科學(xué)課程中設(shè)計(jì)STEM活動(dòng)的有效方法
——從工程和技術(shù)的角度審視科學(xué)探究活動(dòng)
信息化時(shí)代的發(fā)展需要大量的工程與技術(shù)人才，因而STEM教育逐漸成為基礎(chǔ)教育階段國(guó)際科學(xué)教育的主流和一門新興的課程，也越來(lái)越受到各國(guó)的關(guān)注和重視。但在我國(guó)目前的小學(xué)教育中，小學(xué)生的基本科學(xué)素養(yǎng)得到了一定的培養(yǎng)，但技術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)卻并沒(méi)有得到足夠的重視，STEM教育的開(kāi)展更是少之又少[1]。為了提高國(guó)家未來(lái)的創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)力，在小學(xué)階段開(kāi)展相關(guān)技術(shù)和工程教育的啟蒙已迫在眉睫。
縱觀小學(xué)科學(xué)課程，我們不難發(fā)現(xiàn)，幾乎少有科學(xué)活動(dòng)關(guān)注學(xué)生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)。雖然存在一些技術(shù)類的實(shí)踐活動(dòng)，但由于缺少統(tǒng)一的教材和承載STEM教育的平臺(tái)，科學(xué)課程的真正實(shí)施往往和STEM教育關(guān)聯(lián)甚少。通過(guò)結(jié)合現(xiàn)有的科學(xué)課程，開(kāi)發(fā)綜合性的STEM課程，是提升學(xué)生STEM素養(yǎng)的有效途徑。因此，小學(xué)階段的科學(xué)教育中，一方面可以從工程和技術(shù)的角度出發(fā)，結(jié)合相應(yīng)的科學(xué)概念設(shè)計(jì)STEM活動(dòng)；另一方面，也可采取將科學(xué)探究活動(dòng)轉(zhuǎn)化為STEM活動(dòng)的形式。這樣，不僅符合科學(xué)教育的原則，又能綜合STEM的各個(gè)領(lǐng)域。
根據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)探究活動(dòng)，該怎樣設(shè)計(jì)STEM活動(dòng)呢？要解決這個(gè)問(wèn)題，有必要先找出小學(xué)階段科學(xué)探究活動(dòng)、工程與技術(shù)活動(dòng)之間的交集，并分析現(xiàn)有的科學(xué)探究活動(dòng)缺乏的是工程與技術(shù)方面的哪些元素，這樣，就不難理解如何從工程和技術(shù)的角度設(shè)計(jì)科學(xué)探究活動(dòng)了。鑒于此，本文首先分析了科學(xué)探究活動(dòng)、工程與技術(shù)活動(dòng)的聯(lián)系與區(qū)別，隨后試圖闡述如何設(shè)計(jì)科學(xué)課程中的STEM活動(dòng)，以及設(shè)計(jì)過(guò)程中有哪些要求。由于大多數(shù)科學(xué)與工程技術(shù)活動(dòng)均涉及數(shù)學(xué)，本文中未提及如何融入數(shù)學(xué)。
科學(xué)探究活動(dòng)、工程與技術(shù)活動(dòng)的聯(lián)系與區(qū)別
科學(xué)在于認(rèn)識(shí)世界，解釋自然界的客觀規(guī)律，而技術(shù)和工程則是在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上，改造世界，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然界的控制和利用，解決社會(huì)發(fā)展過(guò)程中遇到的難題[2]?？茖W(xué)與工程、技術(shù)都嘗試使用最合適的方法和工具來(lái)完成任務(wù)，它們都是創(chuàng)造性的過(guò)程，都不止使用一種方法，都具有重復(fù)性和系統(tǒng)性。
正是由于科學(xué)與工程、技術(shù)之間的這些異同，在目的和任務(wù)、形式、研究方式、成果、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以及與數(shù)學(xué)的聯(lián)系等方面，科學(xué)探究活動(dòng)與工程技術(shù)活動(dòng)既存在一定的聯(lián)系，又有所不同。下文的闡述主要依據(jù)2012年美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)（NRC）頒布的《K—12年級(jí)科學(xué)教育框架》[3]。
目的和任務(wù)上差異較大
科學(xué)探究活動(dòng)是為了解釋關(guān)于某個(gè)現(xiàn)象的問(wèn)題，例如“天空為什么是藍(lán)色的”或“為什么杯子里的熱水會(huì)變涼”，學(xué)生的主要任務(wù)在于認(rèn)識(shí)和解釋科學(xué)概念；工程與技術(shù)活動(dòng)則是解決一個(gè)由困難、需要或期望所引發(fā)的問(wèn)題。例如“如何用LED燈設(shè)計(jì)一個(gè)有用的工具”或“怎樣讓房屋更保暖”，學(xué)生的任務(wù)是明確一個(gè)成功的方案應(yīng)當(dāng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)和面臨的限制，并在理解科學(xué)概念的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的利用，解決遇到的問(wèn)題。
計(jì)劃并開(kāi)展實(shí)踐是二者的共同形式
科學(xué)探究活動(dòng)中，學(xué)生需要明確應(yīng)記錄什么，如果可以，還需要明確因變量和自變量分別是什么（變量的控制）；像科學(xué)探究活動(dòng)一樣，工程與技術(shù)活動(dòng)中學(xué)生必須確定相關(guān)變量，決定怎樣測(cè)量變量，并采集分析所需的數(shù)據(jù)。因而計(jì)劃并開(kāi)展實(shí)踐是二者的共同形式。
研究方式上都需要用到模型、推理和辯論，都以實(shí)證為基礎(chǔ)
科學(xué)探究活動(dòng)、工程與技術(shù)活動(dòng)都要用到模型和推理、辯論等。在科學(xué)中，使用模型使得超越可見(jiàn)范圍、想象一個(gè)尚未看到的世界成為可能，而推理和辯論是識(shí)別一系列推論的優(yōu)點(diǎn)與不足，以及找出自然現(xiàn)象的最佳解釋的基礎(chǔ)；工程上使用模型來(lái)分析現(xiàn)有體系以尋找哪里可能存在缺陷，或測(cè)試新問(wèn)題的可能的解決方案，而推理和辯論是找出一個(gè)問(wèn)題的最佳可能解決方案的基礎(chǔ)。
由于目的和任務(wù)不同，其成果也不同
科學(xué)探究活動(dòng)的成果主要是在活動(dòng)中觀察和收集到一些數(shù)據(jù)，被用來(lái)檢驗(yàn)現(xiàn)有的理論和解釋，或修正并發(fā)展新的理論和解釋；而工程與技術(shù)活動(dòng)的成果則是在多個(gè)研究方面之間尋求平衡，提出一系列解決方案，并有一個(gè)最優(yōu)之選。所獲得的用來(lái)明確設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或參數(shù)的必要數(shù)據(jù)能夠檢驗(yàn)他們的設(shè)計(jì)在一系列條件下的效果、效率和持久性。
在不同的目的和任務(wù)下，對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)有所不同
科學(xué)探究活動(dòng)中對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括：學(xué)生能夠結(jié)合他們當(dāng)前對(duì)科學(xué)或科學(xué)模型的理解，對(duì)某一現(xiàn)象建構(gòu)邏輯上連貫的解釋，并且這種解釋應(yīng)當(dāng)與可取得的證據(jù)保持一致；學(xué)生必須能夠清晰而令人信服地傳達(dá)他們的發(fā)現(xiàn)，并能了解他人的發(fā)現(xiàn)；學(xué)生能夠通過(guò)口頭和書面方式，使用表格、圖表和公式，與其他學(xué)生一起參與討論，交流觀點(diǎn)和探究的結(jié)果。而工程與技術(shù)活動(dòng)中對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括：學(xué)生的解決方案需要滿足很多方面的標(biāo)準(zhǔn)，諸如預(yù)期功能、技術(shù)可行性、成本、安全性、美感，以及對(duì)法律的遵守；學(xué)生必須清晰而令人信服地交流各自設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)；學(xué)生應(yīng)能夠通過(guò)口頭和書面方式，使用表格、圖表、繪畫或模型，與其他學(xué)生一起參與討論，來(lái)表達(dá)他們的觀點(diǎn)。
二者都與數(shù)學(xué)有密切聯(lián)系
數(shù)學(xué)作為重要的研究工具，對(duì)科學(xué)探究活動(dòng)和工程技術(shù)活動(dòng)來(lái)說(shuō)都是不可缺少的?？茖W(xué)探究活動(dòng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)分析才能呈現(xiàn)意義，數(shù)學(xué)和計(jì)算是表達(dá)物理變量及它們之間關(guān)系的基本工具。它們被用于多種任務(wù)，如統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)、表達(dá)數(shù)量關(guān)系，以及結(jié)合一系列的數(shù)學(xué)工具（包括表格、圖表解析）找出數(shù)據(jù)的重要特征和模式。在工程與技術(shù)活動(dòng)中，從研究和對(duì)其設(shè)計(jì)所進(jìn)行的測(cè)試中所獲得的數(shù)據(jù)，能幫助學(xué)生確定在既定限制下哪種設(shè)計(jì)能最完美地解決問(wèn)題，以及能否在可接受的預(yù)算內(nèi)完成。同時(shí)，用數(shù)學(xué)或計(jì)算方法對(duì)已經(jīng)建立的關(guān)系和原理進(jìn)行表征是整個(gè)設(shè)計(jì)的一個(gè)組成部分。與在科學(xué)探究活動(dòng)中一樣，工程技術(shù)活動(dòng)也需要一系列數(shù)學(xué)工具來(lái)確定主要模式并解釋結(jié)果。
如何設(shè)計(jì)科學(xué)課程中的STEM活動(dòng)
一個(gè)好的STEM活動(dòng)，不僅要有富有吸引力的內(nèi)容，還要體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教育理念和科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的相互碰撞，更應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生綜合解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。因此，STEM活動(dòng)的設(shè)計(jì)并不是簡(jiǎn)單地將科學(xué)與工程、技術(shù)組合起來(lái)，而是要把學(xué)生學(xué)習(xí)到的零碎的知識(shí)與機(jī)械過(guò)程轉(zhuǎn)變成一個(gè)探究世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面。
要吸收工程與技術(shù)活動(dòng)的思路和方法
工程與技術(shù)活動(dòng)的思路和實(shí)施方法大多圍繞相應(yīng)的科學(xué)本質(zhì)，之所以和科學(xué)探究活動(dòng)看似有很大的不同，是因?yàn)榭茖W(xué)探究活動(dòng)源于自然，源于某一現(xiàn)象的問(wèn)題，如“為什么杯子里的熱水會(huì)變涼”，而工程與技術(shù)活動(dòng)源于工程學(xué)中需要解決的某個(gè)難題，如“怎樣讓房子更保暖”，這兩個(gè)活動(dòng)的科學(xué)本質(zhì)都是熱學(xué)中能量的傳遞問(wèn)題，是一條隱形的線索。圍繞這條隱形的線索設(shè)計(jì)STEM活動(dòng)，就可以將科學(xué)與工程技術(shù)有效地結(jié)合在一起。再如，根據(jù)水垢與酸會(huì)發(fā)生反應(yīng)，酸性越強(qiáng)反應(yīng)越快的知識(shí)，可以帶領(lǐng)學(xué)生開(kāi)展“如何盡可能快地去除水壺中水垢”的活動(dòng)；通過(guò)調(diào)查學(xué)習(xí)工廠凈化水的原理，可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡(jiǎn)易凈水器。
要善于發(fā)現(xiàn)身邊的工程與技術(shù)，綜合STEM的多種視角
激發(fā)兒童的好奇心和學(xué)習(xí)積極性是基礎(chǔ)教育課程的共性，STEM活動(dòng)的設(shè)計(jì)也要具有開(kāi)放性。教師需要善于利用身邊任何常見(jiàn)的事物開(kāi)展STEM活動(dòng)，通過(guò)解決問(wèn)題或任務(wù)的方法將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)結(jié)合起來(lái)，如表1中給出的6個(gè)案例。這些案例均來(lái)源于2014年6月舉辦的第5期“做中學(xué)”高級(jí)研修活動(dòng)。
要實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究向STEM的轉(zhuǎn)變，以及科學(xué)、工程與技術(shù)的共同發(fā)展
通過(guò)科學(xué)本質(zhì)這條隱形的線索，科學(xué)探究活動(dòng)可以很容易地轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>STEM活動(dòng)。如“做彈球”（——見(jiàn)本期專題文章《一個(gè)有趣的STEM活動(dòng)實(shí)例：做彈球》）和“巨型肥皂泡”活動(dòng)，如果只是讓學(xué)生做出一個(gè)彈球或配置泡泡液吹出泡泡，僅僅涉及了科學(xué)與技術(shù)；但要求學(xué)生思考方法，如調(diào)整彈球配方或泡泡液配方，使彈球彈得更高或吹出更大的泡泡，就融入了工程，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)STEM活動(dòng)，不僅使活動(dòng)得以深入，也起到了促進(jìn)STEM共同發(fā)展的作用。
類似的可以轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>STEM活動(dòng)的科學(xué)探究活動(dòng)還有很多，如“溫度怎樣影響球的彈跳”可以轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>“如何使球彈得更高”；“水溫怎樣影響泡騰片小火箭的飛行高度”可以轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>“怎樣使泡騰片小火箭飛得更高”。還有其他形式的科學(xué)探究活動(dòng)，如調(diào)查類活動(dòng)“教室外的噪音調(diào)查”，可以轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>“如何降低教室內(nèi)的噪音”；如交流與辯論類活動(dòng)“蒸餾法淡化海水的可能性”，可以轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>“如何快速淡化鹽水”。
由此可見(jiàn)，根據(jù)問(wèn)題和任務(wù)的不同出發(fā)點(diǎn)，融入工程與技術(shù)，依據(jù)其內(nèi)在的科學(xué)原理，科學(xué)探究問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為STEM問(wèn)題。又因?yàn)榻鉀Q工程問(wèn)題時(shí)必然會(huì)涉及到科學(xué)的知識(shí)和原理，所以從工程技術(shù)的角度出發(fā)設(shè)計(jì)的活動(dòng)更容易達(dá)成科學(xué)、工程與技術(shù)的共同發(fā)展。
根據(jù)科學(xué)探究活動(dòng)設(shè)計(jì)STEM活動(dòng)有哪些要求
要注意教學(xué)時(shí)間和教學(xué)內(nèi)容的矛盾
例如，一個(gè)科學(xué)探究活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>STEM活動(dòng)后，涉及的廣度更大，如“溫度怎樣影響球的彈跳”轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>STEM活動(dòng)“如何使球彈得更高”之后，除了溫度之外，增加了很多可考慮的因素，如地面的軟硬程度、球的充氣量、拍打的力度等。如果給學(xué)生的限制條件太多，甚至直接要求學(xué)生探究溫度，將大大減少對(duì)學(xué)生工程技術(shù)素養(yǎng)的鍛煉，最終會(huì)流于形式而效果不佳。但要在1堂課的時(shí)間內(nèi)展開(kāi)這么多因素的探究，在教學(xué)時(shí)間上是不允許的，也無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。
由于STEM活動(dòng)涉及工程學(xué)方面的系統(tǒng)化流程，通?？梢詫?/span>1個(gè)STEM活動(dòng)拆分為幾個(gè)課時(shí)來(lái)開(kāi)展，如用3堂課的時(shí)間分別來(lái)尋找解決方案和展開(kāi)討論，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行調(diào)整，展示與交流等。還有一種方法是給學(xué)生1周或幾周的時(shí)間思考方案或完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)，最后在課堂中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)或展示交流。
科學(xué)教師要提高自身STEM綜合素養(yǎng)
STEM的教學(xué)需要多種知識(shí)（包括自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)等知識(shí)），需要精通科學(xué)方法和工程技術(shù)手段的整合?？茖W(xué)教師不僅要有創(chuàng)造性思維，在遇到設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)還要有設(shè)計(jì)的靈感。只有教師有創(chuàng)造性，學(xué)生才能有創(chuàng)造性。
工程技術(shù)是不斷發(fā)展的，盡管已有許多非師范院校的理工科研究生或本科生充實(shí)到教師隊(duì)伍中，但由于STEM的教學(xué)具有適用面廣、實(shí)施條件靈活等特點(diǎn)，對(duì)科學(xué)教師的能力要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他學(xué)科；STEM課程尚處于探索期，沒(méi)有相關(guān)教材，內(nèi)容沒(méi)有其他學(xué)科成熟；學(xué)生的基礎(chǔ)差別很大，需要教師根據(jù)學(xué)生情況靈活調(diào)整；STEM課程是面向應(yīng)用類的，因此需要經(jīng)常充實(shí)新的內(nèi)容，而大部分內(nèi)容需要科學(xué)教師通過(guò)自學(xué)或者繼續(xù)教育完成[4]。
要打破學(xué)科界限和內(nèi)容限制
目前的科學(xué)課程和科學(xué)教材中的每個(gè)單元都對(duì)應(yīng)于一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，如物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域、生命科學(xué)領(lǐng)域等。教師容易受到學(xué)科界限和學(xué)科內(nèi)容的限制，進(jìn)行STEM活動(dòng)的設(shè)計(jì)時(shí)容易受到思維的制約。
打破學(xué)科界限往往能取得更好的效果，如“制作1朵花”的活動(dòng)，屬于生命科學(xué)領(lǐng)域，但如果將其改為“制作1朵能自動(dòng)打開(kāi)的花”，就融入了物質(zhì)領(lǐng)域中的“力與運(yùn)動(dòng)”，增加了工程設(shè)計(jì)的比重。隨著世界各國(guó)對(duì)“工程設(shè)計(jì)”的強(qiáng)調(diào)[5]，科學(xué)教師應(yīng)當(dāng)著重開(kāi)發(fā)一些設(shè)計(jì)類的STEM活動(dòng)，如利用LED燈設(shè)計(jì)一種實(shí)用的工具、設(shè)計(jì)一輛動(dòng)力小車等。這樣不僅能融合科學(xué)、工程與技術(shù)，更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。
總 結(jié)
融入工程與技術(shù)是豐富現(xiàn)有科學(xué)探究活動(dòng)的有效策略，是提高學(xué)生STEM素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)深層次學(xué)習(xí)、理解性學(xué)習(xí)的重要方式。我們應(yīng)盡快將STEM教育引入科學(xué)課堂。只要了解科學(xué)探究活動(dòng)、工程與技術(shù)活動(dòng)，以及它們之間的關(guān)系，就一定能設(shè)計(jì)出精彩的STEM活動(dòng)。教師們只有不斷探索、不斷實(shí)踐，在課堂中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，才能開(kāi)發(fā)出更多基于科學(xué)探究、可行和有效的STEM課程。
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