協(xié)作探究；制定方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；交流反思，再次設(shè)計(jì)；作品展示，小組競(jìng)賽。在不同的環(huán)節(jié)又分別滲透科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)、技術(shù)等知識(shí)，具體如圖1所示。

2? 基于STEM的“降落傘制作”教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1? 學(xué)習(xí)活動(dòng)介紹

該學(xué)習(xí)活動(dòng)以“制作一款性能優(yōu)異的降落傘”為主題，先引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識(shí)制作簡(jiǎn)易降落傘并進(jìn)行試降，通過(guò)控制變量法找到影響降落傘性能的最主要條件；然后提供塑料膜、棉布、細(xì)棉線、繩子等材料讓學(xué)生以小組為單位自主設(shè)計(jì)，制作一款性能優(yōu)異的降落傘，具體如表1所示。

2.2? “降落傘制作”STEM教學(xué)目標(biāo)

該活動(dòng)的STEM教學(xué)目標(biāo)具體如表2所示。

2.3? 實(shí)施過(guò)程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，確定任務(wù)

【播放視頻】播放神舟十一號(hào)返回地球，宇航員安全著陸是依靠降落傘（減速傘）來(lái)實(shí)現(xiàn)返回艙的減速和降落的視頻，引出國(guó)家航天局近期要采購(gòu)一批新的降落傘的情境，并展示國(guó)家航天局對(duì)降落傘性能的要求。

【確定任務(wù)】利用手中200元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，盡可能地制作出一款研發(fā)成本少、研發(fā)時(shí)間短、性能好的降落傘。搜集與降落傘有關(guān)的故事，小組選一名成員在全班演講，其他學(xué)生注意聆聽并記錄故事中與降落傘有關(guān)的知識(shí)。

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)神舟十一號(hào)飛船需依靠降落傘落地這一真實(shí)問(wèn)題情境引出活動(dòng)任務(wù)，激發(fā)學(xué)生探究興趣。強(qiáng)調(diào)制作時(shí)間和成本，意在告知學(xué)生工程設(shè)計(jì)不僅要考慮性能，還要考慮時(shí)間。同時(shí)，在搜集與降落傘有關(guān)故事的過(guò)程中了解降落傘制作的科學(xué)知識(shí)，為順利開展下一環(huán)節(jié)打好基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)二：做出預(yù)測(cè)，協(xié)作探究

【查閱資料，了解原理】通過(guò)上網(wǎng)查閱資料或請(qǐng)教他人，認(rèn)識(shí)降落傘的組成和結(jié)構(gòu)及降落傘為什么能夠達(dá)到減速的目的。

【小組合作，著手制作】如果讓你來(lái)制作降落傘，你會(huì)選擇怎樣的傘面？用幾根傘繩？以什么為重物？學(xué)生在回答完問(wèn)題后，以小組為單位制作簡(jiǎn)易降落傘。

【組織試降，確定因素】組織學(xué)生將制作好的降落傘進(jìn)行試降，每小組三次，并回答問(wèn)題：在試降過(guò)程中能穩(wěn)定下降的降落傘分別具有哪些優(yōu)點(diǎn)？通過(guò)試降，你發(fā)現(xiàn)影響降落傘的因素是什么？

【介紹方法，引導(dǎo)思考】學(xué)生回答完上述問(wèn)題后，教師講述什么是控制變量法，學(xué)生思考：如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？測(cè)試降落傘時(shí)的變量是什么？常量是什么？

【學(xué)以致用，再探因素】小組討論，根據(jù)控制變量法的探究設(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證降落傘在不同條件下的影響規(guī)律，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果交流：小組所探究的影響因素是什么？怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？變量是什么？常量是什么？實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何？

【設(shè)計(jì)意圖】科學(xué)方面，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)請(qǐng)教他人或查閱資料了解降落傘能夠減速的原因是受到空氣阻力。技術(shù)方面，通過(guò)讓學(xué)生了解降落傘的構(gòu)造和工作原理后進(jìn)行試降，測(cè)試降落傘的性能，并找到最佳性能的降落傘。工程方面，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用工程思維設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的降落傘并進(jìn)行試降，在試降的過(guò)程中學(xué)會(huì)如何減小降落傘的阻力。數(shù)學(xué)方面，通過(guò)試降，學(xué)生發(fā)現(xiàn)影響降落傘性能的因素有兩個(gè)，分別是傘面和繩長(zhǎng)，而要找到最佳傘面和最合適的繩長(zhǎng)，就涉及控制變量的問(wèn)題。在介紹完控制變量后，讓學(xué)生應(yīng)用控制變量法再次試降并記錄數(shù)據(jù)，找到降落傘在不同條件下的影響規(guī)律。通過(guò)以上活動(dòng)，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用不同學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題的能力，而且可以提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。

環(huán)節(jié)三：制定方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

【制作模型】根據(jù)小組得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，要怎樣做降落傘？做幾個(gè)？以小組為單位進(jìn)行降落傘制作。

【測(cè)試降落傘】每組按照自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)測(cè)試降落傘，記錄降落傘開傘時(shí)間，開傘后落地時(shí)間二者相加為總時(shí)長(zhǎng)，測(cè)試后分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定每種變量的最優(yōu)條件，得出規(guī)律。依據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)制作，通過(guò)這一過(guò)程體會(huì)并不是所有最佳條件組合在一起就會(huì)形成最佳降落傘，不同條件組合時(shí)會(huì)有一定的組合比例，需找到最佳契合點(diǎn)。

【設(shè)計(jì)意圖】運(yùn)用控制變量法，記錄數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，得到規(guī)律，找出最優(yōu)條件，并以此為依據(jù)改進(jìn)模型。這一過(guò)程可以讓學(xué)生體會(huì)到得出科學(xué)數(shù)據(jù)需要多次嘗試，才能發(fā)現(xiàn)最佳值，同時(shí)體現(xiàn)了不斷嘗試、迭代設(shè)計(jì)的工程思維。

環(huán)節(jié)四：交流反思，再次設(shè)計(jì)

這一環(huán)節(jié)主要包括兩個(gè)項(xiàng)目。

項(xiàng)目一：再現(xiàn)要求，自主設(shè)計(jì)。重現(xiàn)任務(wù)要求，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)新型降落傘。教師應(yīng)提醒學(xué)生：降落失敗，意味著會(huì)有人員傷亡。為避免安全不達(dá)標(biāo)，傷亡率太高，每個(gè)團(tuán)隊(duì)有200元研發(fā)經(jīng)費(fèi)，可以選擇更多的材料，制作合格的降落傘，但最終目的是投資少，降落傘好（打開速度快、落地平穩(wěn)、售價(jià)低）。要求在盡量短的時(shí)間內(nèi)，利用手中的經(jīng)費(fèi)，在所提供的材料中選取材料，制作一款性能優(yōu)良的降落傘，該降落傘能夠裝進(jìn)火箭返回艙，并在最終測(cè)試時(shí)能攜帶鵪鶉蛋平穩(wěn)落地。

項(xiàng)目二：設(shè)計(jì)方案，制作模型。

首先，小組成員頭腦風(fēng)暴提出可行方案，在提出可行方案時(shí)需考慮降落傘的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、尺寸、價(jià)格成本及在有限的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間里如何提升其性能。

其次，選擇可行方案。組長(zhǎng)組織評(píng)選方案，根據(jù)任務(wù)要求、降落傘設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、實(shí)驗(yàn)可行性、實(shí)現(xiàn)難度等條件來(lái)評(píng)估、選擇最佳方案并設(shè)計(jì)草圖。

最后，綜合考慮材料的性能與成本，選擇所用材料，進(jìn)行模型設(shè)計(jì)并試降，確定最佳繩長(zhǎng)和傘面。在這里教師應(yīng)強(qiáng)調(diào)：在制作過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)所選方案有問(wèn)題應(yīng)及時(shí)糾正，若產(chǎn)品不理想，可根據(jù)小組設(shè)計(jì)人員建議快速研發(fā)下一款產(chǎn)品。

【設(shè)計(jì)意圖】首先，利用頭腦風(fēng)暴的方式，盡可能多地提出設(shè)計(jì)方案，這一過(guò)程有利于發(fā)散學(xué)生思維，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新精神。其次，在選定方案后設(shè)計(jì)圖紙，制作模型，不僅可以節(jié)省時(shí)間，提高效率，也是工程設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵且重要的一步。最后，設(shè)計(jì)好模型后，通過(guò)多次試降并利用控制變量法找到最佳繩長(zhǎng)和最佳傘面，這一過(guò)程不僅需要綜合技術(shù)、科學(xué)、數(shù)學(xué)各方面知識(shí)，而且對(duì)團(tuán)隊(duì)之間的默契配合也是一種考驗(yàn)。

環(huán)節(jié)五：作品展示，小組競(jìng)賽

【匯報(bào)展示】學(xué)生可采用抖音、產(chǎn)品說(shuō)明書、PPT、展板等多種方式進(jìn)行匯報(bào)展示，介紹產(chǎn)品的同時(shí)需陳述小組如何分工，小組中個(gè)人做了什么貢獻(xiàn)，在制作過(guò)程中遇到了哪些困難，是如何解決的。

【小組競(jìng)賽】小組帶著降落傘進(jìn)行比賽，要求：降落傘攜帶鵪鶉蛋，從同一高度降落。開傘時(shí)間短，降落時(shí)間長(zhǎng)，且鵪鶉蛋平穩(wěn)落地者獲勝。

【反思評(píng)價(jià)】教師和小組之間對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出意見。運(yùn)用評(píng)價(jià)量規(guī)進(jìn)行量化打分并評(píng)選出性能最佳團(tuán)隊(duì)（開傘速度快且可平穩(wěn)落地）、最強(qiáng)大腦團(tuán)隊(duì)（設(shè)計(jì)新穎且成本低廉）。

【設(shè)計(jì)意圖】在作品展示的過(guò)程中，學(xué)生需對(duì)作品設(shè)計(jì)的思路、意圖、創(chuàng)新點(diǎn)等進(jìn)行說(shuō)明，不僅可以鍛煉語(yǔ)言表達(dá)能力，而且在聆聽的過(guò)程中小組之間可互相學(xué)習(xí)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，完善自己的作品。

3? 活動(dòng)小結(jié)

開展STEM視角下的小學(xué)科學(xué)探究活動(dòng)對(duì)于培養(yǎng)綜合型創(chuàng)新人才是非常有幫助的，但教師在實(shí)施該教學(xué)活動(dòng)時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

首先，構(gòu)建學(xué)習(xí)共同體。教師在實(shí)施教學(xué)時(shí)應(yīng)按照組間同質(zhì)、組內(nèi)異質(zhì)的分組原則，安排學(xué)生進(jìn)行小組合作學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮每個(gè)學(xué)生的主觀能動(dòng)性[4]。

其次，評(píng)價(jià)主體多元化，評(píng)價(jià)方式多樣化?；顒?dòng)結(jié)束后，教師不僅要對(duì)學(xué)生的作品和表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，也應(yīng)邀請(qǐng)別的學(xué)生及學(xué)生自己進(jìn)行評(píng)價(jià)，使匯報(bào)小組得到全面的反饋信息；不僅要對(duì)設(shè)計(jì)的成品進(jìn)行評(píng)價(jià)，也要對(duì)設(shè)計(jì)的過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，如合作情況、問(wèn)題解決能力、設(shè)計(jì)圖迭代過(guò)程等。

最后，評(píng)價(jià)后再改進(jìn)。在小組展示后，教師鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)老師和同學(xué)的建議改進(jìn)和優(yōu)化產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)教育科學(xué)研究院.中國(guó)STEM教育白皮書[M].北京：中國(guó)教育科學(xué)研究院，2017.

[2]中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2017：1-5.

[3]常詠梅，張雅雅.基于STEM教育理念的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)證研究[J].電化教育研究，2018（10）：97-103.

[4]王玲玲.基于STEM的小學(xué)科學(xué)課程設(shè)計(jì)研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2015.