STEM課程設計以跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性為核心特征。那么，在實踐中如何體現(xiàn)這9個核心特征？本文以具體的課程設計為例進行了說明，一起來看。STEM教育的核心理念是促進多學科融合，培養(yǎng)創(chuàng)新人才，其跨學科整合的新型學習方式深受教師歡迎，廣大教師認真研究STEM教育理念并積極開展實踐。但隨著探索的不斷深入，諸如課程如何設計、課時如何設置、學科之間如何進行交叉教研等問題也相繼出現(xiàn)。其中，尤以如何進行有效的STEM課程設計最為突出。STEM課程設計以跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性為核心特征，那么如何在實踐中體現(xiàn)上述九個核心特征？筆者所在的項目組對此進行了大量探索，現(xiàn)以“我們用上了自來水”課程設計為例進行說明。很多教師在設計STEM課程時，總是困惑于課程素材的來源，不少教師因此追求較為前沿的課題。這樣一來，課程雖然轟轟烈烈地開展了，后期也會進行“高大上”的作品展示，但是這些課程往往集中于基礎較好的學生，大多數(shù)學生不能真正從STEM教育中獲益。此外，學生雖然完成了課程任務，但是對于課程所涉及的科學原理及技能的學習，并沒有比傳統(tǒng)課堂更為扎實。這也是STEM教育在推廣過程中受部分學校排斥的原因。本課程設計力求結合學生身邊的現(xiàn)象或?qū)嵨?，通過巧妙的教學設計，引導學生利用項目式學習、小組合作、做中學的方式，建構知識與技能。教師通過“幫助留守兒童用上自來水”這一真實問題，激發(fā)學生的同理心。學生在助人為樂的內(nèi)在動機驅(qū)使下，完成四個遞進式任務，在解決問題的同時，習得解決問題的方法，獲得能力與素養(yǎng)的提升。問題情境：在我國山區(qū)農(nóng)村中，留守兒童家庭用水不方便。孩子們放學后，還得幫爺爺、奶奶到村里的供水點運水回家。怎樣幫助這些同齡人用上方便的自來水，隨手擰開水龍頭，清澈的自來水就會“嘩嘩”流出，在家里就能接水做飯、洗東西呢？圍繞要解決的這一真實問題，該課程共設計了四個遞進式任務。任務一，通過小組討論、動手實踐找到建造自來水的科學原理——連通器原理，并靈活運用連通器原理幫助村民確認水塔的選址、高度等問題。任務涉及的科學知識（S）是液體的壓強以及連通器原理。任務的成果是學生能搭建出簡易的供水裝置，能利用所學到的科學知識研究濟南趵突泉噴涌的科學原理，并能提出保持泉水持續(xù)噴涌的建議，能用所學科學知識解釋古羅馬廣場上人造噴泉的原理，并了解古羅馬引水渠的相關知識。任務二，通過握蛋實驗，讓學生思考為什么易碎的雞蛋卻不容易被手握碎，并通過Scratch軟件去模擬探索“在周長一定時，哪種形狀的物體面積最大”。任務涉及的科學知識（S）是薄殼原理，數(shù)學知識（M）是等周定理。任務成果是學生能用寫作的方式記錄課堂上有趣的學習經(jīng)歷，能利用所學的知識分析生活中的薄殼建筑，能用所學知識解釋為什么大多數(shù)水果的形狀是球形或相近形狀。任務三，通過Scratch圖形化編程使學生明白，為什么長方體的方磚可以建造成圓滑的圓柱體形狀的水塔。涉及的數(shù)學知識（M）是外角、極限理論、數(shù)學建模。技術知識（T）是利用數(shù)學運算、重復執(zhí)行來編寫程序。任務成果是通過對數(shù)學、技術知識的綜合運用，編寫出可以繪制任意正多邊形的程序。任務四，通過解決一個在程序設計過程中的生成性問題“圓出界”，讓學生體驗探索周長與直徑關系的過程。涉及的數(shù)學知識（M）有坐標系、圓的周長、圓的直徑、圓周率；工程知識（E）是問題轉換法和試錯法；技術知識（T）是程序調(diào)試。任務成果是學生體驗了“探索圓周長與圓直徑關系”的思維過程，能利用所學數(shù)學知識解決建造成本中需要多少塊磚的核算問題。課程實施年級為四年級至九年級。教師可根據(jù)學生的不同知識結構，按螺旋式上升方式選擇相應的任務進行教學。學生根據(jù)問題情境——如何幫助留守兒童用上方便的自來水，小組討論項目目標，確定項目方案，探討項目可能用到的科學原理。學生既可以根據(jù)教師提供的指導方法學習該項目所需的科學原理，也可以先根據(jù)教師提供的工具進行科學實驗，再在總結環(huán)節(jié)歸納與對比科學原理。教師提供的實驗工具有：吸管、水槽、圓柱形容器、長方體容器、橡皮管、鐵架臺、水泵、活塞、止水夾、液體壓強演示器、連通器演示器。學生根據(jù)探討結果，選擇合適的器材進行實驗，通過實驗完成項目目標。在此環(huán)節(jié)中，學生可以利用圓柱體容器、長方體容器作為蓄水裝置，橡皮管作為供水管道，鐵架臺可以提升蓄水裝置的高度，從而模擬現(xiàn)實社會中的自來水供水系統(tǒng)。通過模擬，學生找到了建造供水系統(tǒng)所用的科學原理。部分學生依據(jù)自身生活經(jīng)驗，使用虹吸原理供水。基于此，師生可討論在供水系統(tǒng)中連通器原理與虹吸原理的異同及哪種方式更適合。實驗完成后，師生總結項目實施過程中的收獲，驗證科學原理并內(nèi)化。學生雖然通過模擬找到了供水系統(tǒng)的必要條件是要有一定的水壓，并通過實驗獲知，要想得到一定的水壓，需把蓄水裝置抬高，但其中涉及的科學原理——連通器原理，需要教師系統(tǒng)地講解，并通過液體壓強演示器、連通器演示器，讓學生知道液體壓強與哪些因素有關，了解人們是如何在現(xiàn)實生活中運用這些科學原理的。最后學生進行作品展示，并嘗試運用所收獲的科學原理對生活現(xiàn)象或科學發(fā)明進行解釋。如古羅馬的廣場噴泉原理，趵突泉為什么會停止噴涌，如何判斷鍋爐內(nèi)的水位等。課后學生撰寫STEM小論文。師（問題情境）：在上一個任務中，大家為山區(qū)的同學完成了儲水裝置的建造，成功地幫助他們用上了自來水，但大家的儲水裝置形狀不一，有的是圓柱體，有的是長方體……請大家討論一下，什么形狀的儲水裝置更合理。小組討論后，教師出示本次實驗的工具：雞蛋、一次性手套、學生用實驗圍裙、計算機。師（實驗探究）：老師今天帶來了幾個雞蛋，我想請咱們班力氣最大的同學用手把它握碎……這一任務學生對學生的原有認知提出了挑戰(zhàn)。幾乎沒有學生把一枚雞蛋放在眼里，但當班級里力氣最大的“大力士”面對這枚小小的雞蛋也無可奈何時，學生被薄薄的雞蛋殼所蘊藏的巨大力量所震撼，這激起了他們繼續(xù)探索科學知識的興趣與動力。師（原理介紹）：雞蛋殼能承受這么大的壓力，是因為它能夠把受到的壓力均勻地分散到蛋殼的各個部分。建筑師根據(jù)這種薄殼結構的特點，設計出了許多既輕便又省料的建筑物。人民大會堂、北京火車站等很多著名建筑，屋頂都采用了這種薄殼結構。同樣，我們的蓄水裝置為了承受更大的水壓，也應該利用薄殼原理進行建造。接下來，師生就水塔選擇圓柱體的數(shù)學原因——等周定理又進行探究。該環(huán)節(jié)中，教師通過用Scratch設計的等周定理驗證程序，與學生一起輸入不同邊數(shù)，構建多邊形水塔。學生會發(fā)現(xiàn)當周長是一個定值時，隨著邊數(shù)增加，正多邊形的面積逐漸增大。人們選擇把水塔建成圓柱狀，也有建筑成本（數(shù)學原理）方面的考慮。在此過程中，學生使用網(wǎng)絡進行“薄殼原理”“等周定理”的深入學習與探索，并修改之前建造的蓄水裝置。課后，學生繼續(xù)撰寫STEM小論文。師（問題情境）：生活中常見的儲水裝置是水塔，水塔是圓柱狀的，但水塔卻是用長方體的磚壘成的，方怎么變成了圓呢？教師出示本次實驗的工具：吸管、剪刀、量角器、直尺、A4紙、計算機、Scratch編程軟件，讓學生利用吸管將他們的想法實現(xiàn)出來。在此任務中，學生根據(jù)生活經(jīng)驗把吸管剪短，擺出正多邊形。通過親自動手去擺正多邊形，學生逐步體會到“當吸管越短，邊數(shù)越多，擺出的正多邊形越接近圓”。在動手操作的過程中，學生逐步有了樸素的極限觀念。但受器材等客觀條件的限制，學生沒辦法擺出真正的圓。此時，利用編程的方法模擬由正多邊形變圓的過程，既能體現(xiàn)技術的優(yōu)勢，也幫助學生更直觀地建立極限理論的數(shù)學思維模型。教師引導學生進行數(shù)學建模：學生利用A4紙裁剪出正三角形、正方形、正五邊形和正六邊形。小組合作利用表格或其他方式找到邊數(shù)與角度（外角）之間的數(shù)學關系（見表1）。學生根據(jù)數(shù)據(jù)猜想出，任意正多邊形的邊數(shù)與旋轉度數(shù)之間存在相乘等于360度的數(shù)量關系。由于邊數(shù)大于6以后，用手工的方式制作正多邊形的難度增大，教師指導學生利用計算機進行編程驗證。在驗證過程中，學生學習了“變量”“重復執(zhí)行”等Scratch編程知識。在此過程中，學生還通過網(wǎng)絡學習我國古代數(shù)學家劉徽的“割圓術”、古希臘安提豐的“窮竭法”，了解近代極限理論的雛形。師（問題情境）：在上個任務中，不少同學找到了用方磚壘出圓柱狀水塔的方法，但也有同學遇到了新問題，那就是利用Scratch畫圓時，因為對每次走的步長（磚長）把握不準，畫的圓超出了邊界。這該如何解決呢？學生根據(jù)教師提供的思維腳手架，如“圓的大小與哪些量有關系”“Scratch舞臺的坐標是怎么規(guī)定的”“步長、邊數(shù)、y軸可能存在一定的數(shù)量關系嗎”分小組討論。各小組成員繼續(xù)在Scratch編程軟件中利用“試錯法”進行試錯實驗，看能否找到步長、邊數(shù)、y軸之間可能存在的數(shù)量關系。各小組再利用“問題轉換法”進行實驗，用以得出y軸的下半部其實是圓的什么，Scratch軟件中“小貓”走一周代表的含義。應用上面兩種方法，學生通過實驗找到了“步長乘以邊數(shù)等于y軸下半部三倍”的規(guī)律。這其實也是我國古人經(jīng)過大量實踐得出的“周三徑一”的方法。學生利用網(wǎng)絡了解“周三徑一”的數(shù)學方法，小組討論使用“試錯法”和“問題轉換法”時思維方式的不同。最后，學生根據(jù)所學的數(shù)學原理求解現(xiàn)實問題：為了滿足全村人自來水的正常供應，村里需要建造一座高約為35米、直徑約為9米的水塔。作為工程師的你，請計算需要多少塊磚。教師布置課后拓展延伸任務：能否利用Scratch編程設計出計算圓周率和正多邊形面積的程序？我們近年來一直在區(qū)域內(nèi)進行STEM教學的實踐。在此過程中，我們對STEM課程設計形成了以下思考。第一，STEM最早產(chǎn)生是源于美國應對學習理工科的學生不斷減少的局面。美國國家科學委員會在《本科科學、數(shù)學和工程教育》報告中指出，“課程內(nèi)容陳舊、缺乏想象、組織凌亂，教和學的理解領域沒有切合最新的發(fā)展。所有這些將會導致更少的學生選擇科學和工程類的職業(yè)，某些專業(yè)無法吸引所需要的有質(zhì)量的學生……這對美國的經(jīng)濟和安全將會是致命的傷害”。
由此可見，這也是為什么STEM教育的核心之一是趣味性。作為一線教師，在設計課程時一定要時刻圍繞著“我的課程是否能激發(fā)學生進一步深入學習的興趣，能否維護學生持續(xù)學習的動力”來設計。第二，STEM課程素材來源于哪里？我們要意識到，人類的每個發(fā)明創(chuàng)造其實都蘊含著大量的多學科融合的知識，這些發(fā)明與創(chuàng)造本身就是STEM教育的結晶。我們?nèi)绻苷驹谝粋€全新的角度與維度，帶領學生進行基于人類已有STEM教育精神財富的再學習和再創(chuàng)作，對學生的學科知識體系建構及思維發(fā)展同樣具有較大的啟迪作用。第三，STEM采用的是基于跨學科融合的教育方式，提倡通過項目式學習加深多學科的融合，但它并不否定分科教學。經(jīng)過幾百年的錘煉與檢驗，分科教學能為STEM教育提供更為堅實的學科知識基礎，通過STEM的多學科解決實際問題的應用，又為對學生的分科教學提供了實踐的出口?；陧椖拷鉀Q的跨學科融合的STEM教育與分科教學正是“學以致用，用以致學”的體現(xiàn)。第四，STEM教育對教師提出了更高的要求。一名成功的STEM教師一定要跳出單學科的思維模式，帶著STEM眼鏡去看待客觀世界，用STEM的視角去解釋身邊的各種現(xiàn)象。教師要不斷充實自己的學科知識儲備，主動要求自己向全科教師發(fā)展。在開展STEM教育培訓時，筆者曾經(jīng)問過參與培訓的教師如何測量一枚硬幣周長的問題，結果能夠回答者寥寥無幾，而這一知識是大家早已在中小學學過的知識?？梢?，要想成為一名合格的STEM教師，還需不斷地自我施壓、自我成長。盡管STEM教育在我國興起的時間不長，但已激發(fā)起廣大一線教師參與其中的熱情。我們的研究構建了適合的STEM課程設計樣式，并在所在區(qū)域進行了教育實踐。此課程設計能激發(fā)學生的想象力，為學生提供更廣闊的思維空間，培養(yǎng)學生跨學科解決問題及促進創(chuàng)新能力的提升。系山東省淄博高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)教育中心信息技術教研員來源 | 《中小學數(shù)字化教學》（10月刊）
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