STEAM教育理念在小学科学课程中的教学实践研究

（一）STEAM教育理念下小学科学的教学模式建构

1、小学科学教学现状分析

（1）当前小学科学教学现状分析

当前，在许多学校小学科学课的教学活动中，或多或少存在作用发挥不够，效果不明显的问题，更有甚者，有的学校因小学科学课教学实施条件不足，对学生考查要求低，使得小学科学课程沦为了可教可不教的课程，这使得学生们在这方面直接经验不足、创新创造意识不足、应用实践能力较低。

本课题组多次深入科学课程教学课堂，在听课过程中了解任课教师的教学内容和方式方法，观察学生课堂过程表现，课后进一步与任课老师沟通交流了解小学科学课程的教学现状及学生的学习情况，发现在科学课程教学过程中存在课时少、要求低、能够辅助教学的软硬件设施不齐全。在教学过程中教学观念陈旧、方式方法传统，忽视学生主体地位，多以老师讲授、演示，学生听课、观察的方式展开课堂教学，真正体现教师引导，学生自主参与、合作探究的教学模式比较少。此外，在学生学习情况评价方面表现单一，仍以期末考试成绩作为评价学生的唯一标准，缺少对学生的过程性评价。所以，偏向于“填鸭式”的教学方式，单一的评价标准不符合目前科学课程标准的要求，更不能在帮助学生吸收科学文化知识、掌握基本科学方法、提高科技创水平以及学以致用解决生活实际问题等方面发挥高效作用。

（2）STEAM教育理念融入小学科学课程的路径

对于我国基础教育阶段而言，科学与数学的整合程度良好，甚至优于美国，但与科技教育、工程设计的整合方面却存在着明显的不足。科技是工程设计的产出。在Becker等人的研究中指出，工程设计与科学的整合对各年龄段学生，尤其是小学生的科学学习兴趣和科学成就具有显著提升的作用。因此，STEAM教育理念下的小学科学课程教学应以工程设计为基础，通过工程设计导向的科学课程教学，帮助小学阶段的学生发展对科学知识、科技认识的需求，应用数学、科学等相关概念和知识，分析问题和开展探究活动，以发展学生分析问题和解决问题的能力。

2、对已有教学模式的借鉴

本课题为构建出科学、有效、可行的STEAM教学模式，在对STEAM教育理念、小学科学课程标准等进行分析的基础之上，对已有的教学模式进行研究分析与借鉴。

5E教学模式强调课堂教学的情境性、亲历性、尝试性、迁移性及应用性，一般包括吸引（engagement）、探究（exploration)、解释（explanation）、迁移（elaboration）及评价（evaluation）等5个教学环节，对学生形成生命观念及社会责任意识、发展科学思维及科学探究能力具有积极的意义。5E教学模式虽具备上述优点，但该教学模式并没有很好地体现STEAM教育中“工程”的思想，这对于融合工程学内容的STEAM教学的开展并不能起到较好的指导作用。

图1 5E教学模式

3、STEAM教育理念下的小学科学教学思路设计

工程与科学、技术和数学等学科的天然联系，工程设计固有的内涵与特点，均显示工程更适合作为一种整合与强化ＳＴＥＭ多元内在联系的粘合剂、强化剂与催化剂。本课题秉持着以科学探究与数学模型为工程设计服务的理念，视工程设计为有效的策略，真切地将科学探究、数学模型与工程设计互联互通、互融互作，其基本流程结构图如图2所示。

STEAM教育理念下的小学科学工程教学模式借鉴“科－工”整合思路，以工程任务为主题，以工程设计为核心，以工程实践联动科学探究、数学计算、数学模型等科学实践、数学实践要素构建教学流程，真正强化“科－技－工－数”等的多元协作，让STEAM学习真正发生，并使科学素养得以真正养成与发展。

图2  STEAM教育理念下的小学科学教学模式

（三）基于模式的小学科学教学设计案例分析

《搭建高塔》来源于教科版小学科学六年级上册第二单元《形状与结构》第六课《建高塔》这一节课。教材中选用可乐瓶、胶带让学生搭建高塔，体会塔的特点，感受其科学魅力。而将其与STEAM结合，就形成了《搭建高塔》项目。

（一）教学目标分析与设计

不同于单科性教学的三维目标，跨科性的STEAM教育理念下的小学科学工程教学模式的教学目标具有多科性与结构性的特点，体现为科学、技术、工程、数学等方面目标的相辅相成。以“搭建高塔”为例，依据该项目的特点以及学生的实际，将教学目标制定为以下几个方面：

表2“搭建高塔”中融合的STEAM学科领域

（二）教学过程分析与设计

应用STEAM工程教学模式设计“搭建高塔”一课的教学流程，具体有以下主要教学环节。

1、提出与明确需求

技术与工程是为实现人类的需求而产生与发展的。因此，需求是技术与工程思维产生与发展的初衷，始于需求的教学导入，更能引发、推进技术与工程实践。在STEAM教学的起始，提出与明确需求不可或缺。提出需求可通过现实情境、虚拟任务情境等的创设来实现，将学习置于情境中，通过触动共情、发现问题、引发愿望、激发创新等策略诱发需求。提出需求后，还需明确需求，目的在于给出成本控制、技术要求、材料选择、数条件及测定标准等限定条件，使需求能基于现实考量而具实现可能。

“搭建高塔”的教学导入，可呈现全球有名的塔类建筑，引导学生观察各种塔在形状与结构上的特点，梳理出“框架结构的塔最典型的特点是上小下大、上轻下重”的科学原理，进而创设生活化情境，提出需求：现在我市某公园想要建造一座稳固的高塔，你们有兴趣参与其中的设计与招标吗？并通过“工程协议”

来明确需求：材料是30根吸管，要设计并建造一个高为1.4米的高塔，且高塔必须直立、能承受一定重量。同时要控制合理的预算，尽量节省成本。即用有限的材料搭建出最稳固、最高的塔。

2、界定问题

    STEAM工程教学模式聚焦于“做出什么、实际应该怎么做更好”的问题。教学中，应让学生明确问题的类型，并基于需求界定问题的核心、层级与边界。该环节重点应着力于以工程学的思路引导学生思考如何解决真实的问题，促进学生思维发展、思路形成、思想内化。

在该环节教学中，“搭建高塔”重点是明确造高塔的科学基础与成功标准，将需求转化为“做什么、如何做、为何这样做”的问题与思路。根据需求引导学生思考以下问题：如何保证高塔不倒下？如何保证高塔的倾斜角最小？那些设计可以稳固高塔？那些设计可以让高塔更高？

3、科学探究

STEAM工程教学模式的科学探究旨在为工程设计服务，更侧重于“搜集证据、信息处理”两个要素。在该环节教学时，“搭建高塔”的教学过程设计如下：第一、可让学生先通过给定的材料计算能够制作的高塔最高极限，并说出如何得出这个极限值。第二、进行小组讨论后，请各小组最终确定极限值，并说说为了接近这个极限值，进行设计时要如何考虑材料利用。第三步，引导学生思考：当估算极限值的时候，是否真的考虑了所有可能性，有没有可能通过对材料的进一步加工而改变极限值？

4、数学模型

运用数学和计算是工程设计的核心，分析与运用数学模型可以为工程设计确定设计标准或参数，使方案得以最优化。在“搭建高塔”的教学中，此环节重点是引导学生发现吸管数量、底面与高塔高度的关系，学会对吸管数量、底面与高塔高度的变化关系作出预判，从而找到最优解。

5、设计、建造、测试

    设计、实施、使用是工程实践的三大阶段。设计是工程实践的关键，涉及材料选用、技术结合、参数选择、草图绘制等具体内容。建造是工程实践的核心，是物化的活动。建造时要求学生必须按照设计方案进行施工，并能遵循限制因素与条件物化出产品。测试与评价、改进组成连续的过程，属于使用阶段，此阶段旨在要求学生根据既定的检测标准对建造出的产品进行测试与评价，找出核心或关键问题，并进行基于科学技术原理的改进与基于数学模型的参数调整。

在该环节，可进行如下教学设计：1、学生在设计记录单上进行高塔模型的设计。2、各小组领取实验材料后，根据设计图正式建造高塔。可以将制作过程中遇到的困难与解决方法记录下来。教师可以进行适时的指导，也可以让各组派组员到其他组进行观摩。3、在制作完成之后，各小组对模型进行高度的测量，以及顶端承重的检测。同时计算所用的材料，核查预算。各小组内进行自我评价。

6、展示交流

展示是交流的基础，可鼓励学生用作品式、图文式（海报式）、思维导图式等不同形式进行展示。交流是展示的目的，需要克制与摒弃那些浅显化、表面化、形式化的交流活动，采取有高阶思维参与的互动活动，让分析、论证、评价、创造等思维跃然其中，使思维互动成为互动核心。

在该环节中，各小组上台展示交流，主要围绕设计思路、问题和解决方案、具体的搭建过程分工、建造的高塔成品等进行介绍。并通过如下问题引发学生的进一步思考：为了获得最优解，有什么项目需要提前测量？桌面的微小起伏是否会影响最终的结果？

（三）STEAM教育理念下的的小学科学教学实践研究和教学评价

1、教学实践

教学实践是本课题深入了解STEAM教育理念下的科学教学模式的教学效果最有效的途径。本课题设计了教学实验，通过采用准实验研究法，开展教学实践。实践对象为小学六年级的两个平行班A班和B班的学生。将A班作为实验班，采用融合了STEAM教育理念的教学模式开展教学。B班作为对照班，采用传统教学模式进行教学。授课教师为教师C。

2、教学评价

教学评价采用形成性评价法和访谈评价法，在教学实施过程中采用观察法，及时记录学生学习状态；教学结束后分比对授课教师和实验班的学生进行访谈，从教师和学生两个不同的角度对实施效果做出评价，从而更深入地了解教师和学生在课堂上的感受，使教学评价更加贴近教学活动的实际情况。

（1）学生评价

学生访谈题目一共三道，随机抽取了实验组的4位学生进行了访谈，抽取规则为学号末位为8的学生。访谈提纲详见附录一。将具体访谈问题及学生回答情况整理如下：

①对于《搭建高塔》这节课的学习，你有什么感受？

学生1：在以前的科学课程的学习过程中，几乎都是老师讲，很少给我自由的时间去探索和动手实践。以前，我总是不能集中注意力，但是这节课上我几乎没走神。

学生2：我很喜欢这节课，我最大的收获是能和小组成员一起完成整个设计、制作。我和组员都能发表自己的意见，我们共同讨论，一起探究，我很喜欢这样的学习氛围！

学生3：在课上，科学老师呈现的任务有一定难度，需要花很长时间，而且通常都需要在老师的引导和帮助下，才能圆满完成。

学生4：我喜欢接触一些新奇好玩的东西，这些在课堂上得到一定的满足。我觉得通过亲自动手操作，从而获取知识的过程非常有趣。我总感觉这节课的时间过得特别快。

②这种教学模式对学习有帮助吗？

学生1：这种教学模式对学习有帮助。在任务完成后，我们能够通过展示交流，了解到其他小组成员的完成情况，并从中得到收获。

学生2：这种教学模式对学习有很大帮助。我们在学习过程中会使用到一些工具，并伴随着一些知识的综合运用，使得我们小组的每一个人都能参与其中，通过动手动脑展开探索，在小组合作中完成任务，非常有成就感。

学生3：有一点帮助。通常在任务结束后，老师会引导我们对整个学习过程及结果的总结和反思，这会让我们有意想不到的收获。

学生4：有帮助。在协作完成任务的过程中，老师的及时反馈和引导，使得我们能更有信心完成任务。

③你认为老师的教学方式有哪些需要改进的地方？

学生1：在完成任务的过程中，有时候老师给予其他小组的指导和帮助的次数太多，会影响到我们小组完成任务的速度和时间，不太公平。希望老师能给予每一个小组同样的帮助和指导。

学生2：老师的教学方式挺好的，暂时没有发现需要改进的地方。

学生3：希望老师呈现的任务稍微简单一点。

学生4：我们在进行作品展示时，老师所给的展示和介绍时间比较少，很多设计思路和制作过程都不能一一展示，希望老师能多给我们一些时间进行作品的展示和介绍。

（2）教师评价

教师访谈题目一共两道，访谈内容如下：

①授课结束后，您对于两个班的课堂表现有什么感受呢？

教师C：首先，我很明显地能感觉到A班和B班学习氛围的差距。A班作为实验班，班级学习氛围浓厚，小组成员积极参与课堂，学生处于自主学习的兴奋状态，但是教学进度相对较慢；B班作为对照班，按照平时这种分科式的教学方法，主要以讲授知识为主，整个教学过程学生处于被动的地位，学习积极性表现一般，但是教学进度较快。其次，A班学生的合作能力在课堂上的到了发展，而且回答问题时候他们对结果的总结也是很到位的；相比较而言，传统授课的B班学生小组成员间的交流不多，回答问题的积极性有待提高。

②您对该教学模式有什么看法和修改建议？

教师C：该教学模式在学生的学习表现、科学知识水平的提升、能力的提高

等方面表现出很多优势，但该教学模式在教学实践过程中存在着一些问题，还不

是特别成熟，需要在长期实践中不断尝试和探索。比如，该教学模式缺少对不同

难度目标层次的区分，这很容易削减学生进行科学探索的热情，在今后的教学中

可以尝试通过设置关卡或通关升级的方式辅以教学。

（3）师生访谈小结

通过对教师和学生的访谈与对课堂中学生学习状态的实时观察，STEAM教育理念下的小学科学工程实践可以得到以下结论：

①STEAM教育理念下的科学教学的突出优点是显著提高了学生学习科学知识的兴趣和积极性，课堂参与度很高；通过融合STEAM学科领域的知识，让学生对技术和工程方面产生积极的兴趣，学生对于课堂的期望很高。

②学生理论联系实际的思维和能力明显强于传统分科式的授课方式，更具有工程思维知识，更容易把科学知识联系到生活和技术生产中，达到知识的活学活用；学生在工程思维方面有一定的收获，这验证了STEAM教育理念下的小学科学教学模式的可行性和有效性。