STEM理念在初中科学实验教学中的应用

来源:用户上传      作者:

　　【摘 要】科学实验教学的核心就是培养学生自主探究能力、实验操作能力及解决问题的能力。STEM教学理念与初中科学实验教学目标相符，既可以培养学生科学意识、问题意识、问题生成能力，还可以有效提升学生的科学实验学习与实践能力，为培养学生科学素养提供了良好的保障。本文就STEM理念在初中科学实验教学中的应用进行实践性探究。
　　【关键词】科学实验；STEM教育理念；初中；教学应用
　　【中图分类号】G633.91 【文献标识码】A
　　【文章编号】2095-3089（2019）02-0265-02
　　初中科学是一门以科学知识、科学实验为基础的重要学科之一，而大部分的科学规律均是通过实验演绎而得出的。因此，科学实验课也成为培养学生科學思想、逻辑思维能力的重要载体。如何有效提高初中科学实验教学质量与效率也自然成为了科学教师所关注的焦点课题之一。本文就STEM理念在初中科学实验教学中的应用进行实践性探究。
　　一、STEM理念的内涵
　　STEM教育理念是由科学、技术、工程、数学四学科构建的一种新型整合性教学理念，其主要是强调对科学技术人才的培育，尤其对创新人才、实践人才的复合型人才的培养[1]。目前，教育界对STEM教育的内涵虽未达成共识，但“学科整合”已成为该教育理念的标志性特点之一。STEM教育理念侧重学科知识之间内在的联系，其应用目的就是帮助学习者掌握如何把科学知识、数学知识等来解决实际的技术、工程等相关的问题。因此，美国教育界则将STEM教育视为提升国家竞争力的核心战略之一，其最终目的就是在教育教学中强化对学生的科学、技术、工程、数学知识的综合应用能力的培养与训练，以此来培养更多的高科技人才，进而维持本国的竞争力。我国正处于经济转型升级的关键阶段，国家对创新型人才的需求也随之增加，面对国家对创新人才、复合型人才的需求，STEM教育理念也逐步得到了我国教育专家、学者的重视与认同[2]。
　　二、STEM教育理念在我国初中科学教学中的应用现状
　　目前，我国很多一线教师也曾尝试着将STEM教育理念引入到教育教学之中，并从多维视角对其进行了理解与实践应用，如一些一线教师通过项目方式、任务方式等将STEM教育理念引入到教学实践之中，并得到了良好的教学效果。但是，由于STEM教育理念的科学课程设计、实践均缺乏统一的理论性指导，这也导致很多初中科学教师在应用STEM进行教学时，也出现了一些问题，如课程设计不合理、教学实践缺乏有效性等。
　　我国初中科学教材是结合学生对科学知识的需求及学习规律等编制的，因此，其在科学实验内容的编制上更加突出了科学实验的实践性、知识性、科研性。但是，很多科学教师在科学实验教学时，过多侧重理论知识的讲授，虽然个别科学教师也将STEM教育理念融入到了科学实验教学之时，但因实验教学设计缺乏合理性，也未能有机地将其他学科知识内容加以整合，进而导致很多科学实验内容、教学内容均无法达到培养学生科学探究能力、实践创新能力的目的，最终出现教学质量低下的问题。
　　三、STEM教育理念在初中科学实验教学中的应用策略
　　STEM教育理念是将科学、技术、工程、数学等多学科内容加以有机地整合，以培养学生自主探究、合作以及既有知识综合应用能力。但是，由于初学生既有的学科知识、自主探究能力、分析研究能力有限，因此，教师在运用STEM教育理念进行科学实验教学时，也要采用相应的教学策略、教学方法来提升“教”、“学”质量。
　　1.合理设计STEM教学流程。
　　STEM教育理念强调立足于各学科之间的整合视角来教学，其涉及的学科、知识内容相对较多，因此，教师必须合理设计STEM在科学实验教学中的流程，且在设计过程中，还要充分考虑如何通过各学科的整合来引起学生学习兴趣，并在解决项目或是解决实际问题过程中能够培养学生实现多学科知识之间的自主整合与实践应用，进而达到培养、提升学生科学实践能力、创新能力以及科学素养的目的[3]。
　　STEM教育理念下科学实验教学流程的设计是保障科学实验教学质量的基础。因此，教师在STEM教育理念下进行科学实验教学时，必须合理设计相应的教学流程。笔者在浙教版科学八年级上册《模拟潜艇沉浮的实验》的制作实验教学时，则采用了以下流程来进行：
　　流程一：情境整合（创设多学科应用情境，激发学生探究欲）：引用学生比较感兴趣的航空母舰、潜艇在水中的情境，引出问题，使学生能够自主思考、探究重物在水中“沉浮”的基本原理。
　　流程二：基于问题或是项目学习（提出问题）：为什么数万吨重的航空母舰可以在海中安全航行呢？为什么数万吨重的潜水艇可以在水中自由起浮呢？它们是如何做到的呢？
　　流程三：分组研究问题或是项目（开放式教学，开发学生探究潜能）：一是引导学生（或小组内自主探究）讨论航空母舰为什么能够在水中安全航行、潜水艇为什么可以在水中自由沉浮？二是设计、交流自己的“模拟潜艇沉浮的实验”设计方案。
　　流程四：核心学科知识的构建（科学实验的目的和主要内容）：如何运用现有知识（多学科知识）、生活中现有材料去完成“潜艇自由沉浮”的实验。
　　流程五：内容整合或实验方案整合（设计解决问题或实验的方案）：完成实验方案的设计以及材料（应用最少、最简单的材料）的收集；制作出可以自由沉浮的“潜艇”，并进行自主的相关实验。
　　流程六：实验结果讨论与交流（知识交流、分享）：就相关实验结果或不足等进行交流、讨论、知识或实验技巧的分享。同时，还要就“潜艇沉浮”实验中的科学知识（浮力、重力、质量、密度等）、数学知识（浮力、重力等的计算）等的应用进行讨论与交流，以促进、提升学生多学科、多技能的应用意识与能力。
　　流程七：是否实现科学实验教学目标，教师应及时进行教学总结、反思。 　　笔者在将STEM教育理念应用于初中科学实验教学过程中，均采用上述教学流程来进行，同时，也会结合科学实验内容采用不同的教学模式、情境模式等，以突出科学实验的开放性、动态性、实践性以及综合性[4]。
　　2.明确STEM实验教学目标。
　　虽然，初中科学实验教学中涉及的知识面相对较广，但难度并不大，但教师在应用STEM教学过程中也要明确实验教学目标，使学生能够在实验过程中明确自己实验的目的，进而才能真正提高实验方案设计的有效性与合理性。如在《模拟潜艇沉浮的实验》科学实验教学时，笔者首先进行了教学目标的确定，见表1。
　　3.合理设计STEM教学内容。
　　科学实验是科学教学的重要内容之一，其教学内容涵盖了大量的实验方案设计、实践操作内容，且会涉及到诸多学科知识，如数学、化学、技术、物理等。虽然，初中科学教材中很多科学实验内容均能够与STEM教育理念相契合，但是并不说明所有的科学实验内容均能采用STEM教育理念。加之STEM教学理念是基于“项目”或“问题”或“任务”的基础之上，因此，科学教师在实施STEM科学实验教学过程中，也要结合学情、学生既有学科知识、实践操作能力等来开展，并为学生选择一些适合于实施STEM教学的科学实验内容，进而才能促使学生在科学实验的学习、实践、解决问题的过程中，能够有机地将不同学科的知识融入到科学实验之中[5]。在《模拟潜艇沉浮的实验》实验教学时，笔者为学生设计了主要的实验教学内容：
　　一是实验教学的导入。利用航空母舰、潜水艇在水中的安全行驶引入“潜艇”的实验课题。使学生通过航空母舰、潜水艇运行的视频，主动思考影响两者“浮沉”的基本原理和方法。同时，借助情境导入来激发学生求知欲，增加学生实验兴趣，提高学生科学实验的参与度。
　　二是浮力和重力。让学生自主设计或体验浮力、重力，如将泡沫放在水中、实心铁球放在水中或是回想自己游泳时的感受等。同时，观察学生是否能够在亲身体验中运用不同学科的知识去思考、设计本次实验的方案，并对学生提出的问题进行适时、适当的指导或解答。
　　三是进行实验设计。让学生结合实验要求自主设计相应的“沉浮”方案。该教学环节，笔者旨在引导、鼓励学生运用不同的思维方设、不同的科学方法进行实验设计。
　　四是验证和分享。笔者在组织学生完成相关的“模拟潜艇沉浮”的实验设计与验证后，笔者会鼓励学生利用自己既有的多学科知识及课前收集的相关实验资料，进行自主（或是小组合作）实践性实验与体验，使学生能够在自己的实验结果上借鉴他人的实验设计方案，进行实验方案的优化和创新，以培养学生工程意识。
　　最后，笔者还会组织学生就实验结果、设计技巧、制作等进行讨论、分享。通过讨论和分享来促进学生之间的知识交流，并对培养学生的实验能力、逻辑思维能力、验证能力、科学思辨能力均具有重要的现实意义。
　　4.STEM教学模式下的交流与分析。
　　初中科学实验中（如《模拟潜艇沉浮的实验》实验），往往会其会涉及到不同的科学知识、数学知识、数据计算等，教师在设计教学内容时，教师在实验教学中既要充分考虑到学生的科学知识水平、数学知识水平以及综合计算能力等，避免出现过多的、超出学生既有知识、理解能力等教学内容，进而才能在激发学生实验学习、实践兴趣的基础上，激发其科学探究欲。教师也要鼓励学生在实验前、实验中、实验后进行知识的交流与分享。如实验材料、实验方案、实验技巧等方面的交流，也可以是实验结果验证过程的交流等等。笔者认为，STEM教学理念是一种高效的整合性教育理念，教师应帮助学生掌握STEM理念下解决问题、提高实验质量的方法与流程，以提高实验教学质量。笔者在实验教学过程中都会鼓励学生就不同科学实验中欲解决的核心问题、实验方案设计、实验所涉及到的各学科知识、实验技巧、实验操作细节等各方面内容进行交流、分享，以帮助学生不断提高自身在科学实验过程中的实践能力、解决问题能力，使学生能够在知识交流、分享过程中，获取更多的相关知识。另外，学生在知识交流与分享过程中，也能够激发学生探究、实践的热情，并在验证彼此实验内容、实验方案过程中促使其不断完成新知识的建构与内化，这对全面提升实验教学质量具有重要的现实意义。
　　STEM教育理念应用于初中科学实验教学过程中，教师要还充分重视教学评价的重要性，并通过科学、有效的教学评价来进一步推动STEM教育理念的实施效果。笔者在教学实践中，既会对学生在科學实验学习、操作过程中的学习态度、探究能力、释疑能力、实验方案等内容进行客观的评价，还会在评价的过程中引导、鼓励学生通过及时对自己在科学实验中的收获进行及时的总结，并将自己的总结结果、心得与其他同学进行分享与交流，以促进学生在彼此的知识交流与分享过程中完成知识的建构，最终实现以教学评价来促进STEM教育理念在实验教学中的应用效果。
　　四、结语
　　STEM教育理念在初中科学实验教学中的应用，教师必须要结合学生各学科的既有的知识水平、知识理解能力以及实验操作能力来进行。同时，教师也要明确STEM教育理念下的教学流程、教学目标、教学内容，以来提高科学实验的实践性、知识性、科研性，使学生真正能将既有的多学科知识应用到科学实验之中，并在提高科学实验学习效率的同时，也能够不断提升自身的科学素养。
　　参考文献
　　[1]黄桦.基于STEM教育理念的科学教学[J].教学与管理，2018（7）.
　　[2]彭聪，王晶莹.美国STEM教育实施策略的研究[J].首都师范大学学报（自然科学版），2016（3）.
　　[3]黄晓，李扬.论STEM教育的特点[J].江苏教育研究，2014（15）.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14750736.htm