STEM教育理念下的科学教学设计

朱素素

STEM由科學（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的首字母组成，STEM教育并不是将科学、技术、工程和数学四类学科简单地叠加，而是使它们彼此之间进行有效融合，组成为一个有机的整体，并以真实问题解决为任务驱动，在实践中应用知识、获得知识，培养学生的问题解决能力、复合思维和创新思维。可见，STEM教育是一门跨学科教育，旨在运用多门学科的知识和方法解决问题，培养学生的实践能力和创造力。目前，STEM已成为科学教育的发展趋势，我国最新《小学科学课程标准》旨在培养学生的科学素养、创新精神和实践能力，提倡探究式学习，并第一次将“技术与工程”提出作为四大课程内容之一。在美国，聚焦 STEM 的中小学已遍布全美，它们为学生提供严格的 STEM 课程、超时的 STEM 教学、丰富的 STEM 教育资源以及优秀的STEM 教师等。

教科版五下《造一艘小船》中，介绍了船的发展史，学生设计小船设计图、确定材料、动手建造一艘小船，学生能根据一些要求改进小船模型，如船上装了玻璃弹滚来滚去如何解决。在小船构建模型的过程中，数学和工程类要素涉及较少，笔者根据STEM的理念对本节课进行了重新设计，创设真实的问题情境，学生经历问题讨论、获取背景知识、设计方案、构建模型、测试改进模型、展示交流等流程，发展了学生实践创新能力。

一、基于STEM理念的目标设计

STEM教育目标是在真实的问题情境中获得多门学科相关知识和技能，培养实践能力、探究精神和创新能力。因此，我参照新课程提出的三维目标来划分教学目标：知识与技能目标、过程与方法目标、情感态度与价值观目标。

二、基于STEM理念的教学活动设计

（一）创设真实情境，激发学生思维

STEM课堂中教师设置一个明确的真实情境，为解决问题，学生综合考虑各方面客观因素，自然就贯穿了力学、数学、设计、技术等方面的知识。在这个构建小船模型项目中，学生需全面关注情境中的背景知识，情境中提到了“东南风”“茶叶不能湿”“省力”“安全”“节约”等等，对学生来说是充满挑战性和趣味性，充分了激发了学生的思维积极性。

情境设置：刘大伯的茶园丰收了，他要运茶叶过河去市场上卖，可是村子外有一条河挡了刘大伯的路。你能帮助他设计一艘船，既省力又安全地渡过这条河流吗？对了，茶叶可不能弄湿。当然，你帮忙设计这艘船，他一定会还给你材料费和工钱的，不过他希望越节约越好。（注：当地盛行东南风，这是一条大约100米宽的小河，河水几乎没有在流动，刘大伯大约重70kg，茶叶大约有100kg。）

（二）开展头脑风暴，了解背景知识

组织学生开展头脑风暴，讨论建构小船模型我们需要知道的背景知识。学生进行创造性的讨论，畅所欲言，将所需的知识和问题全部贴在教室。学生预设：一类是知识问题：小船的装载量影响因素、船的动力等；一类是具体工程问题：船体设计、小船模型的材料、经费预算等。

（三）开展实验探究，获得背景知识

学生要进行相关的科学概念和数学概念的学习，促进概念的内化，帮助接下来的工程和技术活动的开展。

1.测量装载量

给学生提供一张导学单，提示学生小组材料：橡皮泥、水槽、大烧杯、小量杯、小木块、细绳、回形针、垫圈，学生从这些材料中进行选择，解决以下问题。

（1）如何测试小船的装载量？测量的方法是什么？预设：利用回形针充当货物测试小船能承受多少个，不断加回形针，直到小船沉没。

（2）如何测量排开的水量？如何让测量准确一些？预设：小木块垫在烧杯的一边，让烧杯倾斜，烧杯加满水，将小船放在水面，将小量杯放在烧杯口下，开始以后，往里面一个一个地加垫圈或者回形针；为了让排开的水量的读取更准确一些，每加5个垫圈或者回形针读数一次。

（3）装载量和排开的水量有什么样的关系？预设：设计表格记录并绘制坐标图，寻找规律。多次实验，记录。

（4）能推断帮助农民运载茶叶的船排开的水量吗？预设：根据上述问题进行预测。我们要增加船排开的水量才能增加载重量。

（5）为了增大船的装载量，你们的小船该如何设计？预设：尽可能造大一些。

2.搜集船的相关资料，分析讨论造船的动力

以小组为单位，通过网络搜集船的发展史和造船技术运用到的技术。预设：学生了解到船的结构和特点、船的不同类型、船的材料、船的发展史。

我们的任务适合设计哪种动力的小船呢？预设：分析任务发现，太阳能不好利用，水力驱动也不好利用，人力也不好利用，电力驱动需要发动机还是比较贵的，因此我们用风力驱动。学生了解风动力的船。

（四）确定造船方案，构建小船模型

1.确定造船方案

工程中设计是至关重要的一个环节，设计图中包含了船体造型、材料选择及预算，我们标出了每种材料的价格供学生参考。真实的工程建设均是要进行工程预算的，模型制作也要进行预算。每个学生小组需综合考虑情境所给的客观因素，寻求最优设计方案，确定造船方案，包括需要的材料、船体设计图（船身比例、尺寸）、安全性能、预算20元材料购置。

2.构建小船模型

确定造船方案后，学生依据设计图并运用一些工具构建小船模型。学生在大水盆里测试小船的装载量并吹气测试自己的小船能否前进。预设：有些小组的小船装载量比较小，有些小组装载量大，小船有些前进快，有些前进慢，小船的方向会发生改变。3.改进并测试小船模型

学生测试小船模型，发现存在的问题，学生讨论并且参考其他小组的模型优点和缺点进行改进，并再次测试小船模型。参考的改进点：①你们的小船装载量有多少，能再增加吗？②小船能开得快一些吗？③你们准备怎么测试改进后的小船？④小船的方向如何控制？预设：船身的形状改造，船的帆的固定位置和形状再改造。

4.再次改进小船模型，测试

真实的工程设计就是会不断地进行改进测试，我们的小船模型要不断地修改，满足要求。参考的改进点：船上运送的茶叶是不能被河水溅湿的，也不能挪动以免茶叶破，你们有这方面的考虑吗？预设：学生在设计图上修改，并再次测试小船；学生对船体里面再改造，制造隔间。

5.学生展示结果，交流小船设计

比较各个小组小船的优点和缺点。

三、教学评价

STEM教学评价的不是知识本身，而是知识、技术、工程的迁移应用能力，而评价指向全面发展的人的STEM技能。STEM技能的评价，以小组的形式进行评价，评价围绕着整个活动内容，进行过程性评价评价。

评价方案：以下七项累计加分，满分为100分。

STEM教育作为一门跨学科教育模式，在真实的问题情境下，学生综合运用多门学科知识进行探索学习，促进学生的全面发展。在实施过程中，如何进一步培养学生创新能力、如何客观全面地评价学生等，仍需要我们继续积极探索。

【作者单位：温州市经开区沙城镇第三小学 浙江】