融入STEM教育是小學科學課程不可回避的問題，所以小學科學老師要了解STEM教育，我們也要考慮在課程里面融入STEM課程設計。人教版《科學》教材中同樣加入了STEM課程體系設計。

張軍霞：人民教育出版社理科綜合室負責人

本文系 張軍霞在第三屆中國STEM教育大會上的主旨報告，正文如下：

融入STEM教育是小學科學課程不可回避的問題。

STEM教育重要性，自然不言而喻。國際經驗表明STEM教育有助于培養(yǎng)學生的科學探究能力、創(chuàng)新意識、批判性思維、信息技術能力等適應未來的關鍵能力，并有可能在未來生活和工作中持續(xù)發(fā)揮作用。因此STEM教育成為發(fā)達國家保持卓越、領導世界的主要著眼點。

在科學界和教育界的共同努力下，STEM教育于本世紀初逐漸走入基礎教育，特別是2010年前后成為以美國、英國為代表的國際科學與技術教育新興的教育實踐和研究范式的主流。

與我國小學課程相關的有幾個重要文獻，一是《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)》，它是各個學科核心素養(yǎng)的引領。學生發(fā)展核心素養(yǎng)，主要指學生應具備的，能夠適應終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關鍵能力，包括三個方面、六個要素、十八個基本要點，其中科學精神與科學相關，責任擔當、實踐創(chuàng)新提到問題解決、技術應用、社會責任，都與小學課程相關。

中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)

另外一個文件是《小學科學課程標準》，其中明確提出倡導跨學科的學習方式，主要是STEM教育，提出STEM教育是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，將科學、技術、工程、數(shù)學有機融合為一體，有利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。所以科學教師要嘗試將STEM教育用于自己的教學實踐。

美國《新一代科學標準》中的“科學與工程實踐”，從這些條目中可以看到美國提出將科學與工程融合在一起。因為在上世紀末和上世紀初人們探索科學與工程關系往往是并列，科學與工程實踐聯(lián)系十分緊密。

美國每隔五年會出一個STEM教學法，在2018年明確提出STEM教育目標是夯實STEM素養(yǎng)基礎，增加STEM教育的多樣性、公平性、包容性，為未來準備STEM勞動力。

美國推進STEM教育路線圖

STEM成功途徑有重視跨學科學習，重視計算思維，這些都是在美國《新一代課程標準》里面提到的，在《STEM五年戰(zhàn)略計劃》中提到STEM成功途徑里面明確提出計算思維。

小學科學老師面臨各種科學教師培訓，要求老師也要了解STEM教育，依托現(xiàn)有學科培養(yǎng)教師培養(yǎng)的現(xiàn)有條件，優(yōu)化課程結構。加強在職理、化、生、地、科學、計算機、綜合實踐活動等領域教師培訓，通過項目參與方式，探索和深化STEM教育。未來要構建我國STEM教師的素養(yǎng)標準，所以小學科學老師要了解STEM教育，我們也要考慮在課程里面融入STEM課程設計。

小學科學老師首先得厘清三個問題：什么是STEM教育？STEM教育與現(xiàn)有的課程如科學、信息技術、總結實踐、通用技術、研究性學習、校本課程的關系是什么？各類科技活動都能被貼牌成為STEM教育或創(chuàng)客教育嗎？

科學、技術、數(shù)學、工程的含義，有一些老師會比較熟悉。

科學指提出關于自然界的問題，以基于實證的解釋的方式給出合理普通的答案，形式或反映自然、社會、思維等客觀規(guī)律的知識體系。

技術是解決問題的工具、方法和經驗的總稱。有經驗的科學老師會知道，原來在自然科學的教學里面很注重技術設計，或者是技術制作。

數(shù)學是研究空間形式和數(shù)量關系的一門科學，是一個分析工具。在小學科學里面經常會用到一些表格和簡單計算，有時候會用到統(tǒng)計量表工程是運用科學原理和技術手段創(chuàng)造人工物體的系統(tǒng)性的、經常反復的過程和途徑。

科學、技術、數(shù)學、工程之間具有相關性，技術應用于工程，數(shù)學應用于科學，科學發(fā)展是得益于技術工程的發(fā)展。工程主要是培養(yǎng)創(chuàng)造力，要面向造物世界，要設計搭建模型和構建系統(tǒng)?？茖W是應用科學方法，發(fā)現(xiàn)周圍世界的規(guī)律，科學家要研究和建構有關世界的概念、模型和理論，主要運用的實踐方法就是屬于科學的方法?？茖W和技術、工程、數(shù)學如何能夠結合起來？

STEM各要素之間的關系

從什么問題入手，可以分析什么是科學問題，什么是工程問題。源于自己、源于某一現(xiàn)象屬于科學的問題。源于需要解決的某個難題是屬于工程問題。舉幾個例子，衣服能給身體增加熱量嗎？這屬于科學問題。怎樣讓杯子更保溫？屬于工程問題。兩個貌似不同的問題，其本質也都是熱學中能量的傳遞問題。不同坡度的斜坡對提升物體有什么影響，這屬于科學問題。怎樣改造一個空間有限的過街天橋，使人推自行車在上面更省力，這屬于工程問題。

從工程問題入手，融合科學和工程學，所以這是我們將STEM引入小學科學課堂的思考。將工程思想和實踐引入科學課堂，側重于連接科學與工程少數(shù)的重要概念（我們有18個大概念，這些概念需要我們在STEM課程或者STEM單元里面進行學習培養(yǎng)）。開發(fā)與科學探究工程技術相關的實踐，科學教材或者科學教學需要通過科學實踐表達，所以我們要更出色、更真實地開展科學探究與工程實踐

《STEM教育的國策分析與實踐模式》一文中分析國際上STEM教育實踐特征：教育理念要“能力為本”，實時策略應“整合為要”，實踐應用是“項目引領”，課堂教學需“繼承創(chuàng)新”，生態(tài)發(fā)展是“多方合力”。

我國STEM實驗的特征有九個，努力打造STEM課程的跨學科性、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性、設計性、藝術性、實證性、技術增強型。STEM課程應具有詳實的腦科學、認知科學和教育科學研究基礎，以人的發(fā)展為制高點，具有不斷的發(fā)展性。

現(xiàn)行的STEM課程模式，基本上采用集合整合式，強調各個領域之間的關聯(lián)。不是簡單將各個領域拼湊在一起，而是有目的、有方法、有系統(tǒng)的組合。科學與工程問題往往是課程的主要線索，圍繞主線創(chuàng)造一個多維空間，從而為學生提供一系列具有一定程度關聯(lián)性的學習經歷。

我嘗試將STEM的課程按不同的角度進行分類。

1、從教育層次架構分類，分成四類，一是泛科技資源的資訊型科普教學；二是項目型課程（跨學科問題解決）；三是整合性學科（一個專門的交叉學科）；四是嵌入式課程，單學科助推型課程，基于小學的科學課程教材來在教材體系里面反映STEM的課程，就屬于嵌入式課程。

2、按整合取向及學習模式分類：學科知識整合是基于問題的學習模式，生活經驗整合是基于項目的學習模式，源于工程任務基于項目學習的學習一般是倡導從生活經驗出發(fā)。學習者中心整合基于面向體驗的學習模式。

3、按問題類型分類，基于問題的，更多是科學探究；基于設計是技術制作，也是老師前幾年自然到科學的過程當中具體制作；基于項目是工程實踐。

4、按實施方式分類，有驗證型、探索型、制造型、創(chuàng)造型。

5、按支持程度分類，分為開放型與支架類。

6、按層次分類，分為省級STEM教育、地市級STEM教育、區(qū)縣STEM教育、校級STEM教育、學科教材融合STEM教育、學科教師設計STEM課程。

STEM課程有6個特征，一是融合S、T、E、M四個要素。STEM是一種“后設學科”，即基于不同學科間融合之后形成的一個新的整體；二是以工程設計過程為主導?，F(xiàn)在接觸到的STEM課程，大多是以工程為主線，科學為基礎，技術和數(shù)學為應用的課程；三是關注現(xiàn)實問題，注重在情境中學習。

四是以學生為中心。教師是引導者，通過問題的提出及由淺入深的環(huán)節(jié)設置逐步引導學生獨立解決問題，學生是活動主體，發(fā)揮自主能動性，通過激發(fā)出的對課題的興趣進行主動探索，嘗試解決問題和建模，并對自己所收集的數(shù)據(jù)進行分析。

五是團隊合作、參與。STEM課程需要全體參與，與他人合作，分享觀點，并且通過與他人的對話提升自己的見解。六是結果開放，允許多個答案。源于真實的情境，通過頭腦風暴，篩選真實的需求。

1、 源自身邊的工程與技術問題

源自身邊的工程與技術問題，突出STEM課程的特征。下圖是一到六年級的STEM單元，這些內容都是源自于學生身邊的工程與技術問題，有一些問題是前文單元涉及到的問題，到這個單元進行STEM的探討。我們在教材里面實現(xiàn)STEM單元設計，真正有課時保障的落實到課堂教學里面，可以說是標志著STEM教育進入常態(tài)的課程和教學。

一到六年級STEM單元

2、實現(xiàn)科學探究向STEM的轉變

我們要將問題轉化為STEM問題。解決工程問題時必然會涉及到科學知識和原理，所以從工程技術的角度出發(fā)設計的活動更容易達成科學、工程與技術的共同發(fā)展。

3、突出STEM課程的特點。在設計單元的時候要思考依據(jù)前面的STEM課程特征六點，要思考每個單元課程設計。

突出STEM課程六個特點

創(chuàng)造一個源自身邊的情境，提出問題設計要求，給學生補充學生背景經驗，最后進行問題解決或工程設計。比如一年級下冊《做個指南針》，問題引入后確立做指南針任務，背景經驗是認識指南針，然后設計指南和展示交流。我們要做一個指南針要有背景的經驗積累，這就是認識指南針結構，然后設計制作指南針。

單元設計

再舉一個例子，五年級上課本《太陽能熱水器》，問題引入是確立制作簡易太陽能熱水器任務，背景經驗活動是認識太陽能熱水器原理，設計和制作簡易太陽能熱水器，最后檢驗、改進、交流。

這是五年級下冊的單元內容，大家可以看到第一單元有關于熱傳遞、熱傳導、熱輻射，熱輻射是跟太陽能相關。第四單元有光、太陽能反射，也是跟太陽能相關。這些內容基礎上進行第五單元的學習。

五年級下冊單元內容

第一單元是熱傳遞，認識熱對流。第三單元是光，光沿直線傳播，太陽光由不同顏色組成，布頭顏色、材料吸收和反射光的能力不同，設計太陽能熱水器知道選擇黑色還是白色，還有光反射，這是給學生STEM課程學習的時候提前鋪墊的背景經驗。第五單元，認識太陽能熱水器，要認識太陽能熱水器的結構，比如有集熱，有角度架、儲水箱、反射板，太陽能熱水器的原理是黑色吸熱能力最強、熱對流、反射光能集中太陽能，有了這些經驗就開始制作簡易太陽能熱水器，首先要設計，然后制作，最后是改進與交流。

我把設計太陽能熱水器教學過程詳細的展現(xiàn)出來，首先是回顧太陽能熱水器的結構和工作原理，了解工程項目，學生要討論簡易太陽能熱水器設計方案，這時候老師給一些材料，在教室里進行設計。

設計太陽能熱水器教學過程

回顧太陽能熱水器結構和工作原理的時候，給一個太陽能熱水器簡單剖面圖，熱水箱在上面，集熱管是黑色，有一個傾角。里面會有熱水、冷水熱對流。

然后要了解工程項目，設計一個情境，如非洲醫(yī)療隊地方沒有熱水。每個小組設計一個能在15分鐘內能讓200ml的水升溫的簡易熱水器。

接下來討論簡易太陽能熱水器的方案，設想可能利用哪些材料可以制作太陽能熱水器。這樣在此基礎上逛各種“材料超市”，了解各種材料的價格，進行成本核算，初步選定設計方案。

最后完成簡易太陽能熱水器的設計方案，列出需要材料種類、數(shù)量、架構、工具，繪制太陽能熱水器設計圖，簡單評估本組設計的可行性，預測加熱效果。孩子們在討論基礎上繪制的設計圖，比如說有反射板要用黑色的瓶子，要有一個測量溫度的溫度計。學生逛了材料超市根據(jù)設想確定材料，然后完成成本核算表格。

我們在每個單元教學里面都會有評價量表，會有關于成本核算、設計圖、小組合作等方面評價量表。還有單元評價，根據(jù)成果，熱效率是否符合太陽能熱水器的原理進行單元評價。

在單元后會給一個回顧單，也是一個單元評價?；仡檰蔚男纬墒怯幸罁?jù)的，老師們如果學過科技學堂里關于STEM案例教學，會熟悉這個撰寫工程建議，有四個角度，設計、預算、檢驗與數(shù)據(jù)、綜合陳述。設計里面要有清晰的圖、圖注、材料、比例，因為你要讓客戶理解你建議和采納你的設計，所以圖要畫得很清晰，比例合適，要標注材料。預算里面是把價格成本呈現(xiàn)出來，需要給客戶呈現(xiàn)設計模型檢驗效果，所以需要有一個數(shù)據(jù)、圖作為檢驗效果。最后是綜合陳述，用檢驗結果說明為什么設計與模型是最好的選擇。

單元回顧單

以上是我向大家很快速介紹了基于我們小學科學的課程教材里面的STEM課程設計。謝謝大家。

***** by NIES' Future School Lab*****