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STEM課程設(shè)計(jì)以跨學(xué)科、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計(jì)性、藝術(shù)性、實(shí)證性和技術(shù)增強(qiáng)性為核心特征。那么，在實(shí)踐中如何體現(xiàn)這9個(gè)核心特征？本文以具體的課程設(shè)計(jì)為例進(jìn)行了說(shuō)明，一起來(lái)看。如何進(jìn)行跨學(xué)科融合的STEM課程設(shè)計(jì)——以“我們用上了自來(lái)水”課程設(shè)計(jì)為例STEM教育的核心理念是促進(jìn)多學(xué)科融合，培養(yǎng)創(chuàng)新人才，其跨學(xué)科整合的新型學(xué)習(xí)方式深受教師歡迎，廣大教師認(rèn)真研究STEM教育理念并積極開展實(shí)踐。但隨著探索的不斷深入，諸如課程如何設(shè)計(jì)、課時(shí)如何設(shè)置、學(xué)科之間如何進(jìn)行交叉教研等問(wèn)題也相繼出現(xiàn)。其中，尤以如何進(jìn)行有效的STEM課程設(shè)計(jì)最為突出。STEM課程設(shè)計(jì)以跨學(xué)科、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計(jì)性、藝術(shù)性、實(shí)證性和技術(shù)增強(qiáng)性為核心特征，那么如何在實(shí)踐中體現(xiàn)上述九個(gè)核心特征？筆者所在的項(xiàng)目組對(duì)此進(jìn)行了大量探索，現(xiàn)以“我們用上了自來(lái)水”課程設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明。很多教師在設(shè)計(jì)STEM課程時(shí)，總是困惑于課程素材的來(lái)源，不少教師因此追求較為前沿的課題。這樣一來(lái)，課程雖然轟轟烈烈地開展了，后期也會(huì)進(jìn)行“高大上”的作品展示，但是這些課程往往集中于基礎(chǔ)較好的學(xué)生，大多數(shù)學(xué)生不能真正從STEM教育中獲益。此外，學(xué)生雖然完成了課程任務(wù)，但是對(duì)于課程所涉及的科學(xué)原理及技能的學(xué)習(xí)，并沒(méi)有比傳統(tǒng)課堂更為扎實(shí)。這也是STEM教育在推廣過(guò)程中受部分學(xué)校排斥的原因。本課程設(shè)計(jì)力求結(jié)合學(xué)生身邊的現(xiàn)象或?qū)嵨?，通過(guò)巧妙的教學(xué)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生利用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、小組合作、做中學(xué)的方式，建構(gòu)知識(shí)與技能。教師通過(guò)“幫助留守兒童用上自來(lái)水”這一真實(shí)問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的同理心。學(xué)生在助人為樂(lè)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)驅(qū)使下，完成四個(gè)遞進(jìn)式任務(wù)，在解決問(wèn)題的同時(shí)，習(xí)得解決問(wèn)題的方法，獲得能力與素養(yǎng)的提升。 二、課程情境、任務(wù)與設(shè)計(jì) 問(wèn)題情境：在我國(guó)山區(qū)農(nóng)村中，留守兒童家庭用水不方便。孩子們放學(xué)后，還得幫爺爺、奶奶到村里的供水點(diǎn)運(yùn)水回家。怎樣幫助這些同齡人用上方便的自來(lái)水，隨手?jǐn)Q開水龍頭，清澈的自來(lái)水就會(huì)“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(shí)問(wèn)題，該課程共設(shè)計(jì)了四個(gè)遞進(jìn)式任務(wù)。任務(wù)一，通過(guò)小組討論、動(dòng)手實(shí)踐找到建造自來(lái)水的科學(xué)原理——連通器原理，并靈活運(yùn)用連通器原理幫助村民確認(rèn)水塔的選址、高度等問(wèn)題。任務(wù)涉及的科學(xué)知識(shí)（S）是液體的壓強(qiáng)以及連通器原理。任務(wù)的成果是學(xué)生能搭建出簡(jiǎn)易的供水裝置，能利用所學(xué)到的科學(xué)知識(shí)研究濟(jì)南趵突泉噴涌的科學(xué)原理，并能提出保持泉水持續(xù)噴涌的建議，能用所學(xué)科學(xué)知識(shí)解釋古羅馬廣場(chǎng)上人造噴泉的原理，并了解古羅馬引水渠的相關(guān)知識(shí)。任務(wù)二，通過(guò)握蛋實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生思考為什么易碎的雞蛋卻不容易被手握碎，并通過(guò)Scratch軟件去模擬探索“在周長(zhǎng)一定時(shí)，哪種形狀的物體面積最大”。任務(wù)涉及的科學(xué)知識(shí)（S）是薄殼原理，數(shù)學(xué)知識(shí)（M）是等周定理。任務(wù)成果是學(xué)生能用寫作的方式記錄課堂上有趣的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，能利用所學(xué)的知識(shí)分析生活中的薄殼建筑，能用所學(xué)知識(shí)解釋為什么大多數(shù)水果的形狀是球形或相近形狀。任務(wù)三，通過(guò)Scratch圖形化編程使學(xué)生明白，為什么長(zhǎng)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(xué)知識(shí)（M）是外角、極限理論、數(shù)學(xué)建模。技術(shù)知識(shí)（T）是利用數(shù)學(xué)運(yùn)算、重復(fù)執(zhí)行來(lái)編寫程序。任務(wù)成果是通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)、技術(shù)知識(shí)的綜合運(yùn)用，編寫出可以繪制任意正多邊形的程序。任務(wù)四，通過(guò)解決一個(gè)在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中的生成性問(wèn)題“圓出界”，讓學(xué)生體驗(yàn)探索周長(zhǎng)與直徑關(guān)系的過(guò)程。涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)（M）有坐標(biāo)系、圓的周長(zhǎng)、圓的直徑、圓周率；工程知識(shí)（E）是問(wèn)題轉(zhuǎn)換法和試錯(cuò)法；技術(shù)知識(shí)（T）是程序調(diào)試。任務(wù)成果是學(xué)生體驗(yàn)了“探索圓周長(zhǎng)與圓直徑關(guān)系”的思維過(guò)程，能利用所學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)解決建造成本中需要多少塊磚的核算問(wèn)題。課程實(shí)施年級(jí)為四年級(jí)至九年級(jí)。教師可根據(jù)學(xué)生的不同知識(shí)結(jié)構(gòu)，按螺旋式上升方式選擇相應(yīng)的任務(wù)進(jìn)行教學(xué)。學(xué)生根據(jù)問(wèn)題情境——如何幫助留守兒童用上方便的自來(lái)水，小組討論項(xiàng)目目標(biāo)，確定項(xiàng)目方案，探討項(xiàng)目可能用到的科學(xué)原理。學(xué)生既可以根據(jù)教師提供的指導(dǎo)方法學(xué)習(xí)該項(xiàng)目所需的科學(xué)原理，也可以先根據(jù)教師提供的工具進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，再在總結(jié)環(huán)節(jié)歸納與對(duì)比科學(xué)原理。教師提供的實(shí)驗(yàn)工具有：吸管、水槽、圓柱形容器、長(zhǎng)方體容器、橡皮管、鐵架臺(tái)、水泵、活塞、止水夾、液體壓強(qiáng)演示器、連通器演示器。學(xué)生根據(jù)探討結(jié)果，選擇合適的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)完成項(xiàng)目目標(biāo)。在此環(huán)節(jié)中，學(xué)生可以利用圓柱體容器、長(zhǎng)方體容器作為蓄水裝置，橡皮管作為供水管道，鐵架臺(tái)可以提升蓄水裝置的高度，從而模擬現(xiàn)實(shí)社會(huì)中的自來(lái)水供水系統(tǒng)。通過(guò)模擬，學(xué)生找到了建造供水系統(tǒng)所用的科學(xué)原理。部分學(xué)生依據(jù)自身生活經(jīng)驗(yàn)，使用虹吸原理供水?；诖?，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(shí)驗(yàn)完成后，師生總結(jié)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的收獲，驗(yàn)證科學(xué)原理并內(nèi)化。學(xué)生雖然通過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(xué)原理——連通器原理，需要教師系統(tǒng)地講解，并通過(guò)液體壓強(qiáng)演示器、連通器演示器，讓學(xué)生知道液體壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)，了解人們是如何在現(xiàn)實(shí)生活中運(yùn)用這些科學(xué)原理的。最后學(xué)生進(jìn)行作品展示，并嘗試運(yùn)用所收獲的科學(xué)原理對(duì)生活現(xiàn)象或科學(xué)發(fā)明進(jìn)行解釋。如古羅馬的廣場(chǎng)噴泉原理，趵突泉為什么會(huì)停止噴涌，如何判斷鍋爐內(nèi)的水位等。課后學(xué)生撰寫STEM小論文。師（問(wèn)題情境）：在上一個(gè)任務(wù)中，大家為山區(qū)的同學(xué)完成了儲(chǔ)水裝置的建造，成功地幫助他們用上了自來(lái)水，但大家的儲(chǔ)水裝置形狀不一，有的是圓柱體，有的是長(zhǎng)方體……請(qǐng)大家討論一下，什么形狀的儲(chǔ)水裝置更合理。小組討論后，教師出示本次實(shí)驗(yàn)的工具：雞蛋、一次性手套、學(xué)生用實(shí)驗(yàn)圍裙、計(jì)算機(jī)。師（實(shí)驗(yàn)探究）：老師今天帶來(lái)了幾個(gè)雞蛋，我想請(qǐng)?jiān)蹅儼嗔庾畲蟮耐瑢W(xué)用手把它握碎……這一任務(wù)學(xué)生對(duì)學(xué)生的原有認(rèn)知提出了挑戰(zhàn)。幾乎沒(méi)有學(xué)生把一枚雞蛋放在眼里，但當(dāng)班級(jí)里力氣最大的“大力士”面對(duì)這枚小小的雞蛋也無(wú)可奈何時(shí)，學(xué)生被薄薄的雞蛋殼所蘊(yùn)藏的巨大力量所震撼，這激起了他們繼續(xù)探索科學(xué)知識(shí)的興趣與動(dòng)力。師（原理介紹）：雞蛋殼能承受這么大的壓力，是因?yàn)樗軌虬咽艿降膲毫鶆虻胤稚⒌降皻さ母鱾€(gè)部分。建筑師根據(jù)這種薄殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了許多既輕便又省料的建筑物。人民大會(huì)堂、北京火車站等很多著名建筑，屋頂都采用了這種薄殼結(jié)構(gòu)。同樣，我們的蓄水裝置為了承受更大的水壓，也應(yīng)該利用薄殼原理進(jìn)行建造。接下來(lái)，師生就水塔選擇圓柱體的數(shù)學(xué)原因——等周定理又進(jìn)行探究。該環(huán)節(jié)中，教師通過(guò)用Scratch設(shè)計(jì)的等周定理驗(yàn)證程序，與學(xué)生一起輸入不同邊數(shù)，構(gòu)建多邊形水塔。學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)周長(zhǎng)是一個(gè)定值時(shí)，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(xué)原理）方面的考慮。在此過(guò)程中，學(xué)生使用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行“薄殼原理”“等周定理”的深入學(xué)習(xí)與探索，并修改之前建造的蓄水裝置。課后，學(xué)生繼續(xù)撰寫STEM小論文。師（問(wèn)題情境）：生活中常見(jiàn)的儲(chǔ)水裝置是水塔，水塔是圓柱狀的，但水塔卻是用長(zhǎng)方體的磚壘成的，方怎么變成了圓呢？教師出示本次實(shí)驗(yàn)的工具：吸管、剪刀、量角器、直尺、A4紙、計(jì)算機(jī)、Scratch編程軟件，讓學(xué)生利用吸管將他們的想法實(shí)現(xiàn)出來(lái)。在此任務(wù)中，學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)把吸管剪短，擺出正多邊形。通過(guò)親自動(dòng)手去擺正多邊形，學(xué)生逐步體會(huì)到“當(dāng)吸管越短，邊數(shù)越多，擺出的正多邊形越接近圓”。在動(dòng)手操作的過(guò)程中，學(xué)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(xué)生沒(méi)辦法擺出真正的圓。此時(shí)，利用編程的方法模擬由正多邊形變圓的過(guò)程，既能體現(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，也幫助學(xué)生更直觀地建立極限理論的數(shù)學(xué)思維模型。學(xué)生分小組介紹實(shí)施過(guò)程中的心得。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行數(shù)學(xué)建模：學(xué)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(xué)關(guān)系（見(jiàn)表1）。學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)猜想出，任意正多邊形的邊數(shù)與旋轉(zhuǎn)度數(shù)之間存在相乘等于360度的數(shù)量關(guān)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(dǎo)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程驗(yàn)證。在驗(yàn)證過(guò)程中，學(xué)生學(xué)習(xí)了“變量”“重復(fù)執(zhí)行”等Scratch編程知識(shí)。在此過(guò)程中，學(xué)生還通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)我國(guó)古代數(shù)學(xué)家劉徽的“割圓術(shù)”、古希臘安提豐的“窮竭法”，了解近代極限理論的雛形。師（問(wèn)題情境）：在上個(gè)任務(wù)中，不少同學(xué)找到了用方磚壘出圓柱狀水塔的方法，但也有同學(xué)遇到了新問(wèn)題，那就是利用Scratch畫圓時(shí)，因?yàn)閷?duì)每次走的步長(zhǎng)（磚長(zhǎng)）把握不準(zhǔn)，畫的圓超出了邊界。這該如何解決呢？學(xué)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(guān)系”“Scratch舞臺(tái)的坐標(biāo)是怎么規(guī)定的”“步長(zhǎng)、邊數(shù)、y軸可能存在一定的數(shù)量關(guān)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(cuò)法”進(jìn)行試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，看能否找到步長(zhǎng)、邊數(shù)、y軸之間可能存在的數(shù)量關(guān)系。各小組再利用“問(wèn)題轉(zhuǎn)換法”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用以得出y軸的下半部其實(shí)是圓的什么，Scratch軟件中“小貓”走一周代表的含義。應(yīng)用上面兩種方法，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到了“步長(zhǎng)乘以邊數(shù)等于y軸下半部三倍”的規(guī)律。這其實(shí)也是我國(guó)古人經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐得出的“周三徑一”的方法。學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)了解“周三徑一”的數(shù)學(xué)方法，小組討論使用“試錯(cuò)法”和“問(wèn)題轉(zhuǎn)換法”時(shí)思維方式的不同。最后，學(xué)生根據(jù)所學(xué)的數(shù)學(xué)原理求解現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：為了滿足全村人自來(lái)水的正常供應(yīng)，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(qǐng)計(jì)算需要多少塊磚。教師布置課后拓展延伸任務(wù)：能否利用Scratch編程設(shè)計(jì)出計(jì)算圓周率和正多邊形面積的程序？我們近年來(lái)一直在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行STEM教學(xué)的實(shí)踐。在此過(guò)程中，我們對(duì)STEM課程設(shè)計(jì)形成了以下思考。第一，STEM最早產(chǎn)生是源于美國(guó)應(yīng)對(duì)學(xué)習(xí)理工科的學(xué)生不斷減少的局面。美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)在《本科科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報(bào)告中指出，“課程內(nèi)容陳舊、缺乏想象、組織凌亂，教和學(xué)的理解領(lǐng)域沒(méi)有切合最新的發(fā)展。所有這些將會(huì)導(dǎo)致更少的學(xué)生選擇科學(xué)和工程類的職業(yè)，某些專業(yè)無(wú)法吸引所需要的有質(zhì)量的學(xué)生……這對(duì)美國(guó)的經(jīng)濟(jì)和安全將會(huì)是致命的傷害”。
由此可見(jiàn)，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(shè)計(jì)課程時(shí)一定要時(shí)刻圍繞著“我的課程是否能激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)的興趣，能否維護(hù)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的動(dòng)力”來(lái)設(shè)計(jì)。第二，STEM課程素材來(lái)源于哪里？我們要意識(shí)到，人類的每個(gè)發(fā)明創(chuàng)造其實(shí)都蘊(yùn)含著大量的多學(xué)科融合的知識(shí)，這些發(fā)明與創(chuàng)造本身就是STEM教育的結(jié)晶。我們?nèi)绻苷驹谝粋€(gè)全新的角度與維度，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行基于人類已有STEM教育精神財(cái)富的再學(xué)習(xí)和再創(chuàng)作，對(duì)學(xué)生的學(xué)科知識(shí)體系建構(gòu)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(xué)科融合的教育方式，提倡通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)加深多學(xué)科的融合，但它并不否定分科教學(xué)。經(jīng)過(guò)幾百年的錘煉與檢驗(yàn)，分科教學(xué)能為STEM教育提供更為堅(jiān)實(shí)的學(xué)科知識(shí)基礎(chǔ)，通過(guò)STEM的多學(xué)科解決實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用，又為對(duì)學(xué)生的分科教學(xué)提供了實(shí)踐的出口?；陧?xiàng)目解決的跨學(xué)科融合的STEM教育與分科教學(xué)正是“學(xué)以致用，用以致學(xué)”的體現(xiàn)。第四，STEM教育對(duì)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(xué)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(shí)自己的學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備，主動(dòng)要求自己向全科教師發(fā)展。在開展STEM教育培訓(xùn)時(shí)，筆者曾經(jīng)問(wèn)過(guò)參與培訓(xùn)的教師如何測(cè)量一枚硬幣周長(zhǎng)的問(wèn)題，結(jié)果能夠回答者寥寥無(wú)幾，而這一知識(shí)是大家早已在中小學(xué)學(xué)過(guò)的知識(shí)?？梢?jiàn)，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(zhǎng)。盡管STEM教育在我國(guó)興起的時(shí)間不長(zhǎng)，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(gòu)建了適合的STEM課程設(shè)計(jì)樣式，并在所在區(qū)域進(jìn)行了教育實(shí)踐。此課程設(shè)計(jì)能激發(fā)學(xué)生的想象力，為學(xué)生提供更廣闊的思維空間，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科解決問(wèn)題及促進(jìn)創(chuàng)新能力的提升。系山東省淄博高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)教育中心信息技術(shù)教研員來(lái)源 | 《中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)》（10月刊）
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