小学 STEM 教学活动设计与案例

小学STEM教学活动设计与案例在当代教育的版图中，STEM教育已不再是一个陌生的名词，它代表着一种融合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的跨学科教育理念。对于小学阶段的孩子们而言，STEM教育并非高深莫测的理论灌输，而是一种基于真实生活情境、激发好奇心与探索欲、培养动手实践能力的学习方式。本文旨在探讨小学STEM教学活动的设计原则与方法，并结合具体案例进行阐述，以期为一线教育工作者提供些许启发与借鉴。一、小学STEM教学活动设计的核心理念小学阶段的STEM教学活动设计，应根植于儿童的认知特点与发展规律。其核心理念在于打破传统学科间的壁垒，将零散的知识转化为相互关联的整体，引导学生在解决实际问题的过程中，自然而然地运用多学科知识与技能。1.真实情境的创设：活动主题应源于学生的生活经验或他们感兴趣的现实问题。例如，环境污染、资源节约、日常用品的改进等，这些情境能让学生感受到学习的价值与意义，激发其内在驱动力。2.跨学科的整合：一个优秀的STEM活动，不应是单一学科的延伸，而应巧妙地融入科学探究、技术运用、工程设计与数学分析。例如，在设计一个简易桥梁时，学生不仅需要运用到形状与结构的科学知识，还需要测量（数学）、绘制图纸（技术初步）以及动手搭建与测试（工程）。3.探究与实践的核心：STEM教育强调“做中学”。教师应提供充足的时间和材料，鼓励学生通过观察、提问、假设、实验、验证、改进等一系列探究过程，主动建构知识，发展能力。4.问题解决导向：以一个或一系列具有挑战性的问题为起点，引导学生经历从明确问题、设计方案、实施方案到评估改进的完整工程设计流程，培养其解决复杂问题的能力。5.合作与交流的融入：许多STEM任务具有一定的复杂性，需要学生以小组形式合作完成。这有助于培养学生的团队协作能力、沟通表达能力和领导与被领导能力。6.包容与开放的评价：对学生的评价应侧重于过程而非结果，关注其在活动中的参与度、探究精神、创新意识以及解决问题的思路与方法，而非仅仅是作品的完美与否。二、小学STEM教学活动的一般设计流程设计一个有效的小学STEM教学活动，通常可以遵循以下流程：1.确定主题与目标：选择一个贴近学生生活、能激发兴趣且具有探究价值的主题。明确该活动希望学生在知识、技能、情感态度价值观等方面达成的具体目标。目标应具有可观测性和可实现性。2.分析学科融合点：围绕选定主题，深入分析其中蕴含的科学原理、可能涉及的技术工具、需要的工程设计环节以及必备的数学知识与技能，确保多学科内容的有机融合。3.创设真实问题情境：将主题转化为一个或数个具体的、具有挑战性的真实问题，引导学生思考“我们要解决什么问题？”“为什么要解决这个问题？”4.规划探究与设计步骤：设计引导学生进行科学探究和工程设计的具体步骤。这可能包括资料查阅（针对高年级）、头脑风暴、方案设计、材料选择、动手制作、测试改进等环节。教师需思考在每个环节如何提供适当的引导与支持。5.准备材料与环境：根据活动需求，准备安全、易得、多样化的材料和工具，并创设一个开放、安全、鼓励尝试与分享的学习环境。材料的选择应兼顾成本、安全性和探究的可能性。6.设计引导性问题：准备一系列富有启发性的问题，引导学生思考、讨论和深入探究，帮助他们克服困难，拓展思路。7.制定评价方式：设计符合活动目标和学生特点的评价方式，如观察记录表、学生作品分析、小组汇报、自评与互评等，注重过程性评价和多元化评价。8.预设延伸与拓展：思考活动结束后，如何将学生的兴趣和探究引向更深层次或更广阔的领域，如布置相关的家庭小实验、鼓励进一步的创意设计等。三、小学STEM教学活动案例分享案例一：小小节水工程师——家庭节水装置设计1.活动背景与目标*背景：结合世界水日或学校开展的环保主题活动，引导学生关注水资源短缺问题，思考日常生活中如何节约用水。*目标：*科学（S）：了解地球上淡水资源的分布，认识节约用水的重要性；探究影响水流速度和水量的简单因素。*技术（T）：学习使用简单的测量工具（如量杯、计时器）；尝试运用常见材料进行简单装置的组装。*工程（E）：经历“明确问题-设计方案-动手制作-测试改进”的工程设计流程，设计并制作一个家庭节水装置（如节水龙头、洗菜水回收装置等）。*数学（M）：学习测量和记录水量、时间，进行简单的比较和计算（如改装前后用水量的对比）。*核心素养：培养问题意识、创新思维、动手能力和环保意识，学习合作与交流。2.适用年级：3-4年级3.所需材料*塑料瓶、饮料瓶、吸管、小水管、海绵、棉布、剪刀、胶水、胶带、橡皮筋、量杯、计时器、水盆、记号笔、记录纸等。（材料鼓励学生自主搜集和选择）4.活动流程*情境导入与问题提出（约15分钟）：*教师通过图片、视频或小故事等形式，介绍全球及我国水资源现状，特别是缺水地区的情况。*引导学生讨论：“我们生活中哪些地方会用到水？哪些地方可能存在浪费水的现象？”*聚焦问题：“我们能不能设计一个小小的装置，帮助我们在家里节约用水呢？比如，让水龙头流出的水变慢一点？或者把洗过菜的水再利用起来？”*头脑风暴与方案设计（约20分钟）：*学生以小组为单位，围绕“家庭节水装置”进行头脑风暴，思考可以设计什么样的装置，用什么材料，大概是什么样子。*引导学生画出设计草图，标注出所用材料和简单的工作原理。教师巡视指导，鼓励创意。*材料准备与动手制作（约40-60分钟，可根据实际情况拆分）：*各小组根据设计方案领取或寻找所需材料。*学生动手制作节水装置，教师在旁提供必要的工具使用指导和安全提示，鼓励学生遇到问题时相互讨论、共同解决。*例如，设计“节水龙头起泡器”的小组，可能会尝试在瓶口扎小孔，或用海绵、棉布包裹吸管来减缓水流；设计“洗菜水回收装置”的小组，可能会用大塑料瓶制作分层过滤装置。*测试改进与数学分析（约20-30分钟）：*各小组展示自己的装置，并在教师指导下进行测试。例如，测试节水龙头在一定时间内的出水量，并与未改装的水龙头进行对比；测试回收装置的过滤效果等。*学生记录测试数据（如时间、水量），进行简单的计算和比较，分析装置的优点和不足。*引导学生思考如何改进自己的装置，如调整孔的大小、增加过滤层数等，并进行二次调整和测试。*展示交流与评价反思（约20分钟）：*各小组派代表介绍自己的节水装置设计理念、制作过程、测试结果以及改进思路。*组织学生进行互评，从创意性、实用性、节水效果、合作情况等方面进行评价。*教师总结，肯定学生的努力和创意，强调节约用水的重要性，并鼓励学生将自己的装置带回家尝试使用，或进一步改进。5.活动延伸*鼓励学生回家后观察家庭用水情况，尝试用自己设计的装置或其他方法节约用水。*开展“家庭节水小妙招”征集活动，制作班级节水宣传海报。案例二：种子的“新家”——创意种植盆设计与制作1.活动背景与目标*背景：结合植物生长单元的学习，或在春季播种时节，引导学生关注植物生长的基本条件，思考如何利用废旧材料为种子设计一个有创意的“家”。*目标：*科学（S）：了解种子萌发和植物生长需要的基本条件（水、空气、适宜的温度、土壤/养分）；观察记录种子的生长过程。*技术（T）：学习使用安全工具对废旧材料进行简单加工；探索不同材料的特性（如透气性、保水性）。*工程（E）：根据种子生长需求，设计并制作一个具有一定功能性和创意性的种植盆，需考虑排水、盛放土壤/介质、美观等因素。*数学（M）：测量种植盆的尺寸（长、宽、高）；计算容器的容积（简单估算）；记录植物生长的高度、叶片数量等。*核心素养：培养环保意识（废物利用）、创新思维、动手实践能力和责任意识（照顾植物）。2.适用年级：2-3年级3.所需材料*各种废旧容器（如牛奶盒、酸奶杯、洗衣液瓶、饮料瓶、纸板盒等）、剪刀、美工刀（教师使用或在教师指导下学生使用）、颜料、彩笔、毛线、小木棍、胶带、胶水、土壤、绿豆/黄豆/向日葵种子、小石子（用于排水）等。4.活动流程（简述）*情境导入：展示各种有趣的种植盆图片，提问“种子需要一个怎样的家才能健康成长？”*科学探究：回顾种子生长需要的条件，重点讨论种植盆需要满足哪些功能（装土、保水、透气、排水等）。*设计构思：学生分组讨论，利用带来的废旧材料，设计一个种子的“新家”，画出设计图。*动手制作：裁剪、装饰废旧容器，制作排水孔（如需要），完成种植盆的制作。*播种与观察：在种植盆中装入土壤，播种，浇水，并放置在合适的地方。学生定期观察记录种子的变化。*展示与分享：分享自己的创意种植盆和种植心得，观察比较不同种植盆中种子的生长情况。四、小学STEM教学活动实施的注意事项1.安全性优先：小学阶段学生动手操作时，安全是首要考虑的因素。教师需选择安全的材料和工具，对学生进行安全教育，并在活动过程中密切关注。2.材料的易得性与低成本：尽量利用日常生活中的常见物品或废旧材料，降低活动成本，同时培养学生的节约意识和环保理念。3.教师的角色定位：教师应是活动的引导者、支持者和合作者，而非知识的唯一传授者。要鼓励学生大胆尝试，允许犯错，并引导学生从错误中学习。4.关注个体差异：尊重学生在兴趣、能力、思维方式上的差异，提供多样化的材料选择和开放性的任务要求，让每个学生都能在活动中获得成就感。5.时间的弹性安排：STEM活动往往具有一定的探究性和开放性，实际操作时间可能会超出预期，教师需具备一定的弹性，合理安排课时。6.过程性资料的收集与反思：鼓励学生保留设计草图、测试数据、观察记录、活动照片等过程性资料，这不仅是评价的依据，也是学生成长的见证。教师自身也应及时反