基于STEM的小学科学学习项目设计

许春良

[摘 要]STEM教育的主要特征是“模糊的任务”和“明确的结果”，需要教师确定一个具有多项合理解决方案或对单一解决方案有多种可行途径的问题。“建造运载小船”是小学科学課程中适合学生开展的一个项目设计案例，侧重于让学生借助数学的方法理解小船的体积与载重量之间的关系，渗透工程设计和技术应用。整个项目设计分为前期、实施和后续三个板块，在项目的核心实施板块，设计“初建→反思→再建”的三锚式进程，学生在这一时空里展开活动、分享和反思，实现数学、工程、技术与科学的整合。

[关键词]  小学科学;STEM;“建造运载小船”

STEM教育主要通过科学、数学、工程设计与应用于一体的融合式项目设计教学，培养学生的科技意识和创新能力。小学科学课程非常适合学生开展以问题解决为目标、以实践探究为形式的STEM项目学习。在此，笔者以“建造运载小船”为例，通过实现小船载重最大化的教学项目设计，拓展学生的创新思维，引导学生用科学的方法，多维度地去思考、探究、解决客观问题，进而满足学生的探索未知的欲望，培养学生的科学态度、科学精神和创新实践能力。

一、项目实施过程及方法

（一）材料准备

装水的水槽、橡皮泥、厚纸、PVC板、学生用电动切割机、胶带、胶枪和胶棒、围棋子等。

（二）实施模式

从教学目标上看，“建造运载小船”STEM项目，不是从研究船的形状与结构方面切入，而是侧重于让学生借助数学的方法理解小船的体积与载重量之间的联系，工程设计和技术应用所占的比例相对偏低。所以，教师将整个项目分为前期、实施和后续三个板块，其中项目实施板块是教学活动的核心，教师和学生主要在这一时空里展开活动、分享和反思。从学生“学”的角度看，主要经历“发挥创意→制作测量→记录细节→交流展示→反思总结”这五个核心环节（见图1）。发挥创意环节需要学生根据已有的生活经验和知识储备，在头脑中设计一艘浮在水上并能够载重的小船;制作测量环节要求学生选择某种材料，运用一定的制作技能，把自己的设计方案变为实实在在的模型，并进行测试;记录细节环节借助航海日志的方法，引导学生做好测试前后的记录工作，要求能够尽可能多地呈现出各种细节;交流展示环节需要学生通过分享的方式，从自己和他人的活动中获得启发;反思总结环节则是对整个学习活动加以提炼，形成较为统一的科学认识。从教师“教”的角度看，项目实施中要对学生的探究活动提前设置合理预期，通过设置有趣的探究任务，促进全体学生积极参与，引导他们发现各种有价值的信息，同时又能够有效地控制课堂秩序，帮助学生形成科学结论。

（三）实施过程

在项目实施阶段中，教师设计了“初建→反思→再建”三锚式进程，在每个进程中都让学生使用数学的方法加以测量、评价、分析和总结。在初建进程阶段，学生将尝试着用某种材料，来建造一艘浮在水上并能承载一定重量的小船;在反思进程阶段，学生将结合航海日志的绘写，发现影响小船载重的诸多因素，并思考如何进行完善;在再建进程阶段，学生将再次展开建船活动，并通过载重竞赛的形式，发现小船体积与载重量之间的内在联系。

1.初造航船

教师组织学生观看我国第一艘航空母舰“辽宁号”的首航画面，这一活动的目的在于让学生重新整理对航船的各种知识和细节，唤起民族的自豪感和使命感，为“造船”活动营造一种积极的氛围。当学生的情感被调动之后，教师布置如下任务：“请你们在10分钟之内制造一艘小船，不仅能让它浮在水上，而且能够承载一定的重量。”再把建船的3种实物材料（橡皮泥、厚纸、PVC板）展示给学生。将学生分成4人一组，让他们进行简短的讨论，确定选用哪一种材料进行制作，并商讨如何确定所制造小船的载重量等细节问题。

学生按团队所商讨的制造方案进行“造船”活动，并使用围棋子作为检测载重量的标准单位加以实际测试，要求他们将所造小船的外形及测试的结果记录下来，以便与选用相同材料的其他团队进行比较和评估。在这个过程中，教师和学生明确各自的任务，教师要通过不停地巡视，重点观察学生的一些活动细节，并用数码相机记录下具有探讨价值的画面，提醒学生关注并思考对策，为后面学生的航海日志交流环节提供真实直观的图片或视频素材;学生要能够发现自己所造小船存在的各种缺陷，并能够从其他团队的互相交流中获得有用信息，以便为自己后续的建造和测试积累经验。

教学分析：STEM项目学习的核心特点之一，便是强调“模糊的任务”和“明确的结果”，而创建“模糊任务”的关键，则在于教师能否找到一个具有多项合理解决方案或对单一解决方案有多种可行途径的问题。在本项目中，建造小船就是一个“模糊的任务”，而能够浮在水面并承载一定的重力就是一个“明确的结果”。要想实现这一任务，学生首先面临的是小船材料的选择问题，以及随之而来的能承载多少重物的疑惑。“初造航船”环节要求学生选择某种材料来建造小船，体验造船的乐趣，并发现造船不是想象中的那么简单。学生遇到的实际问题越多，意味着围绕这些问题所能展开的后续改进措施就越多。

2.航海日志

学生完成建造和载重测试任务之后，教师随即引导他们进入整理“航海日志”环节。作为这艘小船的拥有者，学生的角色经历了多种变化，体验了从无到有、从试航到沉没的充满兴奋又稍带遗憾的复杂心情。这时教师要趁热打铁，引导他们对这一过程进行及时地反思和总结，整理航海日志则不失为一种有效的激励教育方式。

航海日志没有固定的模板，教师可事先为每组学生准备空白纸张和水彩笔，让学生以图文并茂的方式记录并呈现。航海日志应包括建造小船所使用的材料、小船不同侧面及整体的外观图，如果使用胶带最好要标出它的使用部位，还要尽可能准确地在这些图上标注出这艘船的各种数据和信息，包括载有棋子前的“吃水线”、放置棋子的数量、漏水的各处部位及发生漏水的顺序等。教师可以在此基础上加以灵活调整，着重体现最有价值的细节，以适合教学目标和课堂实际情况。

组织学生交流展示航海日志时，教师要做好充分的准备，事先构划好所要交流的主题内容、主题交流的顺序、相关专业知识的链接等，以便于处理好不同小组在展示过程中有可能出现的语言表达困难、单调重复、枯燥無味以及争先恐后等课堂表现。如有必要可以让学生根据实物进行讲解，力争让全体学生既能够对自己的学习获得真实客观的评价，也可以参与到对其他小组的学习评估中去，以获得有深度的学习效果。

教学分析：STEM项目学习中的课堂管理，是以促进学生的积极参与和控制混乱局面为基础的。所以，在这一环节，教师应事先考虑好航海日志的内容设计，以便让学生能够全面详细地记录下建造和测试过程中的各种经验和教训，让学生“有事做”，知道“怎样做”。这一环节的活动目的，不在于评选出哪个团队的设计建造方案为最优，而在于让学生通过这一真实有趣的活动，识别出自己在哪些方面需要进一步改善与提高。

3.重建航船

学生通过建造小船这一初始“模糊的任务”，对如何提高小船的载重量有了比较“明确的结果”，他们通过绘写航海日志、与他人交流后获知：影响小船载重的因素有很多，如造船材料、建造技术、棋子摆放等都有可能成为限制小船载重量的短板。此时，教师可以让学生围绕某一方面展开新一轮的造船活动。本环节选择的“新一轮模糊任务”是采用A4纸大小的PVC板材和热胶棒，重新建造一艘载重量尽可能大的小船。教师引导学生通过具体的测量以及引入简单直观的函数图像等方式，让学生理解“所建造的小船容积越大，所能承载的重量就越大”这一“更为明确的结果”。这一环节，教师要给学生留出足够多的时间来设计小船的草图。学生首先需要对A4纸的长和宽进行测量，在此基础上大致确定所设计船的外形。考虑到大部分学生的设计和制造能力，学生所建造的船会非常接近于一个长方体，因此，教师可以让学生在草图上标注出各部分的数据（主要是长、宽、高的数据），这样方便学生按图切割和拼接。教师提醒学生在正式测量载重量之前，要检查一下它是否漏水并采取适当的补救措施。要尽可能多地提供水槽，控制好测试区域的人流量和声音，以减少对课堂的影响。

教师事先在黑板上绘制各组所建造小船的数据表，并让学生结合最终的载重量进行分析和归纳，引导他们发现小船体积和载重量之间的内在联系。教师介绍用数学方法所绘制的小船，在不同深度的情况下载重量的曲线变化图，让学生进一步感知和理解小船体积与载重量之间的内在联系。最后出示一张A4纸所能建造的最大体积的小船设计图，并取出事先建造好的这种小船进行载重量测量，看一看能否成功挑战班级里载重成绩最好的小组。

教学分析：STEM项目学习的设计过程，总是始于一个可测量的目标。可测量分为两种：一种是满足或符合预期规定的技术要求，如要求学生建造一艘能浮在水上的小船;另一种是在具体的数学化测量中获得优胜。在本环节中，让学生试着用数学方法来寻找出事物之间的内在关系，渗透了科学研究与工程实践之间的一种理论假设与实际解决问题的最优化思想。函数图像的知识虽然对小学高年级的学生来讲显得颇为陌生，但作为一种设计思想，用它来统计分析数据、构建模型、预测系统的运行状况，显然是具有积极的意义。

二、项目教学反思及建议

（一）对“模糊的任务”的理解

“模糊的任务”意味着会产生更多的子任务。科学课中的探究性实验，通常希望学生能够得出自己的结论。而STEM则稍有不同，它始终指向某一具体实际问题的解决，并以此作为评估学习效果的主要依据，要求学生通过各自的设计完成某一手工制品，通过这一“眼前可见的产品”获得对知识的理解。事实上，学生最终呈现的作品必然是各不相同的，这意味着他们在解决现实问题时，所采取的策略是各不相同的。通过初始的“模糊的任务”能够让学生意识到：载重小船的建造涉及到多种学科知识，具体包括材料、浮力、密度、形状与结构甚至流体力学等。一旦学生意识到了这一点，教师需要将任务“进一步模糊化”，确定其中某一因素展开深入研究。在本项目中，教师选择的是在材料限定的情况下，让学生设计船体的合理形状以获得最大的承载量，从中可以清晰地看出，学生所要解决的“模糊的任务”在不断进化和重新定义。

（二）对“明确的结果”的理解

STEM项目学习中最具有争议性的地方无疑是“明确的结果”。一个STEM项目如何才能让学生获得一个“明确的结果”，同时又不会对学生的创造性和灵活性产生负面作用，这对教师来讲是一个巨大的挑战。在建造承重小船的项目中，学生所使用的材料和数量有严格的限制，从数学和物理学的角度来讲，必然存在着一种最合理的设计方案，能够让学生所制作出来的小船具有最大的载重量，问题是在于如何让学生理解这一最佳方案产生的依据。如果直接向学生提供问题的答案或解决困难的具体措施，他们就不会竭力尝试自己去发现问题和解决问题;反过来，教师如果忽略学生所遇到的正常问题，对他们不理不管，又极易把他们推入挫折的深渊，导致放弃原来的探究活动。因此，教师需要在每个活动阶段保证所有学生能够获得一个“明确的结果”，通过这种带有个人意义的学习结果，让它和自己头脑中原有的相关认知概念产生互动，这样能够吸引他们持续的学习热情和欲望。没有了“明确的结果”，学生的学习体验特别是成就感会大打折扣。

目前，小学科学教学中各学科领域的相互交叉、融合、渗透已被广泛关注。将STEM教学思想引入到小学科学课程体系中去，有利于转变教师的课程观，有助于教师的思维开放、教学视野的开阔，促进教师在教学过程中更好地进行跨学科融合。以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，将生活情境和社会问题置于学习中心，对培养学生整合多学科知识、动手动脑实践的能力、解决现实生活中的实际问题以及训练学生的创新思维和创造能力，都具有极其重要的意义。

[参 考 文 献]

[1]华中师范学院教科所.陶行知全集：第1卷[M].长沙：湖南教育出版社，1985.

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[3]白雪双.基于STEM的小学科学课程教学设计[D].西安：陕西师范大学，2018.

[4]潘小军.STEM理念下学校课程开发与实践的思考[J].教育实践与研究（A），2018（12）.

[5]王圆.基于STEM的小学科学课堂教学例谈[J].物理之友，2018（9）.

[6]石静，白可，刘军.在小学自然班中实施STEM教育替代科学课程的几点建议与对策[J].中国教育技术装备，2017（18）.

（责任编辑：符 洁）