中小学STEM课程的教学设计模式与课堂应用研究

17卷第6期 2018年 6月

Journal of Educational Technology

软件导刊•教育技术

Vol.l7No.6Jun 2018

中小学STEM课程的教学设计模式

与课堂应用研究

伍碧瑶，何仁生，曾健平

(湖南大学物理与微电子科学学院，湖南长沙410082)

摘要：随着创新教育日益推广和普及，培养跨学科思维复合型人才的STEM教育已成为教育界讨 论并实践的热点，分析当前STEM教育的研究和中小学课程实施现状，提出STEM教育的教学设计存 在的问题，构建了中小学STEM课程一般教学设计样式。以深圳市多所中小学实践应用为例，通过创意 分组分工、问题情境设计、跨学科教学内容设计、项目式学R、作品展示与评价五个环节开展STEM教学 活动，完成基于主题项目的课程教学任务，取得积极效果。

关键词STEM教育；问题情境；跨学科；教学设计中图分类号：$434

文献标识码：A

文章编号！672-7800(2018)06-0016-0!

〇引言

数字化时代的到来，社会对学生的知识和能力的要求 也发生了转变，推崇培养善于质疑、勇于实践、敢于创新的

人才，强调在真实情境中解决实际问题。STEM教育正逐 步在全球普及推广，多个国家都发布了 STEM教育发展规 划，我国教育部也在《关于“十三五”期间全面深入推进教育 信息化工作的指导意见（征求意见稿\"中明确提到“有效利 用信息技术推进‘众创空间’建设，探索STEAM教育、创客 教育等新教育模式，使学习者具有较强的信息意识与创新 意识”，其中的“STEAM教育”就是将A(A?艺术）加入 STEM[1]。作为培养具有全面科学素养和创新探究能力人 才的教育新形态，STEM教育将会是21世纪教育事业成功 的关键[2]。

和深度学习。

1.2国内现阶段中小学STEM教育教学设计存在的问题

我国STEM教育的开展尚处于理论到实践的初步转化 阶段，在大量有关STEM的文献基础上，本研究总结了当前 STEM课程在中小学教学实施过程中存在着的较为凸显的 以下问题。1.2. 1 跨学

科融合的误解

我国多数位于一线城市的学校、企业都在积极探索开展 STEM教育，如上海STEM云中心、柴火空间等，但在STEM 课程教学设计中对STEM课程的多学科融合存在本质上的 误解，部分教师为了达到跨学科融合的目标，机械生硬地将 科学、技术、工程与数学等多学科的知识进行混合讲解。而 学生因教师在课堂中灌输的多学科知识理解难度颇高，并处 于浅尝辄止的状态，反而易导致对课程兴趣的缺失。

STEM教育并非将科学、技术、工程和数学四类学科简 单的叠加，而是使其彼此之间进行有效融合，组成一个有机 的整体，并以真实问题解决为任务驱动，在实践中应用知 识、获得知识，培养学生的问题解决能力及复合思维和创新 思维[]。1.2.2

缺乏本土化的教学内容设计

1

STEM教育内涵及教学设计存在的问题

STEM 是科学（Science)、技术（Technology)、工程（En­

1.1 STEM教育的基本内涵

gineering) 、 数学 （ Mathematics) 四 个单词 的缩写 ，强 调多学 科的交叉融合[]。旨在提升学生解决实际问题的综合能力 和发散创新的思维能力，促进学生进行协作学习、混合学习

目前我国试行的STEM教育的课程，大致分为两种：①

收稿日期！018-03-03

基金项目：湖南省教改课题（湘教通[2011+52号）作者简介！可仁生（I960-)，男，湖南大学物理与微电子科学学院教授，研究方向为现代教育技术和物理学科教学论研究；伍碧瑶（1993-)，

女，湖南大学物理与微电子科学学院学生，研究方向为教学资源开发与教学设计；曾健平（1966-)，男，湖南大学物理与微电子科 学学院副教授、研究生导师，研究方向为电子科学与技术和新工科背景下实验教学体系研究。本文通讯作者为曾健平。

第6期伍碧瑶，何仁生，曾健平：中小学STEM课程的教学设计模式与课堂应用研究•

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从国外购买，照搬和翻译国外STEM企业的课程资源和教 学体系[5]，但国外的课程设置并不适合我国国情，国外一堂

STEM课时长是2 — 3h，而国内最多45min，此外中国学生 从小接受应试教育在动手探索能力方面确实不如国外从小 接受ST EM教育的学生，并且很多知识体系和国内还尚未 很好地衔接，学生在学习过程中无所适从；②由本校的信息 技术教师按照自己的经验直接开发，但缺少系统化的理论 指导，从实施角度而言，效果不佳，未能使学生的各方面能 力得到锻炼。

1.2.3 教学活动设计不合理

目前国内的S T EM课堂仍旧注重静态知识的讲解，学 生实践操作的时间较为匮乏；课题学习周期较长，内容重复 乏味-教师教学缺乏新意，缺少对教学设计的重视，教学活 动枯燥单；学生处于被动的接受状态，积极性较低，很难在 有限的时间内完成作品，实现提高实践操作能力的目标。

从学生健康成长和发展的角度而言，STEM教育的本 质是通过跨学科整合，保护学生的核心素养，即通过这种教 育方式，从小时候就开始重视学生应具备的、能够适应终身 发展和社会发展需要的必备品格和关键能力[]，自幼即可 得到突出发展。因此，STEM教学应更侧重实践教学，设计 丰富多彩的教学活动，注重学生动手动脑能力的培养。1.2.4 教学目标定位和描述错误

在STEM的教学目标中，存在的误区主要体现在以下 两个方面：①学校、家长方面陷人了将STEM学习视为提高 应试成绩途径的误区；②教师在设计课程时目标笼统、泛泛 而谈，总在强调创新能力的培养却未落实到每堂课学生需 要掌握的知识和技能。由于缺少正确目标指弓l，STEM课 堂依然受传统教学影响，教学效果不理想。1.2.5 缺少完善的评价体系

目前国内试行的S T EM教学课程中，由于缺乏相关的 考试机制，教师极少对学生的课堂表现与成果作品给予足 够的关注与评价，仅局限于单向的课后学习报告单，缺乏完 善的评价体系，教师很难得到学生的反馈及评估学生的表 现，使后续教学改进缺少参考的根据，学生也表示不清楚课 程。

2中小学

STEM课程教学设计模式

根据STEM教育的设计理念，笔者深人深圳学校“四点 半”课堂，针对以上问题经过反复试验，设计出了一个基于 问题情境、跨学科的STEM课程的教学设计模式，如图1所示。2.1

教学分析

在设计具体教学活动前，需要进行教学目标、教学内 容、学习者特征分析。教学目标的确定要落实到每一堂课， 分别从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三维目 标作具体描述。分析学习者特征是为了在透析学生学情的 基础上，确保项目设计适合学生的能力与知识水平。教师 对多学科融合所蕴含的知识内容层面深度挖掘，改善了教

图1

STEM课程的教学设计样式

学活动的设计和学习者在活动中的学习质量，实现本土化

的教学 计。2.2问题情境设计

教师在设计STEM教育项目时，一方面要创设能够引 起学生的认知冲突的悬念的真实情境，激发学生强烈的探 索欲和社会责任感，提升学生解决实际问题的综合能力；另 一方面学生可以发散思维提出自己独特的想法和解决方 案，不受标准答案的限制。2.3跨学科教学内容设计

真正的跨学科融合应该是通过“横向纵向结合”的全方 位、立体式教学模式，贯穿于学生知识、技能、情感、态度、价 值观的全面发展。“横向”知识性多学科融合：针对同一主 题，结合教材梳理各学科相关知识点并根据其对深化主题 的作用进行教学 计。 可通过 制知识 图， 示各 学科知识之间的关联，为整个课程知识均衡覆盖提供基础。 “纵向”活动性跨学科融合，教师将涉及的知识点进行精心 设计，并融人教学活动设计中，实现“做中学”。多种教学方 式并用，实现真正的跨学科融合，利于学生进行混合学习和 深度学习。2.4项目式学习

项目学习简称PBL，以学习者为中心，以小组的形式来 解决真实的、基于课程的、跨学科的挑战性问题[7]。教师引 人极具吸引力的情境激发学习者从情境中发现问题，当学 习者明确所需要解决的问题后，小组成员以头脑风暴的形 式思考问题解决方案，从多角度寻找问题的突破口，培养批 判性思维和发散性思维。当小组有了切实可行的目标以 后，就可以采用团队协作的方式，完成作品的方案设计，动 手制作，反思作品并进一步改进，进人更深层次的学习。基

•

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于项目的学习实质在于对过程的体验、思考和感悟，使学生 的思维能力、团队协作能力得到充分锻炼。2.5评价设计

STEM教育主要是对学生的团队协作、问题解决能力 和创新意识进行评估，评价应以过程性评价为主，总结性评 价为辅，并采用多元化的评价方式，例如学生之间相互评 价，学生自己对自己的评价。过程性评价方面，教师主要根 据课堂记录评估学生在学习过程中表现出的STEM素养、 实践能力和探究意识+。行之有效的评价组织策略与方 法，能全面提高课程实施质量，增强学习效果。

同主题，联系多学科的知识内容、学科核心素养、各有特色 的活动形式，形成知识地图结构案例图，如图2所示。

在本模式中，不再沿用传统教学的满堂灌一言堂，课堂 的大部分时间交给学生自主探究。学生以小组为单位，根 据问题情境进行头脑风暴、提出猜想、验证假设、应用修改 和学习成果分享。老师是引导者和陪伴者，对学生的作品 进行评价并组织学生分享讨论。从教学效果来看，很好地 解决了上述STEM课程教学设计中存在的问题。

3

STEM教学模式应用案例分析

深圳市北环小学在2017年春季实施“四点半”课堂，在

教学中取得了积极成果，具有一定代表性。下面以五年级

《公园超声波风扇》课程为例对STEM教学模式进行详细分 析。3.1

教学分析

《公园超声波风扇》课程主要包括电风扇、长椅的创意 搭建，编写程序设置触发距离，以实现户外游客乘凉、智能 节电的目的。从知识与技能上，学生能够了解风扇结构、传 感器控制原理等知识。在过程与方法上，学习者发散思维 制作具有自己独特创意的电风扇长椅模型。在知识和技能 上编写程序实现风扇自动控制。情感态度与价值观方面， 学生可以获得团队协作能力和发展未来职业的兴趣以及社 会责任感等方面的提升。本课程的学习者为小学五年级学 生，他们对传感器原理、如何实现自动控制的了解处于初级 。

3.2分组分工

教学 动

是 用创意

的 式对学生进

行随机分组，分组完毕后对学生进行角色分工，活动中采用 抽签形式让学生随机抽取勋章，不同勋章分别代表不同的 任务分工（队长、管理、记录、发言\"3.3问题情境设计

在课堂教学中，教师根据学生心理特点和教材内容，设 计游戏来创设教学情境，既能满足学生爱动好玩的心理，又 能营造一种轻松愉快的学习氛围[9]。《公园超声波风扇》课 程问题情境：夏天的公园里，工作人员在休息的椅子上方安 置了电风扇，需要安装一种智能开关，有人的时候，风扇自 动开启为人们乘凉，人们离开后自动关闭。3.4跨学科知识地图分析

以五年级数学学科为主体，整合科学、美术、手工制作、 语文学科开展《公园超声波风扇》课程。该项目围绕一个共

图2知识地图结构案例

数学：人教版五年级数学上册《小数的除法》的学习，学 习者已经掌握距离的计算和测量。

美术：人教版五年级上册美术第十二课《会跳的玩具》、 《形体的组合》应用于课程的风扇搭建环节，要求学生发挥 创造性思维，体现美学意义和艺术设计。

语文：五年级下册第六单元《走进信息世界》、《信息传 递改变着我们的生活》以“智能技术，科技创新”为主题，教 师可以对教材内容精心设计相关话题引发学生对主题的探 讨。

科学：讲述风扇的发展历史，引导学生思考从风扇发明 以来，分别历经了哪些开关控制，浅层次地从能量转换解释 工作 。3.5分学科的课程活动设计

即通过对《公园超声波风扇》相关的课程资源、课堂教 学目标与内容、教学活动的策略与方法等进行设计规划，然 后依据不同的学科特点进行整合统筹，来一次各学科间的 “同课异构”，如表1所示。

表1 “同课异构#

学科

数学科学美术

语文 音乐播生放战思《考超风声扇波结电构风，扇工》作视原频理，激，搭发建学创生意探风索扇兴设趣计和程求序知，完欲成，引任导务学挑 教内学容小量组分工测 ，课程中风扇 发散性，题材析，记数录据，分 交流讨论，思维，相关课文搭f风扇创意歌题材活个人观察、 人学习者为中心，引设动小计作组（指实分导践工）十合 交分流式享讨学(混论习合与 (式创作以导设 计风扇自身体验为指导 ）

学习）进行授课成果风动扇控制

作品创作（团队合作十个人创作）展示编写程序实现风扇自 具体教学活动实施过程及学生课堂表现如下:(1)

情境导入。播放公园风扇工作的场景视频。引

学生思考风扇自动控制的原理，以及传感器的种类和特点。 学生对传感器充满好奇，积极思考，将数学、科学等知识迁 移运用，回答各具创意，课堂气氛活跃。

(2)

作品创作。学生踊跃发言，积极讨论，全情投作各具特色的风扇、长椅。分享环节大胆发言，对自己作品 性能、艺术性性和创意性进行介绍，其他同学认真听讲，不

断完善自己的作品，如图3所示。

入

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主时不断反思自己的“元认知”，认真总结自己习得的新知 识，形成积极的自我

，对学习

信心。

4结语

本研究教学模式设计中，创意分组游戏、问题情境教

学、小 向纵向 体系所

等活动的设计 全新的 ，营造轻

快的学习氛围，激发学习者的学习兴趣和积极性。“横

”的跨学科设计帮助学生不被单一学科的知识，运用发散

维和批判

维

杂问题。

图3 学生作品展示

(3)任务挑战。学生编写程 离实现风扇的自动控制为完

战。提问

离

感器控制器实

离的关系。挑战过程中各小组兴趣盎然、井然有序、遵

。提问时学生积极猜想并交流讨论，分

战

的经验，总结失败的原因，体现 教育。

(4 )猜想验证。 想多次验证改进得出设定距离与传感器控制器实 离的关系并

说明。验证过程中

小

积极配合，各司其职，多次实验并

问题分析数

，为了在小

中

，反复验证，坚持不懈。

3(教学评STEM教育要进行多维性的评价方式，具体操作做法

如下：

(1)过程性评价。制作小组表现积分表，根据每个小组 回答问题、完 战、作品创意、 、 、积极性

等各方面的表现进行加分奖励，

机制下学生的参

热情和

现

加强，并极大程度上协助教师维

秩序，进行有效教学。

⑵总

。完成学习 ，检验是否达到预期学习效果。学生认 写制作 和任务挑战过程中遇到的问题

，表达

时

清晰，从知识到

情感面面倶到，觉得受益匪浅。

(3)多元化

。学生间进行思想碰撞并客观公正地

对其他小组的作品进行

，小组之间互

，倡导课堂

学生自主、合作学习， 互交流，引导学生进行“生生互评”，这也是重要的

策略[1#]。学生自评

用积分制

学生在学习过程中的表现，可对其STEM、

实

和创新意识进行全面 ，

小组积分竞争机

制下学生的

热情和集体

感

，并极大程度

上配合教

。通过

实践，本模式在实际

教学中 积极 ，为STEM课程的后续实 供了一

。

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(编辑：邬江华）