STEM在小学科学课堂中的应用研究

STEM教育与传统教育的最大的差别是突破学科的局限，并不是单一学科的教育。教师在教学的过程中融入科学、技术、工程、数学等学科的知识，学生在问题的思考、研究、解决的过程中会试图理解现实问题与学科之间的关联性，加深知识学习的印象。STEM教育理念以提升学生的科学精神、批判思维、逻辑思维和创新能力为目标。在如今的时代知识本身的重要性在逐步地下降，未来人才的评判更多是看一个人是否具备沟通协作、创新精神、实践能力。不断发展每一位学生的学科理解力与生活理解力，培养学生创造性解决问题的能力，树立学生审视问题全新的广泛的视角是STEM教育理念的不变追求。一、STEM的含义STEM是科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics）的英文首字母缩写。STEM课程重点是关于学生科学素养、技术素养、工程素养、数学素养四个方面的教育。STEM最早是在美国提出的，2009年美国国家科学委员会发布致美国总统奥巴马的公开信主题就是《STEM教育》，2011年的73届国际技术教育大会的会议主题为“准备STEM劳动力：为了下一代”。美国政府近年来加大从小学到大学各个层次的STEM教育的支持力度，开展相关教师的培训工作，解决STEM教育公平的问题。鼓励要求科学家多进行户外演讲与课外活动，给学习者提供优质的STEM学习体验，来激发年轻人对科学知识的学习兴趣。［1］中国2016年教育部出台的《教育信息化“十三五”规划》探索STEM教育。科学、技术、工程，数学之间存在着一种相互支撑、互为补充、共同发展的关系，要想让学生实现深层次的学习，就不能让学生独立学习其中的任何一个部分。STEM教育找到科学、技术、工程、数学之间的隐形的线索，在貌似不相同的问题中找到本质的知识，让学生在问题的思考、研究、解决的过程中试图理解现实问题与学科之间的关联性，让学生在交互碰撞中加深知识学习的印象，培养学生各个方面的技能。二、STEM在小学科学课堂中的应用价值STEM教育不是科学、技术、工程和数学知识的简单叠加，STEM教育具有跨学科性、情境性、实践性、协作性、实证性的特点。STEM教育以提升学生的科学精神和创新能力为目标，主张让学生通过科学实验、现场观察、社会调查的方法，寻找问题的答案，满足了小学科学的学科特点，有助于提高小学科学的教育品质。［2］小学科学课是科学启蒙的课程，科学教学对儿童未来的思维形成及素养发展发挥着举足轻重的作用。我国对小学科学学科的重视程度不够，忽视了学生科学素质的培养。科学是一门具有探索性的学科，很多学校没有专门的科学实验室，阻碍学生科学学习的积极性与动手探究能力的提高。STEM教育侧重于科学探究与科学实践，有助于充分发挥学生的主动性，促进学生向着自主方向发展。STEM在小学科学课堂中的应用激发学生学习科学课程的兴趣。三、STEM在小学科学课堂中的应用策略（一）创建特色科学课堂，提高科学探索的能力STEM教育注重各学科知识的融合与联系，在小学科学课堂上，教师可以让学生自己动手制作实验模型、相互协作完成科学项目，解决科学问题，在特色科学课堂上培养学生全新的、广泛的科学视角。学生在亲身的实验探索中可以对科学知识领悟得更全面、更深刻［3］。例如，教师在《小车的运动》科学课上主要给学生讲解“小车运动的快慢与哪些因素有关”的科学知识。在STEM教育理念下教师还想从学生的实际生活出发，让学生在生活中受到科学的启迪，形成跨学科的知识。各式各样的小车是学生喜爱的玩具，学生在生活中玩小车时总会不小心把小车折腾到散架。教师给学生一个问题让学生思考能不能设计一辆“顽固”的小车。本次的STEM教育中科学目标是让学生体验稳定性在小车牢固上的使用以及体验缓冲原理在小车牢固上的使用。技术目标是让学生自主设计方案，绘制模型，选择合适的方法使小车变得牢固。［4］工程目标上，学生按照设计图完成牢固的小车的制作，在测试小车的牢固性后，进行方案的改进与优化。数学目标上，学生学会根据物品的价格，选择合适的材料制作，核算出最佳的组合方案，学会分析实验数据，利用实验数据。教师给学生准备制作小车的工具材料，学生用乐高积木材料箱搭建属于自己的小车。第一个测试是看哪位同学的小车运动的距离最远。在第一次的测试中学生发现自己制作的小车有零件散落散架的问题。下一个环节教师让学生想办法给自己的小车加固。教师举例埃菲尔铁塔，让学生观察埃菲尔铁塔结构上的特点，思考埃菲尔铁塔屹立不倒的秘密，引出三角形结构稳定性的特点。学生用一次性筷子，橡皮筋给自己的小车加固。在第二次的试验下，小车的稳定性果然比上一次要好。但学生又发现新的问题，小车的缓冲性太差，在运动的过程中碰到障碍物就会翻倒。教师给学生播放降落伞的视频，让学生尝试给自己的小车加一个降落伞，增强小车的缓冲力。学生用塑料袋作为小车的降落伞，在反复的实验下学生发现有塑料袋的小车在运动过程中掉落零件的数量要少，运动的距离也会更远。教师列出实验材料的价格清单，让学生用计算的方式算出预算最小的实验组合。在特色科学课堂上，学生完成教师设计的科学、技术、工程、数学目标，科学精神与探索能力得到锻炼加强。（二）创设良好STEM教学环境，培养学生学习科学的兴趣教师在STEM科学教学中可以运用多媒体教学设备给学生创造出科学探究的学习情境，以学生感兴趣的角度出发让学生对即将学习的科学知识产生强烈的探索欲望。［5］在科学课堂上以问题循序渐进地引导学生探究钻研，让学生在教师的引导组织下共同协作学习，在体验中收获科学知识，学会用跨学科的思维发现问题，解决问题。例如，教师在《多样的动物》科学课上想让学生用描述绘画搭建模型的方法展示青蛙生长发育变化的过程，让学生在动手实践与体验中形成STEM学科能力。教师选择用情境创设的方法率先激发学生学习科学的兴趣，以学生学习过的课文故事“小蝌蚪找妈妈”情境引入主题，让学生观看青蛙生长变化的视频。在学生观看的过程中，教师以青蛙为例给学生讲解生物的生命周期。［6］教师让学生在小组中讨论青蛙是卵生还是胎生、青蛙的生命周期有几个阶段，不同阶段的体貌特征有什么不同、植物或类似动物的生命周期是怎样的问题。学生通过观看视频以及听教师的教学讲解后，知道青蛙的生命周期一共分为六个阶段：第一个阶段是卵，第二个阶段是蝌蚪，第三个阶段是长出后肢，第四个阶段是长出前肢，第五个阶段是蛙，第六个阶段是成蛙。教师让学生用小组合作的方式搭建积木，用积木表现出青蛙各个阶段的体貌特征。在小组合作中，绘画能力强的学生负责在纸上画出各个生命周期的青蛙的图形，剩余的组员按照绘画设计图用积木搭建青蛙模型。教师让学生展示自己小组制作的结果，在展示的同时解释青蛙的生命周期，不同生命周期的阶段特征，说出青蛙的变化过程，描述自己小组在模型设计上还存在的问题。教师在此时也要给学生提供有效的反馈，记录观察有关学生的青蛙模型制作的信息，总结学生在模型制作中出色的地方和需要改进的方面。建立学生观察评估表格，在表格中记录学生的实验实践表现，给学生实验方面的指导，帮助学生在科学课堂上取得更大的进步。（三）联系生活实际，养成善于观察思考的习惯真实源自生活，教师在STEM科学课堂上要培养学生善于观察思考的优秀习惯。在遵循科学课程开设目的的情况下，教师还要给学生拓展课程外的、生活中的科学应用，让学生全面地、多角度地分析看待科学现象，弄懂科学原理，完善学生的科学素养［7］。例如，教师在《热气球上升的秘密》科学课上采用STEM教学理念，给学生设计不同学科的学习目标。科学目标让学生初步了解密度这一物理量，让学生理解，在不同的温度下，空气的密度有所不同，空气受热后体积膨胀，比同体积的冷空气轻，受热的空气就会上升。技术目标是让学生根据教师提供的材料思考如何验证猜想，利用现成事物去解决问题，考虑在技术上是否可行。［8］工程目标是让学生将科学知识与理论应用到现实生活中，体会科学的实用之处。数学目标是培养学生结构空间感。在有机融合的科学课堂上，教师给学生设计多个领域的探究活动。教师首先给学生播放一段热气球点火升空的视频，唯美、清晰、真实的视频画面引起学生学习科学的兴趣。教师让学生根据视频，提出自己感兴趣的问题，学生的问题多种多样，教师选择两个问题作为本节课探究的重点内容。第一个是热气球是怎么飞上天空的？第二个是热气球怎么落下来的？教学的第一步是探究热气球上升的因素，教师让学生在小组中讨论。学生讨论的结果有两个，第一个是空气，第二个是气球的材质。教师让学生继续分享自己猜想的理由。学生觉得没有空气热气球就飞不起来，如果热气球的材质太重了也飞不起来。学生的回答有一定的事实基础，教师首先要肯定学生的猜想，同时还要引导学生全面的思考问题。学生在教师的引导下想到视频中的热气球上升还有火的作用。教师给学生准备一些实验器材，让学生用实验验证自己的猜想。在实验中，学生看到塑料袋上升到空中的现象，教师让学生总结实验现象所得的规律，学生说空气受热会上升。教师举例生活中的冷空气受热、体积膨胀、质量变轻、上升的现象，让学生思考其中的原因。第一个现象是早点摊上蒸包子的笼屉，教师让学生回想自己在早点摊上买包子的情景，当老板把蒸包子的笼屉盖子打开时，是不是有很多的热气上升。还有厨房里的抽油烟机安置的位置，是放在下方还是放在上方。结合实际生活学生发现冷空气受热上升的现象很多，只是自己没有发现罢了。综上所述，STEM教育应用到小学科学教育中是新时代发展的必然结果，STEM教育在我国从理论走向实践体现