科技类校本课程“STEM化”的实践与思考获奖科研报告

科技类校本课程“STEM化”的实践与思考获奖科研报告校本课程；STEM教育；跨学科教学

随着课程改革的不断推进和深化，STEM教育正以其不同于分科教学的跨学科整合课程的方式受到极大关注。我国的STEM教育仍处于初级阶段，课程资源严重不足，而花费大量资金引进国外的原版STEM课程资源，又难免“水土不服”。为了解决课程资源不足的问题并实现STEM教育的本土化，笔者尝试把传统的科技类校本课程打造成具有鲜明STEM特征的课程资源，并开展了相关实践研究，总结归纳了一些行之有效的方法和措施。

一、明确STEM教育的核心特征

综合国内学者对于STEM教育的研究，可将其核心特征归纳为以下九个方面。一是跨学科，这是STEM教育最重要的核心特征，它意味着教育的重点不在某个特定学科上，而是将重心放在特定的问题上，强调综合利用多门学科的知识来解决问题。二是趣味性，STEM教育重视分享和创造，强调使学生能够从分享和创造的过程中获得乐趣与成就感。三是体验性，强调学生以动手、动脑的方式参与学习活动，在这种体验式的过程中，不仅获得“陈述性知识”，还习得蕴含在项目问题解决过程中的“程序性知识”。四是情境性，STEM教育不直接传授学生学科知识，而是鼓励把知识还原于生活，常以生活中面临的实际挑战作为问题情境，激发学生综合运用多种知识解决实际问题。五是协作性，特别强调通过团队成员之间的互相帮助和互相启发进行群体知识建构，往往采用小组合作方式，共同搜集、共享、分析或处理信息，提出多种假设并展开验证，评价也更多地针对团队而非个人。六是设计性，要求学习产出环节要包含设计作品，通过设计促进知识的融合与迁移，通过作品外化学习的结果，外显习得的知识和能力。设计作品的质量可以体现学习者的创新思维、灵活运用技术和综合运用知识的能力水平。七是艺术性，强调在工程设计过程中体现美感，提高作品的艺术性。八是实证性，这不仅是STEM教育的一个特征，更是科学区别于其他学科的重要特征，强调基于证据验证假设，以实事求是、严谨务实的科学态度来开展研究。九是技术增强性，STEM教育强调学习者要具备一定的技术素养，要求习得并较熟练掌握技术手段，从而利用技术实现创意，将构想形象化，创造制作形成实物作品[1]。

传统的科技类校本课程往往只强调某一类技术的传授，或者根据某一载体以特定内容和固定方式开展动手实践活动，虽然也具有活动内容有趣、鼓励学生小组合作、指导学生动手制作等特点，但往往不能完全涵盖以上所提及的STEM教育的特征，在跨学科融合、基于现实问题的情境创设以及技术增强性等方面有明显的缺失。

二、挖掘科技课程内容中值得放大的关键点

并非所有的课程内容都适合开发为STEM课程。这就需要教师重新审视课程内容体系，从中挖掘值得大做文章的关键点。由于STEM课程离不开工程设计，因此在整个课程内容中，可首选涉及动手制作的活动作为值得进一步开发的内容。以“创意航天”校本课程为例（曾荣获首届全国校本课程设计大赛特等奖），是比较成熟的科技类校本课程，从整体内容框架上可以看出其具有完整的系统性和连续性（见表1）。

为了在此基础上开发出能够促进学生全面发展的STEM课程，必须勇于突破常规，打破原有课程体系的固有模式。从表中内容可见，第一章主要是“讲解有关航天科技的常识和基础知识”，并不适合改版为STEM课程资源。而第二章中的“运载火箭”“航天飞机”“人造卫星”“宇宙空间站”等有关航天科技领域中的实体内容就比较适合转化成STEM课程资源。因为，这些内容涉及具体的模型制作，可与工程设计结合起来。其中“飞天利剑——运载火箭”部分就扩展衍生出了STEM课程“水火箭”的内容框架（见表2）。

三、创设趣味情境，将体验活动任务化

传统的科技类校本课程往往以具体的套材作为载体开展相应的制作活动，较少创设趣味化的情境。而STEM课程更强调在具有趣味性的情境中去解决真实的问题，以问题或任务为驱动，来完成项目作品或形成解决方案。因此，将课程中的具体教学内容融入一个有趣并有意义的情境中，是STEM教学活动的必要前提。

以“水火箭的制作”活动为例，传统的授课方式是：教师向学生展示一枚水火箭模型，然后讲解水火箭的结构和各部分的作用，接着指导学生用饮料瓶等材料仿制一枚水火箭，最后带领学生到户外发射模型。而作为STEM课程则不然，需要教师根据学生的认知特点创设一个有趣的情境，如一个外星人入侵地球的故事，并匹配相应的视频短片来渲染气氛。

【创设情境】——“精准打击”

随着科技的飞速发展，人类对空间的探索不断加深，我们终于发现地球不是宇宙中唯一存在生物的星球。在与地外文明接触的过程中，也暴露了地球在宇宙中的坐标位置。终于不幸降临，一群外星生物先遣队入侵地球，在世界各地建立起要塞据点。我们必须要赶在外星生物大部队到来之前摧毁这些要塞据点，才能挽救人类，保卫地球。勇士们，为了我们共同的家园，马上拿起你的武器实施精准打击吧！

学生在观看了外星人入侵地球的科幻电影短片后，被这个充满神秘感的故事情节所吸引，在旁白的召唤下，激发了保卫家园的责任感和使命感，使接下来的水火箭制作活动充满了奇幻色彩和趣味性。尽管情境的创设是虚构的，但需要完成的任务是真实的，即“如何实施精准打击”。这一任务激发了学生的能动性，使他们能够积极思考并踊跃参与。

四、制造认知冲突，激发问题意识

开门见山直奔主题式的导入，常无法激發学生的问题意识。在创设了有趣的挑战情境后，学生们跃跃欲试。此时，教师应从问题入手，引发学生的认知冲突，促使学生开动脑筋，通过搜索已有的知识或学习新知识尝试解决新问题。例如：教师不急于向学生呈现水火箭的模型成品，而是先组织学生以小组合作的方式到户外尝试发射单只饮料瓶，看能否击中预定目标。在一番努力和尝试中，学生总是无法将饮料瓶发射到预定区域。由此开始思考：“为什么单只饮料瓶无法做到精准打击呢？”同时，学生也通过观察饮料瓶的飞行轨迹来积极寻找原因。接下来，教师再让学生展开小组讨论“如何改进饮料瓶的结构才能达到精准打击”。学生们根据自己的体验和观察到的现象总结出单只饮料瓶在飞行过程中存在的缺陷，思考如何通过改良其结构使飞行姿态更加稳定、飞行轨迹更加可控。最终，学生讨论得出“增加流线型的箭头有利于减小空气阻力”“增加尾翼可以使箭体飞行姿态更加稳定”等重要结论。前期花费大量时间所进行的铺垫看似多余，实则不然，它充分激发了学生自主探究的意愿，体现了STEM课程体验性和协作性的特征。

五、以解决问题为驱动，综合运用各学科知识

STEM教育提倡打破学科界线，实现跨学科融合，充分调动各学科“有用的”知识来解决实际问题。学生长期接受分科教学，在大脑中存储了很多个单一学科独立的知识单元，很少有机会将各学科知识进行整合运用。以科技类校本课程为基础的STEM课程可以给学生搭建综合运用各学科知识的平台和机会。例如，学生已经归纳并勾勒出了水火箭的构造雏形，教师便可顺势利导向学生介绍水火箭的制作方法。在制作过程中，学生并不是单纯模仿，而是边加工、边思考，随时需要解决制作过程中出现的新问题。在实施制作加工之前，学生还必须先掌握一些常见工具的使用技巧（即STEM中的“T”——技术），工具的使用技巧会影响水火箭成品的质量和最终发射的效果，如用美工刀切掉饮料瓶的底部，用剪刀将切口边缘修剪光滑等。教师则有必要传授安全使用工具的方法。而“如何将饮料瓶的横截面的圆周进行三等分”“什么尺寸的尾翼更适合水火箭飞行”这样的问题，就需要运用数学知识来解决（即STEM中的“M”——数学）。在改良饮料瓶结构的过程中，学生必须要知道箭头、箭体、尾翼等各部分的作用，并理解“结构决定功能”这一科学观念（即STEM中的“E”——工程）。而在水火箭发射前的调试中，还涉及对水火箭前端进行配重从而合理调整模型自身的重心与压心的相对位置，需要学生学习相关的物理学知识（即STEM中的“S”——科学）。这样，以解决问题为驱动，便可以将知识的学习和运用融入到具体任务中，大大激发学生调用知识解决实际问题的能力。在遇到已有知识无法解决的问题时，学生也将更加积极主动地获取新知识，并在此过程中形成新的知识建构。

经过改版所形成的STEM课程丰富了原有的教学模式。以“精准打击”这一活动内容为例，可总结归纳出如图1所示的基本教学环节。

从图1可以发现，“创设情境”“初步体验”和“观看学习”这三个环节是在主体学习活动之前的预热和铺垫。相比于传统教学，明显增添了许多鲜明的STEM元素。而结尾处的“实践检验”和“分享总结”两个环节也更加凸显了STEM教育理念。

通过对原有“创意航天”科技类校本课程中“水火箭”一课的改版和优化，可归纳总结出校本课程“STEM化”的有效措施为：先挖掘原