基于小學(xué)科學(xué)課程的STEM微項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與實(shí)踐研究
——以蘇教版小學(xué)科學(xué)五年級(jí)下冊(cè)第二單元《形狀與結(jié)構(gòu)》為例

華錫芬

（無(wú)錫市新吳區(qū)旺莊實(shí)驗(yàn)小學(xué) 江蘇無(wú)錫 214028）

STEM是以工程設(shè)計(jì)過(guò)程為主導(dǎo)，關(guān)注現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，注重在真實(shí)情境中學(xué)習(xí)，將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)有機(jī)地融為一體，契合了《課程標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)的“做中學(xué)”和“學(xué)中思”。在小學(xué)科學(xué)課堂上，教師要為學(xué)生提供動(dòng)手做的課堂體驗(yàn)，通過(guò)創(chuàng)設(shè)良好的教學(xué)情境，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生積極思維，實(shí)現(xiàn)動(dòng)手和動(dòng)腦的結(jié)合，使學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的數(shù)學(xué)和科學(xué)知識(shí)來(lái)創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作并解決問(wèn)題。

基于小學(xué)科學(xué)課程的STEM微項(xiàng)目，利用小學(xué)科學(xué)課堂，關(guān)注全體學(xué)生參與，將學(xué)習(xí)知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)能力?？茖W(xué)教師每學(xué)期嘗試2～3個(gè)STEM微項(xiàng)目，選取適于學(xué)生設(shè)計(jì)制作的一件產(chǎn)品或作品，讓學(xué)生體驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)的基本流程，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心和學(xué)習(xí)經(jīng)歷和結(jié)果的開(kāi)放性，更強(qiáng)調(diào)以多種方是基于問(wèn)題、設(shè)計(jì)和項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生真正參與工程設(shè)計(jì)，鏈接多學(xué)科知識(shí)來(lái)解決現(xiàn)實(shí)生活中的工程設(shè)計(jì)問(wèn)題，使科學(xué)學(xué)習(xí)更富有價(jià)值意義和現(xiàn)實(shí)魅力。

一、STEM微項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)

STEM微項(xiàng)目是指教師設(shè)計(jì)研發(fā)立點(diǎn)小、用時(shí)少、流程相對(duì)簡(jiǎn)化的項(xiàng)目學(xué)習(xí)。項(xiàng)目適合本學(xué)段學(xué)生年齡特征，有助于培養(yǎng)學(xué)生分析綜合批判性和創(chuàng)造性思維、培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力、提升其創(chuàng)新素養(yǎng)能力。教師提出一個(gè)真實(shí)的問(wèn)題，學(xué)生參與活動(dòng)、項(xiàng)目和問(wèn)題解決，通過(guò)動(dòng)手做的課堂體驗(yàn)，讓學(xué)生將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)有機(jī)地融為一體，經(jīng)過(guò)創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作等來(lái)解決問(wèn)題，在具體的情境中理解學(xué)習(xí)如何與“真實(shí)世界”相聯(lián)系，讓課內(nèi)知識(shí)活化和運(yùn)用，并為學(xué)生提供有助于深入研究的必須支持。

小學(xué)科學(xué)教師需要依據(jù)現(xiàn)行科學(xué)課程，聚焦現(xiàn)實(shí)生活的真實(shí)問(wèn)題，進(jìn)行“微項(xiàng)目”的開(kāi)發(fā)。在科學(xué)課堂教學(xué)中，以工程設(shè)計(jì)為基石，學(xué)習(xí)背景知識(shí)，嘗試使用技術(shù)（包括數(shù)字化技術(shù)）收集、分析數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)、測(cè)試改進(jìn)一個(gè)解決方案，與同伴交流研究成果，引導(dǎo)學(xué)生在較復(fù)雜的學(xué)習(xí)情境中利用所學(xué)的科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)的知識(shí)和技能，采取微項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式，解決真實(shí)世界里有意義的問(wèn)題。開(kāi)展以學(xué)生為中心的STEM微項(xiàng)目，將科學(xué)原理與技術(shù)有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

二、STEM微項(xiàng)目的實(shí)踐

教師立足科學(xué)課程中的學(xué)科知識(shí)，在課堂中融入STEM理念，開(kāi)發(fā)和實(shí)踐微項(xiàng)目，組織學(xué)生對(duì)日常生活難題和自然事物的探究和改造，讓學(xué)生積累經(jīng)驗(yàn)、增長(zhǎng)知識(shí)、提升能力。學(xué)生通過(guò)思考問(wèn)題、觀察現(xiàn)象、設(shè)計(jì)方案、建模制作、測(cè)試優(yōu)化和展示交流等形式，發(fā)展實(shí)踐能力、思維能力、運(yùn)用科學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新協(xié)作能力，真切體會(huì)到“學(xué)以致用”“活學(xué)活用”。

STEM微項(xiàng)目一般通過(guò)：明確問(wèn)題→設(shè)計(jì)方案→建立模型→制作作品→測(cè)試改進(jìn)→展示交流，學(xué)生從中體驗(yàn)一個(gè)完整的STEM工程項(xiàng)目。

（一）明確問(wèn)題：生活情境中聚焦

在基于項(xiàng)目的科學(xué)課程中，學(xué)生探究真實(shí)而有意義的問(wèn)題。探究的過(guò)程與科學(xué)家的行為一樣：探究科學(xué)現(xiàn)象、調(diào)查問(wèn)題、討論觀點(diǎn)、挑戰(zhàn)他人的觀點(diǎn)和檢驗(yàn)新的觀點(diǎn)。從一個(gè)真實(shí)的情境中對(duì)需要解決的問(wèn)題展開(kāi)探究，學(xué)生在探究過(guò)程中學(xué)習(xí)和應(yīng)用學(xué)科思想，師生一同尋找問(wèn)題解決的方法，能夠幫助各種學(xué)生積極參與到科學(xué)學(xué)習(xí)中。

教師結(jié)合本地實(shí)際設(shè)置一個(gè)需要建造高塔的情景，指出學(xué)生需要提交的項(xiàng)目包括一座高塔模型和一份工程項(xiàng)目建議書：我校地處無(wú)錫市新吳區(qū)商業(yè)圈中心，毗鄰寶龍城市廣場(chǎng)?，F(xiàn)計(jì)劃在寶龍城市廣場(chǎng)與我們學(xué)校中間的空地造一座觀光高塔，成為新吳區(qū)居民休閑娛樂(lè)的惠民工程?，F(xiàn)需要一份工程建議書，其中包括這座高塔的設(shè)計(jì)方案和高塔模型。

這樣的任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生樂(lè)于交流、分享、探究、合作，他們?cè)谡鎸?shí)情境中嘗試著解決現(xiàn)實(shí)生活中需求的問(wèn)題。

（二）設(shè)計(jì)方案：頭腦風(fēng)暴中勾勒

STEM微項(xiàng)目實(shí)踐中，我們要像工程師一樣工作。首先，我們要像工程師一樣設(shè)計(jì)：畫出草圖。

為了解決這個(gè)工程問(wèn)題，在設(shè)計(jì)草圖之前，我們需要一些背景知識(shí)。首先讓我們一起走進(jìn)高塔世界，通過(guò)學(xué)生介紹或圖片出示：埃及金字塔，它是方錐體三角形石料建筑；埃菲爾鐵塔，由七千噸鋼鐵建成；比薩斜塔，傾斜的大理石塔；蘇州虎丘塔，仿樓閣式磚木套筒式結(jié)構(gòu)；應(yīng)縣木塔，八角形木塔；西雙版納曼飛龍塔，葫蘆形磚石結(jié)構(gòu)塔群。我們發(fā)現(xiàn)，這些高塔千年屹立不倒的原因：三角形結(jié)構(gòu)，埃菲爾鐵塔利用了三角形最穩(wěn)定的特點(diǎn)；材料結(jié)實(shí)、連接牢固；上窄下寬、上輕下重。

在了解了相應(yīng)的高塔知識(shí)后，就由各組學(xué)生分別設(shè)計(jì)。比如，有的小組想利用三角形最穩(wěn)定，搭建一個(gè)三角形結(jié)構(gòu)的高塔；有的小組想利用圓柱體承受力最大，設(shè)計(jì)一個(gè)圓柱形高塔。各小組成員進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)圖。

（三）建立模型：調(diào)查研究中建模

工程師做研究時(shí)，常會(huì)運(yùn)用工程模型。如何將設(shè)計(jì)圖變成按一定比例縮小的實(shí)物模型，需要學(xué)生在實(shí)踐中嘗試。

為了幫助學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)充分發(fā)展最好的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，并嘗試構(gòu)建一個(gè)完整的“高塔”模型。先讓學(xué)生用鉛筆在紙上畫出小組的設(shè)計(jì)草圖，并標(biāo)注尺寸。小組成員商量并修改，達(dá)成一致意見(jiàn)；按照設(shè)計(jì)圖，用橡皮泥和牙簽或小紙片與雙面膠等搭建“塔”的模型。在建立模型時(shí)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)修正，將遇到的問(wèn)題或困難以及解決的方案記錄下來(lái)。

（四）制作作品：制作實(shí)踐中創(chuàng)意

基于工程思維的規(guī)劃性、實(shí)踐性、系統(tǒng)性、科學(xué)性、藝術(shù)性、成本和可靠性等特點(diǎn)，不僅要注重培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)建模的能力，更要培養(yǎng)學(xué)生按計(jì)劃執(zhí)行的能力、不斷反思改進(jìn)的習(xí)慣，讓學(xué)生逐步領(lǐng)會(huì)工程思維。學(xué)生在活動(dòng)過(guò)程中相互合作、交流與分享，不斷反思和改進(jìn)作品；在制作過(guò)程中，針對(duì)遇到的問(wèn)題調(diào)整改進(jìn)；通過(guò)迭代，不斷優(yōu)化。

（五）測(cè)試改進(jìn)：測(cè)試比較中優(yōu)化

“在測(cè)試并觀察原型之后，會(huì)識(shí)別出那些可能改善設(shè)計(jì)的新信息。在這個(gè)階段，回到概念形成階段的起點(diǎn)是很重要的，回到起點(diǎn)來(lái)修改內(nèi)容并開(kāi)展頭腦風(fēng)暴，分析并挑選更新設(shè)計(jì)或者其他選擇，建立新的模型，重新測(cè)試，再次優(yōu)化?！?/p>

在測(cè)試前，先請(qǐng)學(xué)生展示作品，并介紹作品：高塔模型高度是多少？結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定？完成作品與設(shè)計(jì)方案是否一致？設(shè)計(jì)制作過(guò)程中遇到了什么問(wèn)題？如何解決？完成作品用了哪些材料？其他小組圍繞“高度”“穩(wěn)定性”和“承受力”三個(gè)方面對(duì)作品展開(kāi)評(píng)價(jià)，并提出改進(jìn)建議，引導(dǎo)優(yōu)化作品。測(cè)試時(shí)，各組將搭建的高塔模型放置指定測(cè)試地點(diǎn)，在平穩(wěn)直立不倒的前提下，再由一名組員在模型的最高點(diǎn)直接放置一個(gè)50g的砝碼。如果模型依然不倒，測(cè)量模型的高度，模型高度每1cm得2分。為了安全，測(cè)量高度時(shí)，可以將高塔模型橫放在桌上。

技術(shù)與工程實(shí)踐活動(dòng)能使學(xué)生體會(huì)到“做中學(xué)”的成功和快樂(lè)，養(yǎng)成通過(guò)“動(dòng)手做”解決問(wèn)題的習(xí)慣。有個(gè)小組在經(jīng)歷了幾次失敗后，采用了這樣的方法：首先，用一張A4紙做成一個(gè)圓錐，底部剪平；將兩張A4紙用雙面膠連接；用同樣的方法連接九張A4紙；然后在九張A4紙的一端粘上雙面膠；三人合作，將連接的九張A4紙卷成紙筒，并粘貼好；將做圓錐余下的廢紙做成圓筒頂端的平臺(tái)，保障砝碼平放在上面；將圓錐立于地面，將紙筒直立在上面，調(diào)整重心，讓紙筒平穩(wěn)地站立。這座“高塔模型”的高度達(dá)275cm。

（六）展示交流：取長(zhǎng)補(bǔ)短中改善

STEM微項(xiàng)目學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)既突出形成性評(píng)價(jià)也強(qiáng)調(diào)終結(jié)性評(píng)價(jià)，學(xué)生以有意義的方式展示所學(xué)的內(nèi)容和在學(xué)業(yè)方面取得的成功，激發(fā)其創(chuàng)造性，在團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)責(zé)任。所以我們要將前面的作品進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的過(guò)程又要從設(shè)計(jì)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)搭建，再測(cè)試，不斷改進(jìn)、不斷完善！

通過(guò)展示各小組的設(shè)計(jì)方案和完成的作品，結(jié)合測(cè)試得出的成績(jī)，評(píng)選優(yōu)秀小組。希望大家拓寬視野，相互學(xué)習(xí)，取長(zhǎng)補(bǔ)短。每組學(xué)生將優(yōu)化后的作品展示。組織學(xué)生參觀各小組的高塔模型。參觀時(shí)，請(qǐng)各小組的學(xué)生站在自己的作品后，由一名組員通過(guò)演講的方式，在60s內(nèi)介紹自己作品的創(chuàng)意和優(yōu)勢(shì)。請(qǐng)冠軍小組成員當(dāng)場(chǎng)講解他們的制作過(guò)程和活動(dòng)的體會(huì)。

引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)研究如何將高塔造得更高、更穩(wěn)。如在剛才測(cè)得275cm高度的小組，可以將做圓錐剪下的紙利用起來(lái)，做成一個(gè)形狀，增加原來(lái)紙筒的高度；也可以將圓錐的高度增加。繼續(xù)思考其他的好辦法，讓高塔模型更高，并動(dòng)手試一試!

建議利用身邊的其他物品，如撲克牌、吸管、胡蘿卜和牙簽等，試著再建一座高塔，同時(shí)經(jīng)歷“設(shè)計(jì)——搭建——測(cè)試——改進(jìn)”的過(guò)程，期待著不斷發(fā)現(xiàn)，不斷改進(jìn)！

科學(xué)教師通過(guò)“基于小學(xué)科學(xué)課程的STEM微項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與實(shí)踐研究”，精選教材內(nèi)容，巧妙轉(zhuǎn)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)，融入項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程，努力讓每一個(gè)學(xué)生能夠利用科學(xué)知識(shí)和科學(xué)方法初步解決某些真實(shí)世界的實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)全體學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。學(xué)生潛移默化地獲得工程師、設(shè)計(jì)師工作流程的熏陶，促進(jìn)了他們系統(tǒng)思維、設(shè)計(jì)合作、實(shí)踐創(chuàng)新能力的自然生長(zhǎng)。學(xué)生從現(xiàn)實(shí)問(wèn)題出發(fā)，在與現(xiàn)實(shí)生活世界的接觸中，促進(jìn)內(nèi)在知識(shí)體系的創(chuàng)新生成，靈活應(yīng)用已有知識(shí)、發(fā)展解決問(wèn)題能力。學(xué)生在STEM微項(xiàng)目的實(shí)踐活動(dòng)中，將學(xué)科知識(shí)轉(zhuǎn)化成科學(xué)探究和工程創(chuàng)新的過(guò)程和方法。STEM微項(xiàng)目活動(dòng)中，師生互教互學(xué)，共識(shí)、共享、共進(jìn)，形成一個(gè)真正的“學(xué)習(xí)共同體”。