小学科学教学中STEM教育模式与科学探究能力培养研究教学研究课题报告

小学科学教学中STEM教育模式与科学探究能力培养研究教学研究课题报告目录一、小学科学教学中STEM教育模式与科学探究能力培养研究教学研究开题报告二、小学科学教学中STEM教育模式与科学探究能力培养研究教学研究中期报告三、小学科学教学中STEM教育模式与科学探究能力培养研究教学研究结题报告四、小学科学教学中STEM教育模式与科学探究能力培养研究教学研究论文小学科学教学中STEM教育模式与科学探究能力培养研究教学研究开题报告一、课题背景与意义

在全球化与创新驱动发展的时代背景下，科学教育作为培养创新人才的核心载体，其重要性愈发凸显。《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确强调，科学教育需以核心素养为导向，强化学生科学探究与实践能力的培养，而STEM教育模式的兴起为这一目标的实现提供了新路径。STEM教育整合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四大领域，以真实问题为纽带，强调跨学科融合与实践创新，与小学科学教育倡导的“做中学”“用中学”理念高度契合。小学阶段是学生科学启蒙的关键期，这一时期的学生对自然充满好奇，具备初步的观察与动手能力，但传统科学教学中常存在学科割裂、探究活动碎片化、学生主体性不足等问题，导致科学探究能力的培养停留在表面，难以形成深度学习与高阶思维。

当前，我国小学科学教育正处于从知识传授向素养培育转型的关键阶段，STEM教育模式的引入为破解传统教学困境提供了可能。通过将STEM理念融入小学科学课堂，教师可创设贴近学生生活的真实情境，引导学生在解决复杂问题的过程中整合多学科知识，经历“提出问题—设计方案—动手实践—分析论证—迁移应用”的完整探究过程，从而发展科学思维、提升实践能力、培养创新意识。然而，STEM教育模式在小学科学教学中的应用仍处于探索阶段，其与科学探究能力培养的内在逻辑、融合路径、实施策略等问题尚未形成系统性研究，尤其在小学低、中、高不同学段的差异化实施方面缺乏实证支撑。

本课题的研究意义在于，一方面，理论上可丰富STEM教育与科学探究能力培养的结合机制研究，构建符合小学生认知特点的STEM教育模式框架，为小学科学教育理论体系提供新视角；另一方面，实践上可为一线教师提供可操作的STEM教学设计与实施策略，通过实证验证模式对提升学生提出问题、设计方案、实践操作、分析论证、交流合作等探究能力维度的有效性，从而推动小学科学教育从“知识本位”向“素养本位”的深层转型，为培养适应未来社会发展需求的创新型人才奠定基础。

二、研究内容与目标

本课题聚焦小学科学教学中STEM教育模式与科学探究能力培养的融合问题，核心内容包括STEM教育模式在小学科学课程中的构建路径、科学探究能力培养的具体策略、不同学段的差异化实施以及教学模式的实证验证。

首先，厘清STEM教育模式与科学探究能力的内在关联。通过文献研究法梳理STEM教育的核心要素（如跨学科整合、问题导向、实践创新）与科学探究能力的关键维度（如科学问题提出、探究方案设计、数据收集与分析、结论得出与反思），分析二者在目标、过程、评价上的契合点，构建“以STEM理念为引领，以科学探究为主线”的教学模式理论框架，明确该框架的构成要素（如情境创设、问题驱动、跨学科任务、多元评价）及相互关系。

其次，探索STEM教育模式与小学科学课程的融合路径。结合小学科学课程内容（如物质科学、生命科学、地球与宇宙科学等领域），设计具有跨学科特征的STEM教学单元，例如“设计简易雨水收集装置”（融合科学中的水循环、技术中的工具使用、工程中的结构设计、数学中的数据测量），研究如何将课程目标转化为可操作的探究任务，使学生在解决真实问题的过程中自然整合多学科知识，经历完整的科学探究过程。

再次，针对不同学段学生认知特点，研究科学探究能力的差异化培养策略。低年级侧重激发探究兴趣，通过简单、直观的STEM活动培养观察与提问能力；中年级强化方案设计与动手实践能力，引导学生运用控制变量法进行探究；高年级注重数据分析与逻辑推理能力，鼓励学生设计复杂项目并进行反思优化。通过案例研究法提炼各学段STEM教学的关键环节与指导要点，形成分学段的教学实施指南。

最后，开展教学实验与效果验证。选取实验班与对照班，通过行动研究法实施STEM教学模式，运用课堂观察、学生作品分析、探究能力量表（包括提出问题、设计方案、实践操作、分析论证、交流合作等维度）前后测、教师访谈等方法，收集数据并分析该模式对学生科学探究能力的影响，同时总结教师在实施过程中的经验与挑战，形成可推广的STEM教学策略与评价体系。

本课题的研究目标包括：一是构建一套符合小学科学课程特点、以培养科学探究能力为核心的STEM教育模式；二是开发3-5个具有代表性的STEM教学案例，涵盖低、中、高不同学段；三是通过实证验证该模式对学生科学探究能力各维度的提升效果，形成实证研究报告；四是为小学科学教师提供STEM教学设计与实施的实践指导，推动STEM教育在小学科学领域的常态化应用。

三、研究方法与步骤

本课题采用理论研究与实践探索相结合、定量分析与定性分析相补充的研究思路，综合运用文献研究法、行动研究法、案例分析法、问卷调查与访谈法等多种研究方法，确保研究的科学性与实践性。

文献研究法是本课题的基础。通过中国知网、WebofScience等数据库系统梳理国内外STEM教育、科学探究能力培养的相关研究成果，重点关注小学科学领域STEM教学模式的实践经验、科学探究能力的评价指标等，明确研究起点与理论空白，为课题设计与实施提供理论支撑。

行动研究法是本课题的核心。选取2所小学的4个班级作为实验对象，与一线教师组成研究共同体，按照“计划—行动—观察—反思”的循环开展教学实践。在准备阶段，基于文献研究与课程标准共同设计STEM教学方案；在实施阶段，教师按照方案开展教学，研究者通过课堂观察记录教学过程、学生表现及问题；在反思阶段，教师与研究团队共同分析教学数据，调整教学策略，进入下一轮行动研究，通过迭代优化形成成熟的STEM教学模式。

案例分析法用于深入挖掘典型教学案例的实践价值。在行动研究过程中，选取3-5个具有代表性的STEM教学单元（如“制作生态瓶”“设计小台灯”等），从设计理念、实施流程、学生探究过程、教师指导策略等方面进行系统分析，提炼成功经验与实施要点，形成可复制、可推广的教学案例库。

问卷调查与访谈法用于收集量化与质性数据。一方面，编制《小学生科学探究能力量表》，包含提出问题、设计方案、实践操作、分析论证、交流合作5个维度，对实验班与对照班进行前测与后测，通过数据对比分析STEM教学模式对探究能力的影响；另一方面，对参与实验的教师进行半结构化访谈，了解其在实施过程中的困惑、建议及专业发展需求，同时访谈学生，收集其对STEM活动的学习体验与感受，为研究提供多角度的质性支撑。

研究步骤分为三个阶段，历时12个月。准备阶段（第1-3个月）：完成文献综述，确定研究框架，设计研究工具（问卷、访谈提纲、教学方案模板），选取实验校与实验班级，组建研究团队。实施阶段（第4-9个月）：开展第一轮行动研究，完成低、中、高各学段1-2个STEM教学单元的设计与实践，收集课堂观察记录、学生作品、前后测数据；进行第二轮行动研究，优化教学策略，扩大教学案例范围，补充访谈与问卷调查数据。总结阶段（第10-12个月）：对收集的数据进行系统分析，运用SPSS软件处理量化数据，采用编码法分析质性数据，提炼STEM教育模式的核心要素与实施策略，撰写研究报告，发表研究论文，形成小学科学STEM教学案例集。

四、预期成果与创新点

本课题的研究预期将形成理论成果与实践成果双维度的产出，同时在STEM教育与科学探究能力培养的结合机制上实现创新突破，为小学科学教育改革提供可借鉴的范式。

在理论成果方面，预计完成一份《小学科学STEM教育模式与科学探究能力培养研究报告》，系统阐述STEM教育模式在小学科学课程中的理论框架、融合路径及实施策略，构建“情境驱动—问题导向—跨学科实践—反思提升”的四维教学模式，明确该模式与科学探究能力各维度（提出问题、设计方案、实践操作、分析论证、交流合作）的对应关系。同时，计划发表2-3篇核心期刊论文，分别聚焦STEM教育模式的学段差异化设计、科学探究能力的评价体系构建、教学实践中的教师角色转型等关键问题，丰富小学科学教育领域的理论研究成果。

实践成果将更具应用价值。一是开发3-5个覆盖低、中、高不同学段的STEM教学案例库，每个案例包含教学设计、实施流程、学生探究过程记录、评价工具及教师反思，形成“可操作、可复制、可推广”的实践范例，例如“校园雨水花园设计”（融合生命科学、工程设计与数学测量）、“简易净水装置制作”（整合物质科学、技术应用与数据分析）等。二是编制《小学科学STEM教学实施指南》，针对不同学段学生的认知特点，提供情境创设技巧、问题链设计方法、跨学科任务拆分策略、探究能力培养要点等具体指导，帮助一线教师解决“如何设计STEM活动”“如何引导学生深度探究”等现实问题。三是构建《小学生科学探究能力评价指标体系》，包含5个一级维度、15个二级指标及相应的观测要点，采用过程性评价与结果性评价相结合的方式，为教师评估学生探究能力提供科学工具。

本课题的创新点体现在三个层面。其一，在模式构建上突破传统STEM教育与科学探究能力培养的“拼盘式”融合，提出以“真实问题解决”为主线，将STEM的跨学科特性与科学探究的逻辑过程（假设—验证—结论）深度嵌套，形成“问题驱动学科整合，探究促进素养生成”的有机整体，避免STEM活动沦为“动手操作课”或“知识叠加课”。其二，在实施路径上强调学段差异化，针对小学低年级的“具象思维主导”、中年级的“逻辑思维萌芽”、高年级的“抽象思维发展”特点，设计梯度化的探究任务链，例如低年级侧重“观察与描述”，中年级强化“变量控制与数据记录”，高年级突出“模型建构与迁移应用”，使STEM教育真正适配学生认知发展规律。其三，在研究方法上采用“实证验证+案例深耕”的双轮驱动，既通过量化数据（探究能力量表前后测）验证模式的有效性，又通过质性分析（课堂观察、师生访谈）挖掘实践中的深层问题，形成“数据支撑—经验提炼—策略优化”的闭环研究，增强研究成果的科学性与说服力。

五、研究进度安排

本课题的研究周期为12个月，分为准备阶段、实施阶段和总结阶段三个阶段，各阶段任务明确、环环相扣，确保研究有序推进。

准备阶段（第1-3个月）：核心任务是奠定研究基础。具体包括：通过中国知网、ERIC等数据库系统梳理国内外STEM教育、科学探究能力培养的最新研究成果，完成文献综述，明确研究切入点；基于《义务教育科学课程标准（2022年版）》和小学科学教材内容，构建STEM教育模式的理论框架，设计教学方案模板；编制《小学生科学探究能力量表》《教师访谈提纲》《学生学习体验问卷》等研究工具，并进行信效度检验；选取2所不同区域的小学（城市小学1所、乡镇小学1所）作为实验校，每个校选取低、中、高年级各1个班级作为实验班，组建由高校研究者、教研员、一线教师构成的研究共同体，明确分工与职责。

实施阶段（第4-9个月）是研究的核心环节，采用两轮行动研究逐步深化。第一轮行动研究（第4-6个月）：聚焦低、中、高各学段1个STEM教学单元的设计与实践，例如低年级“种子发芽条件探究”、中年级“简单电路设计”、高年级“生态瓶构建”。研究团队与实验教师共同制定教学方案，教师按照方案开展教学，研究者通过课堂录像、学生作品、教师反思日志等方式收集过程性数据；每单元教学结束后，召开教研研讨会，分析教学中的问题（如跨学科知识整合生硬、学生探究深度不足等），调整教学策略。第二轮行动研究（第7-9个月）：在优化第一轮教学方案的基础上，扩大案例范围，每个学段增加1个STEM教学单元，同时开展《小学生科学探究能力量表》的前测与后测，对实验班与对照班进行数据对比；对实验教师进行半结构化访谈，了解其在STEM教学中的经验与困惑；选取典型学生进行个案追踪，记录其探究能力的发展过程。

六、研究的可行性分析

本课题的开展具备充分的理论基础、实践条件与方法保障，可行性主要体现在以下四个方面。

从理论可行性看，STEM教育与科学探究能力培养的研究已有一定积累。国外学者如Bybee（2010）、Katehi（2010）等系统阐述了STEM教育的跨学科整合模式与核心素养培养路径；国内学者如韦钰（2018）、顾志跃（2020）等探讨了科学探究能力的构成要素与培养策略，这些研究成果为本课题提供了理论参照。同时，《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确提出“加强跨学科主题学习，倡导探究式学习”，为STEM教育融入小学科学课程提供了政策支持，使研究方向的科学性与前瞻性得到保障。

实践可行性体现在学校支持、教师配合与学生适宜性三个层面。实验校均为区域内科学教育特色校，具有开展STEM教学的硬件基础（如科学实验室、创客空间）和积极性，校长与教研组长已明确表示将提供课时、场地与资源支持；参与实验的8名教师均为市级以上骨干教师，具备5年以上科学教学经验，其中3人曾参与过区级STEM课题研究，对跨学科教学有一定探索；小学生尤其是中高年级学生，已具备初步的逻辑思维与动手能力，对“做中学”的探究活动兴趣浓厚，能够适应STEM教育模式中的问题解决任务。

方法可行性源于研究设计的科学性与数据收集的多元性。本课题采用“文献研究法—行动研究法—案例分析法—问卷调查与访谈法”的组合设计，既保证了理论基础的扎实，又确保了实践探索的深入；数据收集涵盖量化数据（探究能力量表前后测、学生作品评分）与质性数据（课堂观察记录、师生访谈、教学反思），形成“三角互证”，增强研究结论的可靠性；研究团队中包含教育测量学专家，负责数据分析工具的设计与结果解读，确保数据处理的专业性与准确性。

团队可行性是研究顺利推进的关键保障。课题负责人为小学科学教育博士，长期从事STEM教育与探究式学习研究，主持过省级教育科学规划课题，具有丰富的研究经验；核心成员包括2名高校课程与教学论研究者、1名区小学科学教研员、4名一线骨干教师，团队结构合理，兼具理论研究能力与实践操作经验；研究共同体已建立定期沟通机制（每月1次线上研讨会、每学期2次线下教研活动），确保研究过程中的问题能够及时解决，研究计划能够有效落实。

小学科学教学中STEM教育模式与科学探究能力培养研究教学研究中期报告一、研究进展概述

本课题自启动以来，在理论构建、实践探索与数据收集三个层面取得了阶段性突破。理论层面，系统梳理了STEM教育与科学探究能力的内在关联性，初步构建了“情境驱动—问题导向—跨学科实践—反思提升”的四维教学模式框架。该框架以真实问题解决为核心，将科学探究的逻辑链条（提出问题—设计方案—实践操作—分析论证—迁移应用）与STEM的跨学科特性深度嵌套，形成了有机融合的理论模型。实践层面，已在两所实验校完成低、中、高各学段共6个STEM教学单元的设计与实施，涵盖“种子发芽条件探究”“简易净水装置制作”“生态瓶构建”等典型案例。这些案例通过整合生命科学、物质科学、工程设计、数学测量等多元知识，引导学生经历完整的探究过程，初步验证了模式在激发探究兴趣、提升实践能力方面的有效性。数据收集方面，已完成首轮《小学生科学探究能力量表》的前测与后测，覆盖实验班与对照班共240名学生，初步数据显示实验班在“提出问题”“设计方案”“分析论证”三个维度的得分显著提升（p<0.05），同时收集了12份教师教学反思日志、30份学生访谈记录及48份典型作品样本，为后续研究提供了丰富的质性支撑。

值得肯定的是，研究团队已形成“高校研究者—教研员—一线教师”三位一体的协作机制，通过每月线上研讨会与学期线下教研活动，实现了理论与实践的动态互促。在学段差异化探索中，低年级通过“观察记录表”“可视化任务卡”等工具降低认知负荷，中年级强化“变量控制实验”的规范化指导，高年级侧重“数据建模与迁移应用”，初步形成了梯度化的探究能力培养路径。这些进展为后续深化研究奠定了坚实基础，也让我们对STEM教育在小学科学领域的实践价值充满信心。

二、研究中发现的问题

尽管研究取得阶段性成果，但在实践探索中仍暴露出若干亟待解决的深层次问题。教师层面，跨学科整合能力不足成为关键瓶颈。部分教师在STEM教学设计中存在“学科拼盘”现象，例如在“雨水收集装置”项目中，科学原理讲解与工程设计任务缺乏逻辑衔接，导致探究过程碎片化。访谈中教师坦言，对如何自然融入数学测量、技术应用等元素感到焦虑，反映出传统单科教学思维向STEM整合思维转型的滞后性。此外，教师对探究过程的动态指导能力有待提升，尤其在学生遇到认知冲突时，如何通过追问引导其自主调整方案而非直接给出答案，成为教学实践中的普遍挑战。

学生层面，学段差异引发的认知负荷问题尤为突出。低年级学生虽对动手活动兴趣浓厚，但在“控制变量”等抽象思维要求高的环节中，常因任务复杂度超出认知水平而放弃探究。高年级学生则面临跨学科知识整合的困难，例如在“生态瓶构建”项目中，部分学生难以将生物链、物质循环等科学概念与材料选择、结构设计等工程要素建立有效关联，导致探究停留在表面操作。同时，学生间的合作探究存在“搭便车”现象，小组内部分工不明确导致能力发展不均衡，反映出合作机制设计的缺失。

评价体系层面，现有工具对探究过程的动态捕捉不足。当前量表侧重结果性评价，对学生“提出问题的深度”“方案设计的创新性”“反思调整的主动性”等过程性指标的评估缺乏有效工具，导致教师难以精准诊断探究能力的发展瓶颈。此外，城乡差异带来的资源不均衡问题开始显现，乡镇小学因实验器材不足，部分STEM活动被迫简化，影响了探究的完整性与实效性。这些问题的发现，既揭示了研究的复杂性，也为后续优化指明了方向。

三、后续研究计划

针对前期进展与问题，后续研究将聚焦“深化模式优化”“强化教师支持”“完善评价体系”三大核心任务，推动研究向纵深发展。在模式优化方面，重点破解跨学科整合的“拼盘化”困境。计划通过“学科知识图谱绘制”方法，梳理小学科学各单元的核心概念与STEM要素的对应关系，例如在“电路设计”单元中，将电流原理（科学）、串联并联技术（技术）、电路优化方案（工程）、电阻计算（数学）构建为逻辑闭环的知识网络。同时，开发“问题链设计工具包”，提供从生活现象到科学问题的转化模板，帮助教师引导学生经历“现象观察—问题聚焦—假设生成—方案设计”的完整探究路径，确保跨学科知识的有机渗透。

教师支持层面，将构建“研训一体”的专业发展机制。计划开发《小学科学STEM教学能力提升工作坊》，采用“案例研讨+微格教学+同伴互评”的培训模式，重点提升教师的跨学科设计能力与探究过程指导能力。工作坊将围绕“如何设计有认知冲突的探究任务”“如何通过追问促进思维进阶”等关键问题展开实操训练，并建立“教师实践档案袋”，记录其教学设计的迭代过程与学生的能力发展轨迹。此外，针对乡镇小学资源短缺问题，将联合当地科技馆开发“低成本STEM实验包”，利用常见材料设计替代性探究活动，确保不同区域学生获得均等的探究体验。

评价体系完善是后续研究的攻坚重点。计划修订《小学生科学探究能力评价指标》，增设“问题提出的创新性”“方案设计的逻辑性”“反思调整的主动性”等过程性指标，开发“探究过程观察记录表”，通过行为锚定量规对学生的探究表现进行动态评估。同时，引入学习分析技术，对学生作品中的数据记录方式、方案修改痕迹等数字化证据进行深度挖掘，构建“能力发展画像”。最终将形成“量化测评+质性观察+数字分析”三位一体的评价体系，为精准诊断与干预提供科学依据。

后续研究将更加注重实证验证与成果转化，计划在第二学期扩大实验样本至4所学校，通过第二轮行动研究检验优化后的模式效果，并提炼可推广的STEM教学案例库与实施指南，推动研究成果从实验室走向真实课堂，切实提升小学科学教育的育人质量。

四、研究数据与分析

本研究通过量化与质性相结合的方式，对实验班与对照班学生的科学探究能力发展进行了多维数据采集与分析，初步揭示了STEM教育模式对探究能力培养的促进作用及潜在影响因素。量化数据方面，《小学生科学探究能力量表》前测与后测结果显示，实验班学生在提出问题、设计方案、实践操作、分析论证、交流合作五个维度的平均分较前测均有显著提升，其中提出问题维度提升幅度最大（平均分增长2.3分，p<0.01），分析论证维度次之（增长1.8分，p<0.05），表明STEM教育模式在激发学生科学思维深度与逻辑推理能力方面效果显著。对照班各维度提升幅度均未超过0.5分，且无统计学差异，进一步验证了STEM模式的独特价值。学段差异分析显示，高年级学生在“迁移应用”维度表现突出（实验班平均分较对照班高1.9分，p<0.01），而低年级在“实践操作”维度进步明显（增长2.1分，p<0.01），印证了梯度化探究任务设计对不同认知发展阶段学生的适配性。

质性数据通过课堂观察记录、教师反思日志与学生访谈获得，为量化结果提供了生动注脚。课堂观察发现，实验班学生的问题提出更具开放性与创新性，例如在“生态瓶构建”项目中，学生不仅关注植物生长条件，还主动探究“光照强度对微生物群落的影响”，展现出超越教材的探究视野。教师反思日志中提到，STEM模式下的“失败—调整—再尝试”循环使学生抗挫折能力显著增强，一位教师记录道：“学生面对装置漏水时，不再是求助，而是主动查阅资料、修改设计，这种探究韧性令人惊喜。”学生访谈则揭示了情感体验与能力发展的正相关，85%的实验班学生表示“喜欢自己想办法解决问题”，而对照班这一比例仅为42%，反映出STEM教育对学生探究内驱力的激发作用。

值得关注的是，数据中也暴露出一些关键问题。城乡对比数据显示，乡镇实验班学生在“跨学科知识整合”维度得分显著低于城市实验班（平均分差1.2分，p<0.05），这与乡镇小学实验器材短缺直接相关，例如“简易净水装置”制作中，乡镇学生因缺少过滤材料，不得不简化实验步骤，影响了探究的完整性。此外，教师访谈显示，65%的教师在“动态指导学生探究过程”时感到吃力，尤其在学生思维偏离预设路径时，难以通过有效追问引导其自主修正，反映出教师专业能力与模式要求之间的差距。这些数据不仅验证了STEM教育模式的有效性，更揭示了探究能力培养的深层路径与实施瓶颈，为后续研究提供了精准靶向。

五、预期研究成果

基于中期研究进展，本课题预期将形成理论深化、实践优化与成果转化三重维度的产出，为小学科学教育改革提供系统性支持。理论层面，计划完成《小学科学STEM教育模式与科学探究能力培养的理论模型》构建，进一步明确“情境—问题—探究—反思”四环节的内在逻辑机制，重点阐释跨学科整合与科学探究能力发展的协同关系，预计在《课程·教材·教法》等核心期刊发表2篇论文，分别聚焦学段差异化设计与教师角色转型，填补小学科学领域STEM教育理论研究的空白。实践层面，将形成覆盖低、中、高三个学段的8个STEM教学案例库，每个案例包含跨学科知识图谱、探究任务链设计、学生能力发展轨迹记录及教师指导策略，例如“校园雨水花园设计”案例将系统呈现从问题提出（校园积水问题）到方案优化（渗透系数计算）的完整探究过程，为一线教师提供可直接借鉴的实践范例。同时，开发《小学科学STEM教学能力提升手册》，通过“典型案例解析+常见问题解决方案+微格教学视频”的形式，帮助教师突破跨学科设计瓶颈，预计手册将在区域内10所小学推广应用。

成果转化方面，计划构建“评价—诊断—改进”三位一体的探究能力发展支持系统。修订版《小学生科学探究能力评价指标体系》将新增“问题提出的创新性”“方案设计的逻辑性”“反思调整的主动性”等6个过程性指标，配套开发“探究过程观察记录APP”，支持教师实时记录学生探究行为并生成能力发展画像。此外，与地方教育部门合作开展“STEM教育种子教师培养计划”，通过“课题引领+课堂实践+成果展示”的方式，培养20名能够独立设计STEM教学的骨干教师，形成“骨干引领、全员参与”的区域推进机制。最终，本课题将形成1份总研究报告、1套教学案例库、1本教师指导手册及1套评价工具包，实现从理论到实践的完整闭环，切实推动小学科学教育从“知识传授”向“素养培育”的深层转型。

六、研究挑战与展望

尽管研究取得阶段性成果，但深入实践过程中仍面临多重挑战，需要以创新思维与务实态度寻求突破。教师专业发展滞后是当前最突出的挑战。数据显示，参与实验的8名教师中，仅3人能独立完成跨学科教学设计，其余教师仍依赖研究团队提供的模板，反映出传统师范教育与STEM教育需求之间的脱节。此外，教师工作负担过重也制约了研究深度，一位教师坦言：“每周要花10小时以上准备STEM课程，还要兼顾常规教学，精力实在有限。”这些问题的解决，亟需构建“高校—教研机构—学校”协同培养机制，通过“嵌入式培训+实践共同体”模式，帮助教师在真实教学中逐步提升跨学科整合能力。

城乡教育资源不均衡是另一重现实挑战。乡镇小学因实验器材不足、专业教师匮乏，STEM活动实施效果大打折扣。例如，某乡镇小学因缺少显微镜，学生无法观察生态瓶中的微生物群落，导致“生物链关系”探究流于形式。这一问题短期内难以通过经费投入完全解决，需要开发“低成本、高探究性”的替代方案，如利用智能手机显微镜、自制实验装置等，确保不同区域学生获得均等的探究体验。同时，探索“城乡结对”模式，通过线上共享实验资源、远程指导等方式，缩小城乡教育差距。

评价体系的科学性与操作性仍需优化。当前修订版评价指标虽增加了过程性指标，但教师普遍反映“操作复杂、记录耗时”，尤其是在大班额教学中难以落实。未来需进一步简化评价工具，开发“学生自评+小组互评+教师简评”的轻量化评价模式，同时利用人工智能技术，通过分析学生实验记录、方案修改痕迹等数字化证据，自动生成探究能力发展报告，减轻教师负担。

展望未来，本课题将聚焦“精准化、常态化、本土化”三个方向深化研究。精准化方面，通过学习分析技术构建学生探究能力“数字画像”，实现个性化指导；常态化方面，推动STEM教育融入国家课程，开发与教材配套的跨学科主题单元；本土化方面，结合地方特色资源（如地域生态、传统工艺），设计具有文化认同感的STEM案例，让探究能力培养扎根于学生生活世界。唯有直面挑战、持续创新，才能让STEM教育真正成为小学科学教育改革的引擎，为培养具有科学精神与创新能力的未来人才奠定坚实基础。

小学科学教学中STEM教育模式与科学探究能力培养研究教学研究结题报告一、研究背景

在创新驱动发展的时代浪潮下，科学教育作为培养未来创新人才的核心阵地，其改革方向与实施路径备受瞩目。《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确将“核心素养导向”与“跨学科实践”作为科学教育转型的关键支点，强调通过真实情境中的问题解决，培养学生的科学思维、探究能力与创新意识。然而，传统小学科学教学长期受制于学科壁垒与知识本位思维，探究活动常陷入“碎片化操作”“浅层化体验”的困境，学生难以形成系统性科学探究能力。STEM教育模式以科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）的有机融合为特质，以真实问题为纽带，强调实践创新与深度学习，为破解这一困局提供了理论沃土与实践可能。小学阶段作为科学启蒙的黄金期，学生天然的好奇心与初步的动手能力，为STEM教育的落地创造了独特契机。当STEM的跨学科基因与科学探究的本质逻辑相遇，当真实问题的复杂性与学生认知的发展性碰撞，一场关于科学教育范式的深刻变革正在悄然发生。本课题正是在这样的时代呼唤与现实需求中应运而生，旨在探索STEM教育模式与小学科学探究能力培养的深度融合路径，为素养导向的科学教育改革注入新动能。

二、研究目标

本课题以“构建STEM教育模式与科学探究能力培养的融合体系”为轴心，致力于达成三维目标：在理论层面，突破STEM教育与科学探究能力培养的“拼盘式”融合局限，构建“情境驱动—问题导向—跨学科实践—反思提升”的四维教学模式，揭示二者在目标、过程、评价层面的协同机制，形成具有小学科学学科特质的理论框架；在实践层面，开发覆盖低、中、高学段的STEM教学案例库与实施指南，提炼梯度化的探究能力培养策略，为一线教师提供可操作、可复制的实践范式；在效能层面，通过实证验证该模式对学生科学探究能力各维度（提出问题、设计方案、实践操作、分析论证、交流合作）的提升效果，构建“过程性评价—动态诊断—精准干预”的支持系统，推动科学教育从“知识传授”向“素养培育”的深层转型。这些目标共同指向一个核心愿景：让STEM教育成为小学科学课堂的“催化剂”，让科学探究成为学生认知世界的“脚手架”，最终培育出兼具科学精神与创新能力的未来公民。

三、研究内容

本课题的研究内容围绕“理论建构—实践探索—评价开发”三大核心模块展开，形成闭环研究体系。理论建构聚焦STEM教育模式与科学探究能力的内在关联，通过文献研究与理论思辨，厘清STEM教育的核心要素（跨学科整合、问题导向、实践创新）与科学探究能力的关键维度（科学问题提出、探究方案设计、数据收集分析、结论得出与反思）的耦合点，构建“以真实问题解决为主线，以跨学科实践为载体，以科学探究能力发展为核心”的教学模式框架。该框架强调情境创设的生活化、问题链设计的层级化、跨学科任务的结构化，以及反思环节的深度化，确保STEM活动超越“动手操作”的表层，真正成为科学思维的孵化器。

实践探索是研究的血肉所在，课题团队深耕小学科学课程内容，结合物质科学、生命科学、地球与宇宙科学等领域，设计开发了8个具有代表性的STEM教学单元，如“校园雨水花园设计”（融合水循环、工程结构、数学测量）、“简易净水装置制作”（整合物质变化、技术应用、数据分析）等。每个单元均遵循“现象观察—问题聚焦—假设生成—方案设计—实践验证—结论迁移”的完整探究流程，并针对不同学段学生特点实施差异化设计：低年级侧重“观察记录与简单描述”，中年级强化“变量控制与数据规范”，高年级突出“模型建构与迁移应用”，使探究任务与学生认知发展同频共振。同时，通过行动研究法，与实验校教师共建“教学实践共同体”，在“计划—行动—观察—反思”的循环迭代中，不断优化教学策略，提炼教师指导要点，形成《小学科学STEM教学实施指南》。

评价开发是研究成效的检验标尺。课题突破传统评价重结果轻过程的局限，构建了包含5个一级维度、15个二级指标的《小学生科学探究能力评价指标体系》，新增“问题提出的创新性”“方案设计的逻辑性”“反思调整的主动性”等过程性指标，配套开发了“探究过程观察记录表”“学生作品分析量表”“学习体验访谈提纲”等多元工具。通过量化测评（前后测数据对比）与质性分析（课堂观察、师生访谈、作品分析）相结合的方式，全面捕捉学生探究能力的发展轨迹，形成“能力发展画像”。评价结果不仅用于验证模式有效性，更成为教师调整教学策略、实施精准干预的科学依据，最终实现“以评促教、以评促学”的良性循环。

四、研究方法

本课题采用理论研究与实践探索深度融合、定量分析与质性研究相互印证的混合研究范式，确保研究过程的科学性与结论的可靠性。文献研究法奠定理论基础，系统梳理国内外STEM教育与科学探究能力培养的最新成果，重点分析Bybee的5E教学模式、Katehi的跨学科整合框架，以及国内韦钰院士的“做中学”理论，提炼出“真实问题驱动、跨学科实践赋能、探究能力进阶”的核心逻辑，为模式构建提供学理支撑。行动研究法则成为连接理论与实践的桥梁，研究团队与两所实验校教师组成“实践共同体”，遵循“计划—行动—观察—反思”的螺旋式上升路径，完成三轮教学迭代：首轮聚焦模式验证，开发基础案例；二轮优化学段策略，解决城乡差异；三轮深化评价工具，形成闭环体系。这种动态研究使理论框架在实践中不断修正，教学策略在反馈中持续精进。

案例分析法深入挖掘典型教学单元的实践价值，选取“生态瓶构建”“雨水花园设计”等8个案例，从跨学科知识整合度、探究任务梯度、学生思维发展三个维度进行系统解构。例如在“生态瓶”案例中，通过对比学生初始方案与优化方案的变化，揭示工程思维与科学概念的融合过程；分析学生探究日志中的“失败记录”，提炼“试错—反思—迭代”的能力发展轨迹。这种微观视角的深耕，使抽象的理论模型转化为可感知的实践智慧。量化研究则通过《小学生科学探究能力量表》的前后测数据，对实验班与对照班进行对比分析，运用SPSS26.0进行t检验与方差分析，验证模式在提升学生提出问题、设计方案等维度的有效性。质性研究则通过课堂录像编码、师生深度访谈、作品分析等方式，捕捉探究过程中的情感体验与思维火花，如学生面对实验失败时展现的韧性、小组合作中的思维碰撞，这些鲜活数据为量化结果注入了温度与深度。

城乡对比研究方法特别关注教育公平问题，选取城市与乡镇各一所实验校，通过相同的STEM教学单元设计，分析资源差异对探究能力培养的影响。开发“低成本实验替代方案”，如利用智能手机显微镜观察微生物、用矿泉水瓶制作过滤装置，确保乡镇学生获得同等探究体验。这种对比研究不仅验证了模式的普适性，更探索了资源有限条件下的STEM教育路径，为教育均衡发展提供了实证参考。最终，多元研究方法形成“理论—实践—数据—反思”的闭环，使研究成果既扎根教育现实，又超越经验层面，具备科学性与推广价值。

五、研究成果

经过两年系统研究，本课题在理论构建、实践创新与评价体系三个维度形成系列突破性成果，为小学科学教育改革提供了立体化支撑。理论层面，构建了“四维融合”的STEM教育模式，即以“真实情境”为起点，以“问题链”为纽带，以“跨学科实践”为载体，以“反思提升”为归宿，形成“情境—问题—探究—迁移”的完整教学逻辑。该模式突破传统STEM教育“学科拼盘”的局限，将科学探究的本质逻辑（假设—验证—结论）与STEM的跨学科特性深度嵌套，例如在“雨水花园”项目中，学生不仅学习水循环原理（科学），还需计算土壤渗透率（数学）、设计导流结构（工程）、选择耐涝植物（技术），经历从现象认知到系统解决方案的全过程。这一理论成果发表于《课程·教材·教法》《全球教育展望》等核心期刊，被多所师范院校列为科学教育案例库资源。

实践成果呈现“案例库—指南—工具包”三位一体的形态，覆盖低、中、高学段的8个STEM教学单元，每个单元均包含跨学科知识图谱、探究任务链设计、学生能力发展记录及教师指导策略。如“简易净水装置”单元，通过“水质检测—材料选择—结构设计—效果验证”的探究流程，将物质变化、技术应用、数据分析有机整合，学生作品在市级创新大赛中获奖率达35%。配套的《小学科学STEM教学实施指南》针对不同学段提供差异化指导：低年级采用“可视化任务卡”降低认知负荷，中年级强调“变量控制实验”的规范化训练，高年级突出“数据建模与迁移应用”，累计在区域内12所学校推广应用，教师反馈“解决了跨学科设计无从下手、探究指导浅层化等痛点”。

评价体系创新是本课题的核心突破，构建了包含5个一级维度、15个二级指标的《小学生科学探究能力评价指标体系》，新增“问题提出的创新性”“方案设计的逻辑性”“反思调整的主动性”等过程性指标，配套开发“探究过程观察记录APP”，支持教师实时记录学生行为并生成能力发展画像。实证数据显示，实验班学生在“提出问题”维度的得分较对照班提升42%，其中“提出非常规问题”的比例从8%增至27%，印证了模式对学生高阶思维的激发作用。同时，形成“研训一体”的教师发展机制，培养市级骨干教师15名，开发《STEM教学能力提升手册》，通过“微格教学+同伴互评”模式，使教师跨学科设计能力合格率从45%提升至89%。这些成果共同构成了从理论到实践的完整闭环，推动STEM教育从“理念倡导”走向“课堂深耕”。

六、研究结论

本研究证实，STEM教育模式与科学探究能力培养的深度融合，能够有效破解小学科学教育中“学科割裂”“探究浅层化”的现实困境，为素养导向的科学教育改革提供可行路径。结论表明，以“真实问题解决”为核心的STEM教学，通过跨学科实践与探究过程的有机耦合，显著提升了学生的科学思维能力。实验班学生在“提出问题”维度的进步尤为突出，其问题深度从“是什么”转向“为什么”和“怎么办”，例如在“生态瓶”项目中，学生不仅关注植物生长条件，更主动探究“光照强度对微生物群落的影响”，展现出超越教材的探究视野。这种思维跃迁印证了STEM教育对科学本质理解的促进作用。

学段差异化策略是探究能力培养的关键。低年级学生通过“观察记录表”“任务拆分卡”等工具，将复杂探究转化为可操作的步骤，实践操作能力提升显著；中年级在“变量控制实验”中形成严谨的科学态度，如“种子发芽”项目中，92%的学生能准确设置对照组；高年级则通过“数据建模”实现知识的迁移应用，在“雨水花园”设计中，学生运用数学计算优化土壤配比，工程思维与科学素养协同发展。这种梯度化设计使STEM教育真正适配学生认知发展规律，避免“一刀切”带来的认知负荷。

教师专业发展是模式落地的核心支撑。研究发现，教师角色需从“知识传授者”转型为“探究引导者”，其关键能力在于“设计认知冲突情境”“通过追问促进思维进阶”“搭建反思支架”。例如在“净水装置”失败案例中，教师通过追问“过滤层厚度与流速的关系”，引导学生自主调整方案而非直接给出答案，这种“支架式指导”使学生的抗挫折能力提升40%。同时，“高校—教研机构—学校”协同机制有效解决了教师能力瓶颈，通过“嵌入式培训+实践共同体”模式，使教师跨学科设计能力在6个月内实现质的飞跃。

城乡差异研究揭示，资源限制可通过“低成本实验创新”与“资源共享机制”破局。乡镇小学利用自制实验装置（如用塑料瓶制作显微镜），探究完成率达85%；通过“城乡结对”线上共享实验资源，乡镇学生在“数据分析”维度的得分与城市学生差距从1.2分缩小至0.3分。这一发现为教育公平提供了实践范式，证明STEM教育的核心在于思维培养而非器材堆砌。

最终，本研究构建的“四维融合”模式、梯度化策略、协同评价体系及教师发展机制，共同形成了小学科学STEM教育的中国方案。其价值不仅在于提升了学生的探究能力，更在于重塑了科学教育的生态——让课堂成为问题解决的实验室，让知识在跨学科实践中生长，让科学精神在试错反思中扎根。这一变革指向的不仅是教学方法的创新，更是教育本质的回归：培养能够理性认知世界、创造性解决问题、负责任参与未来的科学公民。

小学科学教学中STEM教育模式与科学探究能力培养研究教学研究论文一、背景与意义

在创新驱动发展的时代浪潮下，科学教育作为培育未来创新人才的核心载体，其改革方向与实施路径备受瞩目。《义务教育科学课程标准（2022年版）》将“核心素养导向”与“跨学科实践”确立为科学教育转型的关键支点，强调通过真实情境中的问题解决，培养学生的科学思维、探究能力与创新意识。然而，传统小学科学教学长期受困于学科壁垒与知识本位思维，探究活动常陷入“碎片化操作”“浅层化体验”的困境，学生难以形成系统性科学探究能力。STEM教育模式以科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）的有机融合为特质，以真实问题为纽带，强调实践创新与深度学习，为破解这一困局提供了理论沃土与实践可能。小学阶段作为科学启蒙的黄金期，学生天然的好奇心与初步的动手能力，为STEM教育的落地创造了独特契机。当STEM的跨学科基因与科学探究的本质逻辑相遇，当真实问题的复杂性与学生认知的发展性碰撞，一场关于科学教育范式的深刻变革正在悄然发生。本研究的意义在于，一方面，通过构建STEM教育模式与科学探究能力培养的融合体系，突破传统教学中“学科拼盘”“探究割裂”的局限，为小学科学教育理论注入新活力；另一方面，通过实证验证该模式对学生高阶思维与创新能力的促进作用，为一线教师提供可操作的实践范式，推动科学教育从“知识传授”向“素养培育”的深层转型，最终培育出兼具科学精神与创新能力的未来公民。

二、研究方法

本研究采用理论与实践深度融合、定量分析与质性研究相互印证的混合研究范式，确保研究过程的科学性与结论的可靠性。文献研究法奠定理论基础，系统梳理国内外STEM教育与科学探究能力培养的最新成果，重点分析Bybee的5E教学模式、Katehi的跨学科整合框架，以及国内韦钰院士的“做中学”理论，提炼出“真实问题驱动、跨学科实践赋能、探究能力进阶”的核心逻辑，为模式构建提供学理支撑。行动研究法则成为连接理论与实践的桥梁，研究团队与两所实验校教师组成“实践共同体”，遵循“计划—行动—观察—反思”的螺旋式上升路径，完成三轮教学迭代：首轮聚焦模式验证，开发基础案例；二轮优化学段策略，解决城乡差异；三轮深化评价工具，形成闭环体系。这种动态研究使理论框架在实践中不断修正，教学策略在反馈中持续精进。

案例分析法深入挖掘典型教学单元的实践价值，选取“生态瓶构建”“雨水花园设计”等8个案例，从跨学科知识整合度、探究任务梯度、学生思维发展三个维度进行系统解构。例如在“生态瓶”案例中，通过对比学生初始方案与优化方案的变化，揭示工程思维与科学概念的融合过程；分析学生探究日志中的“失败记录”，提炼“试错—反思—迭代”的能力发展轨迹。这种微观视角的深耕，使抽象的理论模型转化为可感知的实践智慧。量化研究则通过《小学生科学探究能力量表》的前后测数据，对实验班与对照班进行对比分析，运用SPSS26.0进行t检验与方差分析，验证模式在提升学生提出问题、设计方案等维度的有效性。质性研究则通过课堂录像编码、师生深度访谈、作品分析等方式，捕捉探究过程中的情感体验与思维火花，如学生面对实验失败时展现的韧性、小组合作中的思维碰撞，这些鲜活数据为量化结果注入了温度与深度。

城乡对比研究方法特别关注教育公平问题，选取城市与乡镇各一所实验校，通过相同的STEM教学单元设计，分析资源差异对探究能力培养的影响。开发“低成本实验替代方案”，如利用智能手机显微镜观察微生物、用矿泉水瓶制作过滤装置，确保乡镇学生获得同等探究体验。这种对比研究不仅验证了模式的普适性，更探索了资源有限条件下的STEM教育路径，为教育均衡发展提供了实证参考。最终，多元研究方法形成“理论—实践—数据—反思”的闭环，使研究成果既扎根教育现实，又超越经验层面，具备科学性与推广价值。

三、研究结果与分析

本研究通过量化与质性数据的深度交织，系统揭示了STEM教育模式对小学生科学探究能力的促进作用及其内在机制。量化数据显示，实验班学生在《小学生科学探究能力量表》五个维度的后测得分均显著高于前测（p<0.01），其中“提出问题”维度提升幅度最大