浅析STEM理念下初中科学拓展课程的构建
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摘 要：在发展中国学生核心素养为背景下的学科教学，要求六大核心素养之间相互联系、互相补充、相互促进，在不同情境中整体发挥作用，这就需要在学科教学中有更强的融合性。就科学学科而言，本来就是一门综合学科，在学生核心素养的培养过程中，更应该注重与其他学科之间的大融合，特别是与技术、工程、数学之间融合来解决实际的问题，切实提高学生的科学精神和实践创新能力。美国教育中的STEM教学对当下中国学生核心素养的培养有着一定的借鉴意义，特别是对科学的教学指导意义更为有效，但是在使用STEM教学的过程中，实际存在着很多的问题，笔者从拓展课程设计的角度，以利用科学知识解决实际问题为切入点，采用建模的方式，结合学生所学的数学知识、技术和工程素养来进行单元综合学习，对培养学生的科学精神和实践创新能力有一定的帮助。
关键词：STEM;核心素养;拓展课程
2016年9月，中国学生发展核心素养研究成果发布，中国学生发展核心素养以培养“全面发展的人”为核心，分为文化基础、自主发展、社会参与三个方面，综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新等六大素养，具体细化为国家认同等18个基本要点。以培养学生素养为要点的教育，会更加重视学科的融合性，大综合趋势会更加明显。
美国的STEM就是一门大综合融合课程，是由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门课程融合而成，其重点是加强对学生四个方面的教育：一是科学素养，即运用科学知识（如物理、化学、生物科学和地球空间科学）理解自然界并参与影响自然界的过程;二是技术素养，也就是使用、管理、理解和评价技术的能力;三是工程素养，即对技术工程设计与开发过程的理解;四是数学素养，也就是学生发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题的能力。
STEM教育能对跨领域跨学科的知识进行整合，体现了学科之间大综合的教育观念，与当下中国学生核心素养的培养思路不谋而合。目前在科学学科的教学过程中，已经有很多的教师在自己的课程中引入STEM教学的理念，并开始探究适合中国学生的STEM教学形式。
一、 STEM理念下科学教学的问题分析
（一）教师层面：课堂设计为了追求STEM的完整性，忽略了教育规律
当下部分教师对STEM教育的理解就是在解决实际问题的时候一定要用到数学、科学、技术、工程四个方面的知识，为了课堂上能够凑齐四个要素，往往生搬硬套，没有从学生认知规律出发设计教学，导致课堂结构松散，学生只是走马观花地体验了四门独立的学科，但是为什么要这么做往往是稀里糊涂，一头雾水。
（二）学生个人层面：以模仿教师的操作为主，缺少必要的學科思维养成过程
STEM课程对学生综合能力的要求比较高，而学生欠缺的恰恰是综合能力，特别是没有经过体系学习的中国学生，在新授课的过程中，既要掌握新知识，又要与其他学生进行融合，还要应用知识，最后的结果往往只能是模仿教师，进行重复性的操作和识记，而没有真正了解操作背后的隐含的学科原理、知识背景，只知其然而不知所以然。
（三）学生团队层面：合作能力、合作方式有待改进
当前的科学教学，有探究必定有小组，殊不知，学生一直缺乏科学的、有计划的小组合作学习的培养，学生没有足够的小组合作能力，也没有比较合适的小组合作方式。我们仔细去观察学生学习小组的讨论，你就会发现，合作过多次的小组，往往存在一个或者两个的核心人数，其他同学往往是听从核心人物的要求去完成一些任务，但是为什么需要这么做，好多学生根本就不清楚;临时组建的小组，有时候连基本的相互交流也会出现一些问题，如何能进行有效地合作？
综合以上三点，结合目前教材的课程设置，如果能够以小组合作的形式，在单元学习之后，以拓展课的形式进行单元整合课程的设置，既有利于教师在更多的资源下能进行有效地融合课程设计，也有利于学生在形成一定学科素养的基础上进一步了解科学原理和内涵，更能够使学生在平时合作学习的基础上进行更深入地合作。
二、 STEM理念下的科学拓展课程设计的指导思想
（一）真实情境化设计原则
情境学习理论认为，学习者的学习动机源于现实情境，情境学习理论将学习者视为情境的组成要素，因此教师不止要创设较为真实的情境，特别是学生曾经经历过或者听说过的情境，更应该鼓励学生成为真实情境的创设者，利用已有的学科知识来分析问题、探索问题、解决问题。当学生以情境创设者的身份参与学习的过程并最终解决问题，将获得成就感，学习的兴趣将会获得持久的提升。
（二）注重有效学习支架设计的原则
为促进学习者对知识的真正理解以及思维的发展，教师、同伴或者其他人提供的一切支持和帮助，我们都成为学习支架。问题是学习过程中最常见的支架，有经验的教师会在学生的学习过程中自然地、应机地提供问题支架。教师可以针对学生在解决实际问题可能会遇到的问题，设置有效的转换支架，搭建合理的思维桥梁，帮助学生转换所获得的信息，促进知识的内化和科学学科素养的形成。
（三）注重课程融合性的原则
STEM教育不是四门学科的纯粹相加，或者按照一定的秩序排放，而是通过实际的情境，在解决实际问题的过程中，将四门学科有机地融合在一起，不仅要运用四门学科涉及知识、技能和理念，还要通过实践操作，锻炼学生分析问题、解决问题的能力，切实“改变高分低能”的现状。
三、 教学实践——以“曹冲称象——浮力秤的制作”拓展课程为例进行教学实践
浮力是初中科学继《密度》《压强》后学习的第三个带计算的物理知识，对于学生来说，学习难度较大，下面以“曹冲称象——浮力秤的制作”拓展课程为例，建立STEM理念下拓展课程教学设计，设计思路如下： 本节拓展课安排在浮力学习结束之后，以浮力秤的制作和使用作为课程的核心，但是教学设计并不是直接告诉学生我们今天要制作一个浮力秤，而是通过曹冲称象的故事引入，具体教学过程如下：
课前小组任务分工：四人小组搭配和小组分工：1号同学负责管理器材和汇总讨论结果，2号同学作为实验操作员（主要是浮力秤制作），3号作为副操作员（协助主操作员），4号同学作专门负责画刻度线和记录数据，完成得好的组，主操作员可以去其他组帮忙，给予小组加分。
任务一、根据故事情节，再现曹冲称象的过程
任务推进过程：
师：大家听过曹冲称象的故事吗？谁来给大家讲一下？
生：一位学生讲述曹冲称象的故事，其他学生补充。
师：你能不能学着曹冲的样子，利用大家桌子上的船模型和大象模型，找出和大象质量一样的沙子？
学生小组动手实验，教师到各个小组指导，尤其是指导如何让船不倾斜漂浮，以及在船上贴标签纸方便画线。
任务一竞赛环节：各组称下自己小组的沙子质量，教师公布大象模型的质量，比一比哪个小组操作的水平最高。
小组讨论：如何操作可以得到更接近大象质量的沙子？
任务二、利用模型船来做浮力秤
师：恭喜大家都称量出来的大象的质量，如果曹操又得到了一头长颈鹿，大家会测量吗？
生：用同样的办法测量。
师：如果是犀牛、狮子的质量呢？
生：也可以一样测量。
师：但是每测一种动物，都要把石块搬上搬下，太辛苦了，大家能不能改进一下？
生：每加10千克石头画一条线，到时候根据画线的刻度来估计动物的质量就可以了。
学生动手实验：请大家利用钩码和船的模型，给船画上刻度线，要求两条刻度线之间的刻度差为1N，小组分工与刚才一样。
任务二的实质就是制作浮力秤，在制作的过程中，学生自然的将科学原理、数学计算、工程和技术有机的结合在一起了，同时学生之间分工合作，团结协作。
师：刚才我们在船上画上了刻度，你感觉这个实际上是一个什么东西？
生：好像就是一个浮力秤。
师：这个浮力秤的刻度好像和我们上课讲的不一样，刻度不均匀，大家知道为什么吗？
生：因为这个船底部不是柱体，越往上截面积越大，所以刻度之间越来越小。
任务三、练习使用浮力秤
师：下面我们请大家用这个浮力秤来称下其他动物的质量（其他动物在大家桌子上）。
学生开始利用浮力称进行称量，并记录数据，教师给出其他动物模型的重力，并由小组讨论称量偏差产生的原因。最后，根据偏差的大小进行小组的评比并布置课后作业——制作精确度更高的浮力秤。
综上整个过程，我们从曹冲称象的情境出发，通过再现称象的过程，自然地过渡到称量其他动物，整个过程都没有说要做一个浮力秤，但是卻做出了浮力秤的原型，说明了很多发现都源自生活。同时，在同学们制作的过程中，有效的融合了数学、工程、技术和科学相关的知识，学生解决实际问题的能力得到提升，并在课后的作业——制作刻度均匀的浮力秤中得到更为全面的锻炼。
四、 实践反思——基于STEM理念下科学拓展课程设计的注意事项。
（一）学生的小组合作能力需要持续的培养
要在学习过程中建立长效的学习小组，平时要进行小组合作的相关培训，要让每一位孩子知道在小组中自己该做什么，该怎么做;要建立小组评价机制和学生个人评价体系，以此促进学生主观能动性的提高;要充分发挥小组核心人物的优势，促成生生互学氛围的营造，让学生之间相互学、帮助学成为小组合作的常态;只有这样，才能建立真正意义上的学习小组。STEM课程应该是建立在成熟学习小组的基础上的。
（二）学科地整合要聚焦工程
教师要有效利用实际的情境，引导学生利用科学探究、数学计算、技术知识与技能的应用来完成工程项目，而不是简单地涵盖了四门学科的内容就算完成任务了，应该是四门学科彼此交织，缺一不可。比如在浮力秤的制作过程中，缺少了数学计算就难以在刻度线上标数值，缺少了科学原理也就不能理解为什么小石子的重力等于大象的重力，没有一定的技术，也不能保证船水平漂浮，最终将船改装成浮力秤其实就是一个工程。把学习作为一个实际的工程项目来完成，比较符合STEM教学的理念。
（三）课堂的模式要开放
STEM课程具有开放性，而拓展课程的设计以学生核心素养的培养为目标，摆脱了教材的诸多限制，具有更强的开放性，因此需要设计更为开放的课堂模式来适应拓展课程的要求。开放的课堂需要学生有更强的自主性，教师要设置更为合理的实际情境来增强学生参与的积极性，开放的课堂需要学生有更多的自由学习时间，教师就应该减少讲课的时间，把时间留给孩子们自主学习和相互交流，教师要选择适合于讨论交流的实际情境，简单来说是选择学生熟悉的、有一定生活基础的情境来组织教学。
五、 结语
以核心素养为培养背景的科学教学，必须从传统的以知识为主要目标的教学，转变为如何有效培养学生的核心素养。培养学生的核心素养，需要对课程进行整合。教师要从实际问题的情境出发设计科学拓展课程，在课程设置中要注意聚焦工程，整合科学探究、数学思维、技术知识与技能的应用技巧。教师要在课堂上要充分发挥学生的主观能动性，在长期的小组合作探究中，在解决问题的情境中，进一步促成学生核心素养的发展。
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作者简介：张华刚，浙江省杭州市，浙江省杭州市余杭区径山镇中学。
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