STEM課程設(shè)計以跨學(xué)科、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計性、藝術(shù)性、實證性和技術(shù)增強(qiáng)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(shè)計為例進(jìn)行了說明，一起來看。如何進(jìn)行跨學(xué)科融合的STEM課程設(shè)計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踐。但隨著探索的不斷深入，諸如課程如何設(shè)計、課時如何設(shè)置、學(xué)科之間如何進(jìn)行交叉教研等問題也相繼出現(xiàn)。其中，尤以如何進(jìn)行有效的STEM課程設(shè)計最為突出。STEM課程設(shè)計以跨學(xué)科、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計性、藝術(shù)性、實證性和技術(shù)增強(qiáng)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(jìn)行了大量探索，現(xiàn)以“我們用上了自來水”課程設(shè)計為例進(jìn)行說明。很多教師在設(shè)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(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)，但是對于課程所涉及的科學(xué)原理及技能的學(xué)習(xí)，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(xué)校排斥的原因。本課程設(shè)計力求結(jié)合學(xué)生身邊的現(xiàn)象或?qū)嵨?，通過巧妙的教學(xué)設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生利用項目式學(xué)習(xí)、小組合作、做中學(xué)的方式，建構(gòu)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(xué)生的同理心。學(xué)生在助人為樂的內(nèi)在動機(jī)驅(qū)使下，完成四個遞進(jìn)式任務(wù)，在解決問題的同時，習(xí)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(xué)后，還得幫爺爺、奶奶到村里的供水點運(yùn)水回家。怎樣幫助這些同齡人用上方便的自來水，隨手?jǐn)Q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(shè)計了四個遞進(jìn)式任務(wù)。任務(wù)一，通過小組討論、動手實踐找到建造自來水的科學(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、高度等問題。任務(wù)涉及的科學(xué)知識（S）是液體的壓強(qiáng)以及連通器原理。任務(wù)的成果是學(xué)生能搭建出簡易的供水裝置，能利用所學(xué)到的科學(xué)知識研究濟(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(guān)知識。任務(wù)二，通過握蛋實驗，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(wù)涉及的科學(xué)知識（S）是薄殼原理，數(shù)學(xué)知識（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)的知識分析生活中的薄殼建筑，能用所學(xué)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(wù)三，通過Scratch圖形化編程使學(xué)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(xué)知識（M）是外角、極限理論、數(shù)學(xué)建模。技術(shù)知識（T）是利用數(shù)學(xué)運(yùn)算、重復(fù)執(zhí)行來編寫程序。任務(wù)成果是通過對數(shù)學(xué)、技術(shù)知識的綜合運(yùn)用，編寫出可以繪制任意正多邊形的程序。任務(wù)四，通過解決一個在程序設(shè)計過程中的生成性問題“圓出界”，讓學(xué)生體驗探索周長與直徑關(guān)系的過程。涉及的數(shù)學(xué)知識（M）有坐標(biāo)系、圓的周長、圓的直徑、圓周率；工程知識（E）是問題轉(zhuǎn)換法和試錯法；技術(shù)知識（T）是程序調(diào)試。任務(wù)成果是學(xué)生體驗了“探索圓周長與圓直徑關(guān)系”的思維過程，能利用所學(xué)數(shù)學(xué)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(xué)生的不同知識結(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(biāo)，確定項目方案，探討項目可能用到的科學(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)實驗，再在總結(jié)環(huán)節(jié)歸納與對比科學(xué)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(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)行實驗，通過實驗完成項目目標(biāo)。在此環(huán)節(jié)中，學(xué)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(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，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(jié)項目實施過程中的收獲，驗證科學(xué)原理并內(nèi)化。學(xué)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(xué)原理——連通器原理，需要教師系統(tǒng)地講解，并通過液體壓強(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)原理對生活現(xiàn)象或科學(xué)發(fā)明進(jìn)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(xué)生撰寫STEM小論文。師（問題情境）：在上一個任務(wù)中，大家為山區(qū)的同學(xué)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(xué)生用實驗圍裙、計算機(jī)。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(xué)用手把它握碎……這一任務(wù)學(xué)生對學(xué)生的原有認(rèn)知提出了挑戰(zhàn)。幾乎沒有學(xué)生把一枚雞蛋放在眼里，但當(dāng)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(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(jié)構(gòu)的特點，設(shè)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(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，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，教師通過用Scratch設(shè)計的等周定理驗證程序，與學(xué)生一起輸入不同邊數(shù)，構(gòu)建多邊形水塔。學(xué)生會發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(xué)原理）方面的考慮。在此過程中，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(jī)、Scratch編程軟件，讓學(xué)生利用吸管將他們的想法實現(xiàn)出來。在此任務(wù)中，學(xué)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(xué)生逐步體會到“當(dāng)吸管越短，邊數(shù)越多，擺出的正多邊形越接近圓”。在動手操作的過程中，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(shù)的優(yōu)勢，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。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)生利用計算機(jī)進(jìn)行編程驗證。在驗證過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)了“變量”“重復(fù)執(zhí)行”等Scratch編程知識。在此過程中，學(xué)生還通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)我國古代數(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（問題情境）：在上個任務(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(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舞臺的坐標(biāo)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(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“試錯法”進(jìn)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(guān)系。各小組再利用“問題轉(zhuǎn)換法”進(jìn)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(yīng)用上面兩種方法，學(xué)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(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“試錯法”和“問題轉(zhuǎn)換法”時思維方式的不同。最后，學(xué)生根據(jù)所學(xué)的數(shù)學(xué)原理求解現(xiàn)實問題：為了滿足全村人自來水的正常供應(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，請計算需要多少塊磚。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(jìn)行STEM教學(xué)的實踐。在此過程中，我們對STEM課程設(shè)計形成了以下思考。第一，STEM最早產(chǎn)生是源于美國應(yīng)對學(xué)習(xí)理工科的學(xué)生不斷減少的局面。美國國家科學(xué)委員會在《本科科學(xué)、數(shù)學(xué)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(xué)的理解領(lǐng)域沒有切合最新的發(fā)展。所有這些將會導(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)無法吸引所需要的有質(zhì)量的學(xué)生……這對美國的經(jīng)濟(jì)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(shè)計課程時一定要時刻圍繞著“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)的動力”來設(shè)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(yùn)含著大量的多學(xué)科融合的知識，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€全新的角度與維度，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行基于人類已有STEM教育精神財富的再學(xué)習(xí)和再創(chuàng)作，對學(xué)生的學(xué)科知識體系建構(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，提倡通過項目式學(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)過幾百年的錘煉與檢驗，分科教學(xué)能為STEM教育提供更為堅實的學(xué)科知識基礎(chǔ)，通過STEM的多學(xué)科解決實際問題的應(yīng)用，又為對學(xué)生的分科教學(xué)提供了實踐的出口。基于項目解決的跨學(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。教師要不斷充實自己的學(xué)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(xùn)時，筆者曾經(jīng)問過參與培訓(xùn)的教師如何測量一枚硬幣周長的問題，結(jié)果能夠回答者寥寥無幾，而這一知識是大家早已在中小學(xué)學(xué)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(gòu)建了適合的STEM課程設(shè)計樣式，并在所在區(qū)域進(jìn)行了教育實踐。此課程設(shè)計能激發(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)教研員來源 | 《中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)》（10月刊）
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