劉韜容 肖化

[摘? ?要]STEM教育在創(chuàng)新人才培育方面具有顯著優(yōu)勢，為我國當(dāng)前小學(xué)科學(xué)課程的改革創(chuàng)新提供了新的視角。為了促進(jìn)STEM教育與小學(xué)科學(xué)課程的有機(jī)融合，可從教學(xué)情境、課程教學(xué)和課程評價三個方面采取以工程設(shè)計為主線的改革路徑。小學(xué)科學(xué)教師可參考“太陽能熱水器”項目教學(xué)實例進(jìn)行實踐探索，在科學(xué)課堂教學(xué)中深度融入STEM教育。

[關(guān)鍵詞]STEM教育;小學(xué)科學(xué)課程;工程設(shè)計

STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）教育是一種以項目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，它將STEM知識有機(jī)地融為一體，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1]。在我國小學(xué)科學(xué)課程的改革創(chuàng)新中，如何深度融合STEM教育，是現(xiàn)階段小學(xué)科學(xué)教師面臨的重要實踐課題。

一、STEM教育融入小學(xué)科學(xué)課程的改革背景

1.時代需求：青少年創(chuàng)新實踐能力亟待提升

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國制造業(yè)快速發(fā)展，規(guī)模已躍居世界第一，但科技創(chuàng)新力量薄弱，成為制約我國躋身制造強(qiáng)國的瓶頸。2019年，雖然我國在全球創(chuàng)新指數(shù)排名中已升至第14位，但是依然與我國勞動力總量第一和經(jīng)濟(jì)總量第二的國際地位不相符合。為提高我國的整體創(chuàng)新力，應(yīng)從提升青少年的創(chuàng)新實踐能力入手。而我國的小學(xué)科學(xué)課程長期未受到足夠的重視，在培育青少年創(chuàng)新實踐能力方面沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。為此，小學(xué)科學(xué)課程改革已成為時代需求。

2.新教育推動：STEM教育的優(yōu)勢不斷彰顯

STEM教育作為新興的跨學(xué)科教育，重視真實、有意義、有挑戰(zhàn)性的問題情境創(chuàng)設(shè)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在動手、動腦、動口過程中合作解決問題、提升核心素養(yǎng)。已有研究表明：STEM教育有助于激發(fā)學(xué)生對科學(xué)探究和工程實踐的熱情，培養(yǎng)學(xué)生解決問題、團(tuán)隊合作和創(chuàng)新實踐的能力以及堅韌的毅力，使學(xué)生最終獲得STEM領(lǐng)域的核心能力，發(fā)展終身學(xué)習(xí)所需的核心素養(yǎng)[2]。STEM教育正是因其獨特的創(chuàng)新人才培育優(yōu)勢而逐漸在全世界得到推廣。

3.國際趨勢：新科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對技術(shù)和工程教育高度重視

縱觀國內(nèi)外科學(xué)教育的改革與發(fā)展，高度重視技術(shù)和工程實踐是許多國家科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的重要特征。美國于2013年發(fā)布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，將工程實踐和科學(xué)實踐合并為“實踐”，與“跨學(xué)科概念”“學(xué)科核心概念”一起作為新標(biāo)準(zhǔn)的三個維度，同時將工程設(shè)計提高到與科學(xué)探究同等重要的地位，提倡工程設(shè)計與科學(xué)探究深度融合[3]。美國新科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)對工程實踐和工程設(shè)計的高度關(guān)注，有力地推動了STEM教育在美國科學(xué)課程中的實施。我國也在最新出臺的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）中新增了“技術(shù)與工程”，與物理科學(xué)、生命科學(xué)、地球和宇宙科學(xué)一并成為小學(xué)科學(xué)的四個內(nèi)容領(lǐng)域，并建議教師在教學(xué)實踐中開展STEM教育[4]。這是我國首次在科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中明確STEM教育在小學(xué)科學(xué)課程中的重要地位。由此，小學(xué)科學(xué)課程成為我國基礎(chǔ)教育階段普及STEM教育的重要載體。

二、STEM教育

融入小學(xué)科學(xué)課程的改革路徑

如何將STEM教育有效地整合到小學(xué)科學(xué)課程中？探索符合發(fā)展需求且更易“落地生根”的改革路徑，是解決這一問題的關(guān)鍵。新課標(biāo)明確指出，工程的關(guān)鍵是設(shè)計，工程是運用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計、解決實際問題和制造產(chǎn)品的活動[5]。可見，工程本身就是有機(jī)整合科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)的學(xué)科。實踐表明，引入工程設(shè)計思路的教學(xué)策略能有效促進(jìn)STEM知識的融合，且科學(xué)探究與工程設(shè)計的整合最適合我國基礎(chǔ)科學(xué)教育的發(fā)展[6]，年齡越低的學(xué)習(xí)者越能從這種整合中獲得更高的回報[7]。因此，工程設(shè)計是將STEM教育融入小學(xué)科學(xué)課程的突破口。

工程設(shè)計是工程的核心，是工程師解決實際問題時采用的一套系統(tǒng)化的思維模式，與科學(xué)探究的重要性等同。工程設(shè)計沒有固定的模式，但是通常包括明確問題、確定方案、設(shè)計制作、改進(jìn)優(yōu)化與再設(shè)計等思維流程。工程設(shè)計也沒有現(xiàn)成的、唯一正確的解決方案，因此具有反復(fù)性、開放性和創(chuàng)新性的特征。借鑒工程設(shè)計的思維流程，可梳理出STEM教育融入我國小學(xué)科學(xué)課程的改革思路：以工程設(shè)計為主線，從真實情境中提出滿足現(xiàn)實需求的工程問題，通過設(shè)計需求驅(qū)動知識探究，再將所學(xué)科學(xué)知識和已知限制因素應(yīng)用于設(shè)計、制作和優(yōu)化解決方案中，并以適切的課程評價有效檢測學(xué)生的學(xué)習(xí)收獲。這種改革思路充分體現(xiàn)了科學(xué)探究與工程設(shè)計的相互增益。

綜上所述，從教學(xué)情境、課程教學(xué)和課程評價三個課程要素可以凝練出以工程設(shè)計為主線的改革路徑：真實的工程問題情境—基于工程問題解決的教學(xué)模式——多元化課程評價（見圖1）。其中，多元化課程評價包括項目評價、同伴評價和標(biāo)準(zhǔn)化測驗。

1.真實的工程問題情境：有效連接STEM教育與科學(xué)課程

工程設(shè)計的問題源于生活中的需要，最終又運用于生活。因此，有效連接STEM教育與科學(xué)課程的問題情境應(yīng)凸顯其真實性、工程性和知識性。真實性指問題源于真實世界的生產(chǎn)生活，并基于學(xué)生已有的經(jīng)驗。工程性指從情境中提出的問題是為了滿足人類的現(xiàn)實需求和期望，且解決方案需要綜合考慮現(xiàn)實的制約因素，如要經(jīng)濟(jì)、耐用、方便和安全等。知識性指解決情境中的問題要蘊(yùn)含課標(biāo)所要求學(xué)習(xí)的知識。

例如，《科學(xué)探索者》是美國最權(quán)威的研究性教材，在每章開篇處都營造了真實的問題情境以引出一個需要解決的工程問題。如在“功和機(jī)械”一章開篇創(chuàng)設(shè)了“幾千年來，機(jī)械一直是人們的好幫手”的問題情境，然后提出“自己動手制作一輛起重機(jī)模型”的任務(wù)，這樣就使STEM教育與科學(xué)課程自然地連接起來。

2.基于工程問題解決的教學(xué)模式：促進(jìn)STEM教育與科學(xué)課程的融合

基于工程問題解決的教學(xué)模式是以工程設(shè)計為主線的項目教學(xué)法，包括三個主要環(huán)節(jié)和七個教學(xué)步驟[8]。該模式的主要特征是依托工程設(shè)計思維流程，將背景知識的探究和工程問題的解決串聯(lián)起來，促進(jìn)STEM教育與科學(xué)課程的融合。