例談STEM教育在小學(xué)推進(jìn)的兩種有效模式

蔣波

【摘要】STEM教育是近年來(lái)非常流行的一種教育理念，它起源于美國(guó)，其核心概念是融合如科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科的知識(shí)來(lái)解決生活中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題。STEM理念的提出非常具有時(shí)代特征，在當(dāng)今技術(shù)為王的人工智能時(shí)代，我們?nèi)绾卧谠械慕虒W(xué)體系不變的情況下，在小學(xué)教育中浸透STEM教育理念，并使這種理念真正地在小學(xué)教學(xué)中落地生根，培養(yǎng)具備多學(xué)科融合思想的新時(shí)代的小學(xué)生，這需要思索，需要實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】STEM教育 學(xué)科融合 模式

小學(xué)階段的學(xué)生，由于其知識(shí)水平不高，認(rèn)知能力有限，所以如果盲目地推進(jìn)STEM教育，可能會(huì)事與愿違。筆者經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，可以在小學(xué)STEM教育中應(yīng)用這樣兩種模式：一種是偏重探究的STEM教育模式，一種是偏重創(chuàng)新與造物的STEM教育模式。

一、偏重于探究與多學(xué)科融合的STEM教育模式

小學(xué)科學(xué)課是STEM教育在小學(xué)推進(jìn)的一個(gè)重要陣地，而小學(xué)科學(xué)課的核心就是探究。探究的一般步驟可分為：發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出假設(shè)、收集證據(jù)、分析數(shù)據(jù)、做出解釋、分析改進(jìn)。這正是STEM理念所倡導(dǎo)的，運(yùn)用多學(xué)科的知識(shí)解決生活中的問(wèn)題。兩者相遇，精彩不斷。

案例1 “制作萬(wàn)花筒”

蘇教版小學(xué)科學(xué)五年級(jí)《照鏡子》一課中有制作萬(wàn)花筒的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。A教師按照書中配的圖片，找了一套網(wǎng)上的萬(wàn)花筒套件，讓學(xué)生動(dòng)手完成這樣的環(huán)節(jié)。另一位B教師為了讓學(xué)生深刻了解萬(wàn)花筒原理，融合了科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)、藝術(shù)手段進(jìn)行了如下創(chuàng)新改進(jìn)。導(dǎo)入環(huán)節(jié)，先讓學(xué)生觀察萬(wàn)花筒里的圖案，并畫出形狀。畫出形狀后，教師提問(wèn)：這些形狀有什么特點(diǎn)？生：都是一些圖形的重復(fù)，這些圖形都是對(duì)稱的。數(shù)學(xué)教師上場(chǎng)，開(kāi)始就這些圖案的特點(diǎn)，介紹“對(duì)稱”的概念，讓學(xué)生體驗(yàn)對(duì)稱之美。接著科學(xué)教師提出：為什么會(huì)產(chǎn)生這些形狀？可能與什么有關(guān)？在學(xué)生經(jīng)過(guò)一番討論后，勞技教師開(kāi)始出場(chǎng)，跟學(xué)生一起動(dòng)手制作萬(wàn)花筒。經(jīng)過(guò)一番動(dòng)手，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)可能與里面的鏡子有關(guān)，科學(xué)教師順勢(shì)對(duì)平面鏡的特點(diǎn)進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)研究，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)平面鏡可以成像，平面鏡可以反射光線。接著科學(xué)教師給出一個(gè)有一定夾角的兩面鏡子，在兩面鏡子中間放上一個(gè)紅色的小球，并提出問(wèn)題：怎么讓鏡子里的小球最多？你們打算怎么做？學(xué)生們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，發(fā)現(xiàn)鏡面夾角越小，鏡子里的小球越多。為了讓所有的學(xué)生看到自己小組成的像，信息技術(shù)教師上場(chǎng)給每組學(xué)生發(fā)放一個(gè)平板電腦，并教會(huì)學(xué)生如何與視頻系統(tǒng)相連。于是課堂熱鬧起來(lái)了，各小組的學(xué)生都將自己的發(fā)現(xiàn)在大屏上直播、展示。隨著技術(shù)的引入，整堂課鮮活起來(lái)，效果也明顯了許多。此時(shí)數(shù)學(xué)教師上場(chǎng)，繼續(xù)提出問(wèn)題：如果我們給夾角設(shè)定為30度，60度，90度、120度，鏡子里會(huì)成幾個(gè)像呢？學(xué)生與教師又開(kāi)始了定量的討論。

案例分析：A教師完全按照書中的要求完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生制作也按部就班，看上去沒(méi)有任何問(wèn)題。B教師沒(méi)有簡(jiǎn)單地為了制作而制作，而是運(yùn)用先進(jìn)的STEM理念，采用多學(xué)科融合的方式，將制作萬(wàn)花筒這一環(huán)節(jié)深入有效地開(kāi)展下去。學(xué)生在多學(xué)科的融合中，感受到新理念的浸潤(rùn)，獲得科學(xué)素養(yǎng)的提升。

案例2 “手搖風(fēng)扇的智能演變”

蘇教版小學(xué)科學(xué)四年級(jí)《齒輪傳動(dòng)》一課中有關(guān)于齒輪傳動(dòng)的探究活動(dòng)。有位教師拋棄了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而是將工程、技術(shù)、科學(xué)融合。首先他將這節(jié)課的題目定為“手搖風(fēng)扇的智能演變”，然后出示情境，炎炎夏日，學(xué)校沒(méi)有空調(diào)，班級(jí)的吊扇又不能隨時(shí)吹到，怎么辦？引出今天要研究的主角，手搖風(fēng)扇。教師給出關(guān)于風(fēng)扇的電子資料，學(xué)生們利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，了解風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)。接著，教師拋出一個(gè)話題：如果要做一個(gè)手搖風(fēng)扇，我們應(yīng)該怎樣做？需要什么材料？學(xué)生們開(kāi)始利用網(wǎng)絡(luò)搜索相關(guān)的知識(shí)，然后進(jìn)行小組討論。生：需要用到齒輪、各種結(jié)構(gòu)件等。教師順勢(shì)給出一大包結(jié)構(gòu)件：你們來(lái)試著搭建模型吧。學(xué)生立即利用工程學(xué)原理搭建。開(kāi)始有的小組遇到了許多難題，但教師并沒(méi)有介入，而是任其發(fā)展。接著教師讓學(xué)生們一組一組展示，發(fā)現(xiàn)所有的小組都不能成功，教師在學(xué)生操作失敗的基礎(chǔ)上，讓他們進(jìn)行分析，找出問(wèn)題所在，齒輪的選擇，咬合的位置，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行再設(shè)計(jì)。通過(guò)幾輪反復(fù)測(cè)試，學(xué)生們終于搭建好了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，并能使小齒輪帶動(dòng)大齒輪，手搖風(fēng)扇成形了，學(xué)生們都感到非常的開(kāi)心。在工程學(xué)基礎(chǔ)上，教師提出問(wèn)題：要使大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，小齒輪需要轉(zhuǎn)動(dòng)多少圈？學(xué)生又在教師的帶領(lǐng)下開(kāi)始探究加速齒輪和減速齒輪。教師繼續(xù)提出問(wèn)題：如果我們不想用手搖，只要人靠近，風(fēng)扇就可以轉(zhuǎn)動(dòng)呢？學(xué)生在教師的帶領(lǐng)下開(kāi)始熟悉超聲波傳感器的應(yīng)用，然后利用圖形化編程進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，最終學(xué)生在科學(xué)、技術(shù)、工程以及開(kāi)源硬件的幫助下終于完成了一個(gè)智能風(fēng)扇的制作。

案例分析：同樣一節(jié)講授齒輪傳動(dòng)的課，如果在科學(xué)探究的基礎(chǔ)上融合工程學(xué)、信息技術(shù)學(xué)，就會(huì)創(chuàng)造出一種完全不同的實(shí)驗(yàn)課堂。

二、偏重于創(chuàng)新與造物的STEM教育模式

STEM教育的核心是解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，除了在小學(xué)科學(xué)課中普及多學(xué)科融合的理念之外，我們還可以利用“社團(tuán)+”的時(shí)間進(jìn)行偏重于創(chuàng)新與造物的STEM模式的開(kāi)展。這種模式的核心是在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，真正地運(yùn)用數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)等一系列的知識(shí)，并使用許多工具，如3D打印、激光切割、開(kāi)源硬件等，造出解決問(wèn)題的物品。

案例1 “提高洗手液使用率的研究”

在“提高洗手液使用率的研究”中，小創(chuàng)客們發(fā)現(xiàn)洗手液使用經(jīng)常浪費(fèi)，消耗很大，從而發(fā)明了“按壓式取液器流量調(diào)節(jié)裝置”。

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：我們學(xué)校在每個(gè)廁所中都安放了免費(fèi)洗手液供同學(xué)們使用，在使用過(guò)程中小創(chuàng)客們發(fā)現(xiàn)有個(gè)別同學(xué)經(jīng)常用力按壓，導(dǎo)致洗手液浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。

研究問(wèn)題：針對(duì)洗手液浪費(fèi)這種情況，他們想到要開(kāi)發(fā)一種可以調(diào)節(jié)按壓取液流量的裝置：使用者可以根據(jù)每次用量所需調(diào)節(jié)按壓取液量，從而達(dá)到干凈整潔又環(huán)保節(jié)約的洗滌效果。

設(shè)計(jì)方案并制作：小創(chuàng)客們?cè)谠械陌磯喝∫鹤斓幕A(chǔ)上，增加一圈限位環(huán)，使取液嘴在不同的方向按壓的行程不等，從而得到不同的洗滌劑量。

（1）為了使取液嘴在按動(dòng)過(guò)程中精確控制行程，我們給原有的行程（取液嘴初始位置和容器蓋之間）增加一個(gè)限位環(huán)。

（2）取液嘴在相應(yīng)的限位環(huán)方向可以得到相應(yīng)的按動(dòng)行程，從而得到相應(yīng)的取液量。

（3）在不需要用的時(shí)候可以將取液嘴撥到最高限位（0擋），防止失誤操作。

通過(guò)STEM小課題的研究，小創(chuàng)客們通過(guò)設(shè)計(jì)、動(dòng)手制作、反復(fù)試驗(yàn)終于發(fā)明了可以調(diào)節(jié)按壓取液流量的裝置;小發(fā)明被廣泛應(yīng)用到了學(xué)校安放有洗手液的各處，并獲得了國(guó)家發(fā)明專利。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，原本一周就要使用一瓶的洗手液，現(xiàn)在可以延長(zhǎng)到三周了。

案例2 “如何控制吃藥顆數(shù)”

在“如何控制吃藥顆數(shù)”STEM小課題研究中，小創(chuàng)客們發(fā)現(xiàn)老人經(jīng)常吃藥忘記吃了多少，很不方便。于是他們?nèi)诤隙鄬W(xué)科知識(shí)發(fā)明了“藥丸顆粒測(cè)數(shù)器”。

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：學(xué)生韓某某發(fā)現(xiàn)外公的血糖指標(biāo)一直偏高，每天都要定時(shí)定量吃一種丸狀顆粒的藥，于是每次吃藥前他會(huì)幫外公數(shù)藥，久而久之他就感覺(jué)特別麻煩，不是倒多了就是倒少了，后來(lái)他的小創(chuàng)客研究小組成員就想能不能做一個(gè)簡(jiǎn)易的、相當(dāng)于量具的小東西，讓外公每次吃藥時(shí)不再很麻煩地?cái)?shù)藥丸了。

研究問(wèn)題：在生活中像這種丸狀顆粒的藥很多，如香砂養(yǎng)胃丸、補(bǔ)中益氣丸、健脾丸等中成藥，每次在吃前數(shù)藥非常麻煩，所以做一種藥丸顆粒測(cè)數(shù)器就很有必要了。

完成作品：藥丸顆粒測(cè)數(shù)器是用一個(gè)舊的原配藥瓶蓋、一段喝鮮奶的塑料管和一小塊塑料薄片組成。在藥瓶蓋中間開(kāi)一個(gè)與塑料管一樣大的孔，將塑料管插入孔中并用膠布與藥瓶蓋固定，再在藥瓶蓋側(cè)壁貼著蓋內(nèi)頂處開(kāi)一個(gè)半圓大的薄槽，能正好插入塑料薄片即可。取藥時(shí)，將藥瓶蓋換上“藥丸顆粒測(cè)數(shù)器”，用手堵住塑料管出口，將藥瓶倒置，藥丸顆粒就會(huì)順勢(shì)進(jìn)入塑料管，因?yàn)樗芰瞎艿拈L(zhǎng)度是與定量藥丸顆粒數(shù)量相吻合的，這時(shí)進(jìn)入塑料管的藥丸顆粒就剛剛好，再將塑料薄片插入藥瓶蓋，留在塑料管內(nèi)的藥丸顆粒就可以倒出來(lái)吃了，最后再換上新的原配藥瓶蓋，取藥的過(guò)程就結(jié)束了。

通過(guò)STEM小課題的研究，結(jié)合數(shù)學(xué)、工程等多學(xué)科知識(shí)，小創(chuàng)客們發(fā)明的藥丸顆粒測(cè)數(shù)器的優(yōu)勢(shì)就在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、顆粒數(shù)調(diào)整方便、實(shí)施簡(jiǎn)易可行、操作輕松，讓取藥丸的過(guò)程變得簡(jiǎn)單方便。

通過(guò)以上兩種模式的實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)STEM 教育其實(shí)并不是遙不可及，也不是全用廠商生產(chǎn)的套裝積木的簡(jiǎn)單搭建，而是要使這種理念與我們的教學(xué)相遇，與真實(shí)問(wèn)題相遇，只有進(jìn)入課程，STEM教育才能真正有生命，才能真正落地生根，才能培養(yǎng)出適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的新型人才。

【參考文獻(xiàn)】

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