許春良

[摘 要]STEM教育的主要特征是“模糊的任務”和“明確的結果”，需要教師確定一個具有多項合理解決方案或對單一解決方案有多種可行途徑的問題?！敖ㄔ爝\載小船”是小學科學課程中適合學生開展的一個項目設計案例，側重于讓學生借助數(shù)學的方法理解小船的體積與載重量之間的關系，滲透工程設計和技術應用。整個項目設計分為前期、實施和后續(xù)三個板塊，在項目的核心實施板塊，設計“初建→反思→再建”的三錨式進程，學生在這一時空里展開活動、分享和反思，實現(xiàn)數(shù)學、工程、技術與科學的整合。

[關鍵詞]? 小學科學;STEM;“建造運載小船”

STEM教育主要通過科學、數(shù)學、工程設計與應用于一體的融合式項目設計教學，培養(yǎng)學生的科技意識和創(chuàng)新能力。小學科學課程非常適合學生開展以問題解決為目標、以實踐探究為形式的STEM項目學習。在此，筆者以“建造運載小船”為例，通過實現(xiàn)小船載重最大化的教學項目設計，拓展學生的創(chuàng)新思維，引導學生用科學的方法，多維度地去思考、探究、解決客觀問題，進而滿足學生的探索未知的欲望，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度、科學精神和創(chuàng)新實踐能力。

一、項目實施過程及方法

（一）材料準備

裝水的水槽、橡皮泥、厚紙、PVC板、學生用電動切割機、膠帶、膠槍和膠棒、圍棋子等。

（二）實施模式

從教學目標上看，“建造運載小船”STEM項目，不是從研究船的形狀與結構方面切入，而是側重于讓學生借助數(shù)學的方法理解小船的體積與載重量之間的聯(lián)系，工程設計和技術應用所占的比例相對偏低。所以，教師將整個項目分為前期、實施和后續(xù)三個板塊，其中項目實施板塊是教學活動的核心，教師和學生主要在這一時空里展開活動、分享和反思。從學生“學”的角度看，主要經(jīng)歷“發(fā)揮創(chuàng)意→制作測量→記錄細節(jié)→交流展示→反思總結”這五個核心環(huán)節(jié)（見圖1）。發(fā)揮創(chuàng)意環(huán)節(jié)需要學生根據(jù)已有的生活經(jīng)驗和知識儲備，在頭腦中設計一艘浮在水上并能夠載重的小船;制作測量環(huán)節(jié)要求學生選擇某種材料，運用一定的制作技能，把自己的設計方案變?yōu)閷崒嵲谠诘哪Ｐ停⑦M行測試;記錄細節(jié)環(huán)節(jié)借助航海日志的方法，引導學生做好測試前后的記錄工作，要求能夠盡可能多地呈現(xiàn)出各種細節(jié);交流展示環(huán)節(jié)需要學生通過分享的方式，從自己和他人的活動中獲得啟發(fā);反思總結環(huán)節(jié)則是對整個學習活動加以提煉，形成較為統(tǒng)一的科學認識。從教師“教”的角度看，項目實施中要對學生的探究活動提前設置合理預期，通過設置有趣的探究任務，促進全體學生積極參與，引導他們發(fā)現(xiàn)各種有價值的信息，同時又能夠有效地控制課堂秩序，幫助學生形成科學結論。

（三）實施過程

在項目實施階段中，教師設計了“初建→反思→再建”三錨式進程，在每個進程中都讓學生使用數(shù)學的方法加以測量、評價、分析和總結。在初建進程階段，學生將嘗試著用某種材料，來建造一艘浮在水上并能承載一定重量的小船;在反思進程階段，學生將結合航海日志的繪寫，發(fā)現(xiàn)影響小船載重的諸多因素，并思考如何進行完善;在再建進程階段，學生將再次展開建船活動，并通過載重競賽的形式，發(fā)現(xiàn)小船體積與載重量之間的內在聯(lián)系。

1.初造航船

教師組織學生觀看我國第一艘航空母艦“遼寧號”的首航畫面，這一活動的目的在于讓學生重新整理對航船的各種知識和細節(jié)，喚起民族的自豪感和使命感，為“造船”活動營造一種積極的氛圍。當學生的情感被調動之后，教師布置如下任務：“請你們在10分鐘之內制造一艘小船，不僅能讓它浮在水上，而且能夠承載一定的重量?！痹侔呀ù?種實物材料（橡皮泥、厚紙、PVC板）展示給學生。將學生分成4人一組，讓他們進行簡短的討論，確定選用哪一種材料進行制作，并商討如何確定所制造小船的載重量等細節(jié)問題。

學生按團隊所商討的制造方案進行“造船”活動，并使用圍棋子作為檢測載重量的標準單位加以實際測試，要求他們將所造小船的外形及測試的結果記錄下來，以便與選用相同材料的其他團隊進行比較和評估。在這個過程中，教師和學生明確各自的任務，教師要通過不停地巡視，重點觀察學生的一些活動細節(jié)，并用數(shù)碼相機記錄下具有探討價值的畫面，提醒學生關注并思考對策，為后面學生的航海日志交流環(huán)節(jié)提供真實直觀的圖片或視頻素材;學生要能夠發(fā)現(xiàn)自己所造小船存在的各種缺陷，并能夠從其他團隊的互相交流中獲得有用信息，以便為自己后續(xù)的建造和測試積累經(jīng)驗。

教學分析：STEM項目學習的核心特點之一，便是強調“模糊的任務”和“明確的結果”，而創(chuàng)建“模糊任務”的關鍵，則在于教師能否找到一個具有多項合理解決方案或對單一解決方案有多種可行途徑的問題。在本項目中，建造小船就是一個“模糊的任務”，而能夠浮在水面并承載一定的重力就是一個“明確的結果”。要想實現(xiàn)這一任務，學生首先面臨的是小船材料的選擇問題，以及隨之而來的能承載多少重物的疑惑?！俺踉旌酱杯h(huán)節(jié)要求學生選擇某種材料來建造小船，體驗造船的樂趣，并發(fā)現(xiàn)造船不是想象中的那么簡單。學生遇到的實際問題越多，意味著圍繞這些問題所能展開的后續(xù)改進措施就越多。

2.航海日志

學生完成建造和載重測試任務之后，教師隨即引導他們進入整理“航海日志”環(huán)節(jié)。作為這艘小船的擁有者，學生的角色經(jīng)歷了多種變化，體驗了從無到有、從試航到沉沒的充滿興奮又稍帶遺憾的復雜心情。這時教師要趁熱打鐵，引導他們對這一過程進行及時地反思和總結，整理航海日志則不失為一種有效的激勵教育方式。

航海日志沒有固定的模板，教師可事先為每組學生準備空白紙張和水彩筆，讓學生以圖文并茂的方式記錄并呈現(xiàn)。航海日志應包括建造小船所使用的材料、小船不同側面及整體的外觀圖，如果使用膠帶最好要標出它的使用部位，還要盡可能準確地在這些圖上標注出這艘船的各種數(shù)據(jù)和信息，包括載有棋子前的“吃水線”、放置棋子的數(shù)量、漏水的各處部位及發(fā)生漏水的順序等。教師可以在此基礎上加以靈活調整，著重體現(xiàn)最有價值的細節(jié)，以適合教學目標和課堂實際情況。

組織學生交流展示航海日志時，教師要做好充分的準備，事先構劃好所要交流的主題內容、主題交流的順序、相關專業(yè)知識的鏈接等，以便于處理好不同小組在展示過程中有可能出現(xiàn)的語言表達困難、單調重復、枯燥無味以及爭先恐后等課堂表現(xiàn)。如有必要可以讓學生根據(jù)實物進行講解，力爭讓全體學生既能夠對自己的學習獲得真實客觀的評價，也可以參與到對其他小組的學習評估中去，以獲得有深度的學習效果。

教學分析：STEM項目學習中的課堂管理，是以促進學生的積極參與和控制混亂局面為基礎的。所以，在這一環(huán)節(jié)，教師應事先考慮好航海日志的內容設計，以便讓學生能夠全面詳細地記錄下建造和測試過程中的各種經(jīng)驗和教訓，讓學生“有事做”，知道“怎樣做”。這一環(huán)節(jié)的活動目的，不在于評選出哪個團隊的設計建造方案為最優(yōu)，而在于讓學生通過這一真實有趣的活動，識別出自己在哪些方面需要進一步改善與提高。

3.重建航船

學生通過建造小船這一初始“模糊的任務”，對如何提高小船的載重量有了比較“明確的結果”，他們通過繪寫航海日志、與他人交流后獲知：影響小船載重的因素有很多，如造船材料、建造技術、棋子擺放等都有可能成為限制小船載重量的短板。此時，教師可以讓學生圍繞某一方面展開新一輪的造船活動。本環(huán)節(jié)選擇的“新一輪模糊任務”是采用A4紙大小的PVC板材和熱膠棒，重新建造一艘載重量盡可能大的小船。教師引導學生通過具體的測量以及引入簡單直觀的函數(shù)圖像等方式，讓學生理解“所建造的小船容積越大，所能承載的重量就越大”這一“更為明確的結果”。這一環(huán)節(jié)，教師要給學生留出足夠多的時間來設計小船的草圖。學生首先需要對A4紙的長和寬進行測量，在此基礎上大致確定所設計船的外形?？紤]到大部分學生的設計和制造能力，學生所建造的船會非常接近于一個長方體，因此，教師可以讓學生在草圖上標注出各部分的數(shù)據(jù)（主要是長、寬、高的數(shù)據(jù)），這樣方便學生按圖切割和拼接。教師提醒學生在正式測量載重量之前，要檢查一下它是否漏水并采取適當?shù)难a救措施。要盡可能多地提供水槽，控制好測試區(qū)域的人流量和聲音，以減少對課堂的影響。

教師事先在黑板上繪制各組所建造小船的數(shù)據(jù)表，并讓學生結合最終的載重量進行分析和歸納，引導他們發(fā)現(xiàn)小船體積和載重量之間的內在聯(lián)系。教師介紹用數(shù)學方法所繪制的小船，在不同深度的情況下載重量的曲線變化圖，讓學生進一步感知和理解小船體積與載重量之間的內在聯(lián)系。最后出示一張A4紙所能建造的最大體積的小船設計圖，并取出事先建造好的這種小船進行載重量測量，看一看能否成功挑戰(zhàn)班級里載重成績最好的小組。

教學分析：STEM項目學習的設計過程，總是始于一個可測量的目標?？蓽y量分為兩種：一種是滿足或符合預期規(guī)定的技術要求，如要求學生建造一艘能浮在水上的小船;另一種是在具體的數(shù)學化測量中獲得優(yōu)勝。在本環(huán)節(jié)中，讓學生試著用數(shù)學方法來尋找出事物之間的內在關系，滲透了科學研究與工程實踐之間的一種理論假設與實際解決問題的最優(yōu)化思想。函數(shù)圖像的知識雖然對小學高年級的學生來講顯得頗為陌生，但作為一種設計思想，用它來統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)、構建模型、預測系統(tǒng)的運行狀況，顯然是具有積極的意義。

二、項目教學反思及建議

（一）對“模糊的任務”的理解

“模糊的任務”意味著會產生更多的子任務?？茖W課中的探究性實驗，通常希望學生能夠得出自己的結論。而STEM則稍有不同，它始終指向某一具體實際問題的解決，并以此作為評估學習效果的主要依據(jù)，要求學生通過各自的設計完成某一手工制品，通過這一“眼前可見的產品”獲得對知識的理解。事實上，學生最終呈現(xiàn)的作品必然是各不相同的，這意味著他們在解決現(xiàn)實問題時，所采取的策略是各不相同的。通過初始的“模糊的任務”能夠讓學生意識到：載重小船的建造涉及到多種學科知識，具體包括材料、浮力、密度、形狀與結構甚至流體力學等。一旦學生意識到了這一點，教師需要將任務“進一步模糊化”，確定其中某一因素展開深入研究。在本項目中，教師選擇的是在材料限定的情況下，讓學生設計船體的合理形狀以獲得最大的承載量，從中可以清晰地看出，學生所要解決的“模糊的任務”在不斷進化和重新定義。

（二）對“明確的結果”的理解

STEM項目學習中最具有爭議性的地方無疑是“明確的結果”。一個STEM項目如何才能讓學生獲得一個“明確的結果”，同時又不會對學生的創(chuàng)造性和靈活性產生負面作用，這對教師來講是一個巨大的挑戰(zhàn)。在建造承重小船的項目中，學生所使用的材料和數(shù)量有嚴格的限制，從數(shù)學和物理學的角度來講，必然存在著一種最合理的設計方案，能夠讓學生所制作出來的小船具有最大的載重量，問題是在于如何讓學生理解這一最佳方案產生的依據(jù)。如果直接向學生提供問題的答案或解決困難的具體措施，他們就不會竭力嘗試自己去發(fā)現(xiàn)問題和解決問題;反過來，教師如果忽略學生所遇到的正常問題，對他們不理不管，又極易把他們推入挫折的深淵，導致放棄原來的探究活動。因此，教師需要在每個活動階段保證所有學生能夠獲得一個“明確的結果”，通過這種帶有個人意義的學習結果，讓它和自己頭腦中原有的相關認知概念產生互動，這樣能夠吸引他們持續(xù)的學習熱情和欲望。沒有了“明確的結果”，學生的學習體驗特別是成就感會大打折扣。

目前，小學科學教學中各學科領域的相互交叉、融合、滲透已被廣泛關注。將STEM教學思想引入到小學科學課程體系中去，有利于轉變教師的課程觀，有助于教師的思維開放、教學視野的開闊，促進教師在教學過程中更好地進行跨學科融合。以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，將生活情境和社會問題置于學習中心，對培養(yǎng)學生整合多學科知識、動手動腦實踐的能力、解決現(xiàn)實生活中的實際問題以及訓練學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力，都具有極其重要的意義。

[參 考 文 獻]

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[6]石靜，白可，劉軍.在小學自然班中實施STEM教育替代科學課程的幾點建議與對策[J].中國教育技術裝備，2017（18）.

（責任編輯：符 潔）