国外小学STEM活动类型与特点分析.doc

国外小学STEM活动类型与特点分析-科学论文国外小学STEM活动类型与特点分析 肖 瑗 一、国外小学STEM活动概况 世界各国课程改革在如火如荼地进行，尤其是STEM教育（STEM教育是指科学、技术、工程和数学教育），随着其不断的发展，STEM课程逐渐地被纳入小学科学课之中，各国相继出台了一系列STEM课程的发展策略和实施规划，旨在提升学生的STEM素养。美国自1986年进行STEM改革以来，一直致力于小学STEM课程及资源的开发，很多其他国家已经涉足STEM教育改革，出现了大批优秀的STEM课程和活动。 分析国外的小学STEM活动，我们不难发现，这些活动在设计时十分关注学生综合应用能力的培养，有些活动根据难易程度，面向小学的不同年级，为学生和教师提供了丰富的综合性资源，包括与STEM相关的全套活动资源及评测系统。有些活动不仅面向教师和学生，还面向学生家长。纵观这些STEM活动，大多能够按照物质科学、生命科学、地球与空间科学等领域进行分类，另有一些活动是跨领域的。 因此，虽然国外暂时没有统一的教材，但已经有了承载STEM教育和STEM活动的平台，STEM教育已经得到了真正的实施。 二、STEM活动的特征 一个好的STEM活动，不仅要有富有吸引力的内容，还要体现以学生为中心的教育理念和科学、技术、工程、数学的相互碰撞，更应着重培养学生综合解决问题的能力和创新能力。因此，STEM鼓励教师在教学中体现这四个学科的联系，使它们相得益彰。下面以STEM活动“纸火箭”为例，分析科学、技术、工程与数学是如何融合的，并讨论STEM活动的主要特征。 案例：纸火箭 用两段直径1.5厘米的PVC电缆管和一段相同直径的PVC弯管，将电缆管固定在一块厚木板上，用宽胶带将2升塑料瓶绑在管子的一端，制作成火箭发射器，做一个与管子粗细相应的纸火箭，用脚猛踩瓶子，火箭发射了！利用坐标纸可以间接测量出火箭发射的高度。 科学：围绕关于空气和气压的核心概念（纸火箭的工作原理） 踩压饮料瓶时，瓶中被压缩的空气通过PVC管压向纸火箭，并充满了火箭筒。纸火箭在压力下脱离PVC管，火箭筒中的压缩空气立即膨胀，向后喷射，形成反作用力，推动纸火箭向上飞行（图1）。通过调整纸火箭的材质、重量、大小、形状、尾翼类型等，可以减小空气阻力，使其飞得更高。 用两段直径约为1.5厘米的PVC管和一段相同直径的PVC直角弯管按下图（图2）组合成管架并将其用宽胶带固定在一块厚木板上，用宽胶带将2升的塑料瓶绑在管子一端，制作成火箭发射器；用彩色卡纸和胶带制作一个与管子粗细相应的纸火箭（图3），使其可以在PVC管上自由转动，并成功发射。 工程：设计一个纸火箭，解决如何使其飞得更高的工程问题 根据前一次纸火箭的发射效果，调整火箭发射装置（塑料瓶大小、脚踩的力度等）和纸火箭（材质、重量、大小、形状、尾翼类型等），提高纸火箭发射的高度。 数学：确定和控制变量，记录、分析和解释数据（使用倾角计和刻度表） 本活动中纸火箭通常可以飞得很高，难以直接测量。用厚纸板卷一个纸筒，将其与量角器（图4）粘贴在一起，在纸板量角器的中心处钻一个孔，将系有螺母的棉线穿过并打结，制作成倾角计，用于观测纸火箭飞行最高点。通过读取纸筒上扬的角度（图5），测量观测者与火箭发射器之间的距离，利用下图中的刻度表（图6），画出倾角线，即可读出纸火箭的飞行高度。 在一个STEM活动中，科学一般涉及的是围绕的科学概念，而技术和数学作为一种工具，在所有的科学活动中都应是不可或缺的。工程是一门行动的学科，目的是产生实际效果，它解决的是“做什么”和“怎么做”的问题关注的是特殊性和具体情况，主要是用于设计满足需求的产品、工艺或体系的系统性的、可重复的途径和方法。 “纸火箭”活动是一个将科学、技术和数学融入“问题解决（工程）”活动的很好的例子。在这个活动中，首先要明确规范和限制条件，对纸火箭进行设计，而后测试并改进纸火箭。这类STEM活动既满足工程活动重复性（不断调整）的特点，又能满足系统性（包含一定的步骤）的特点。“纸火箭”的制作涉及如下流程：明确制作要求（确定设计需求）、讨论（了解相关知识，提出解决方案）、设计可行方案、选材制作、测试、改进、展示与交流。该制作过程也充分体现了跨学科、注重应用的教学，学生尝试去解决有意义的问题，并了解事物是如何工作的，培养的是学生创造性地解决问题的能力。 由此可以归纳出STEM活动的几个特征：跨学科、应用型、结合动手做和基于问题的学习。STEM活动中要能够解决问题并将各种想法以富有创造力的方式付诸实践。 三、STEM活动的典型类型 1限制实验材料的半开放式STEM活动 STEM活动中的科学概念是一条隐形的线索，而围绕这条隐形的线索，利用不同的材料，STEM活动的设计可以有多种形式。一般来说，此类活动都是限制实验材料及数量的，而同种类型的STEM活动，根据材料可以有多种形式。并且，为了规范活动的进行，通常设置一些限制条件。活动中创设的情境能很好地吸引学生的兴趣。下面以“结构的稳固性”为例。 案例：搭建一座手机信号塔 待解决的问题：手机信号塔通常很难看 任务： (1)成立一个设计小组。 (2)开发一个可能的解决方案。 (3)设计一个手机信号塔。 (4)制作这个信号塔。 (5)测试。 限制条件： (1)必须在桌面上搭建。 (2)必须能在顶端放一个乒乓球（发射塔接收机发射机）。 (3)必须至少75cm高。 (4)必须看起来很好看。 (5)必须能抵挡得住强风。 (6)必须在10分钟之内完成。 材料：10根棍子、6个回形针、6根橡皮筋、I米长的棉线、50cm长的遮蔽胶带、1个乒乓球。 情境：满足所有条件的最好的设计小组将获得国家的承建合同，建造1000座信号塔。合同价格5亿美元。 拓展：其他类型的塔还有： (1)用20根意大利面、一米长的胶带、一米棉线和一大块棉花糖搭建一座尽可能高的塔。 (2)用40根牙签和一大块橡皮泥搭建一座尽可能高的塔。 (3)用20张索引卡和Im长的遮蔽胶带搭建一座尽可能高的塔。 (4)用一张A4卡纸和Im长的遮蔽胶带搭建一座尽可能高的塔。 (5)用一盒铝箔（约2.3m2）搭建一座尽可能高的塔。 2不限制实验材料的开放式STEM活动 在不限制实验材料的STEM活动中，学生能够尝试任何解决方案，来使成品具备某种功能。此类活动更能锻炼学生以不同的方式制作事物的能力。下面以活动“制作一朵能开合的花”为例。 案例：你怎样制作一朵能开合的花？ 待解决的问题：制作一朵能开合的花 任务：构建一朵假想的或真实的花，并且是一朵能开合的花。（如果有学生想要制作一朵真实的花的模型，可以让他们到室外去观察活的植物，这将使他们知道他们的花在什么季节开，它生存在哪种环境下。） (1) PPT展示不同花的图片。 (2)画出设计图。 (3)用任何不同的材料构建一朵能开合的花。 (4)给你的花取个名字。 (5)想想它有哪些特征：花的雄蕊在哪里？它是如何授粉的？它如何传播种子？它会结出哪种果实？它什么时候开花？它在冬天会发生什么？ (6)为你的花撰写一份报告 材料：可使用用于建模的任何材料，吸管、纸、织物、模型面泥等。 拓展：其他类型的开放式活动还有： (1)你怎样制作一个能缓慢降落的物体？ (2)你怎样使热水保温更长时间？或者使冰块维持最长时间不融化？ (3)你怎样制作一辆小车或小船并让它动起来？ (4)你怎样增大或减小你手机发出的声音？ (5)你怎样制作一个飞得尽可能快的“气球火箭”？ 四、两类srrEM活动的优势和可能存在的问题 由上述两类STEM活动不难看出，STEM活动不仅是跨学科的，还充分体现了工程技术的“多维性”，即一个问题多种解决方案。并且，在融人工程和技术时，STEM课堂活动应当是富有，启发性和创造力的，设计STEM课堂活，动时视野应该是开放的，问题的提出应当贴近学生生活、能引发学生研究兴趣，并且可以用多种方式进行研究。 限制实验材料的半开放式STEM活动限制了实验材料，优势在于准备材料和课程所需的时间较短，在有限的时间内让学生利用规定的材料集中思考更多的解决方案，最终获得的方案会更为丰富多样、更有针对性，同时，学生要根据限制条件得到一个最佳方案，对学生批判性思维的锻炼起到推动作用。 而不限制实验材料的开放式STEM活动问题在于需要让学生自主搜集实验材料，耗费的时间较长，并且课程所需时间也较长。可能的情况是，虽然耗费了大量的时间，学生最后的成果并不丰富，过多的材料会影响学生的思路，容易造成