【摘要】 通过本文概述STEM教育理念对开展小学科学实验活动的指导意义，以“制作太阳能热水器”活动为例，基于STEM教育的工程设计过程，开展STEM小组的实验探究活动，介绍研究目的、研究方法、研究阶段、研究准备与活动实施。结合学生反思与活动效果，对开展STEM小学科学实验提出可供参考的实施建议。
【关键词】 STEM；小学科学实验活动；制作太阳能热水器
STEAM教育近年来开始变得火热，这是一种跨学科教育，强调的是跨学科知识的融合，注重理论学习与动手实践的联系，培养孩子多方面的能力。STEM教育基于现实生活中的实际问题，以工程设计过程为主导，提出自己的解决思路。在学习的过程中让学生大胆尝试不同的想法，在不断试错中发现问题，分析问题和解决问题。
小学科学教师指导学生开展科学实验活动，旨在让学生灵活运用知识，动手动脑，积极参加科学科技实验活动，提高科技意识；提倡自己动手设计并完成实验，充分发挥其创新精神，把所学的科学知识、技能与生活实际紧密联系起来，让科学科技活动在校园、家庭和社会开花结果。
一、设计目的和实施方法
（一）设计目的
太阳能是一种没有污染、可再生能源。太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。我国太阳能资源丰富，全国总面积的2/3以上，具有利用太阳能的良好条件，因此，太阳能热水器可以得到广泛的使用。
学生已学过太阳能热水器的工作原理，这个实验，通过学生的分析、设计，真正地把学到的知识运用到实际生活中，体现了“探究——思考——实践”的学习理念。
（二）实施方法
1. 文献研究法：班级学生以4-6人形式组建STEM实验小组，用简要的篇幅概括介绍小组在实验主题相关的学习成果及查阅、引用的文献资料。教师要为学生提供资料查阅的路径和方法，使学生学会收集信息，学会提出问题，学会撰写简单资料查阅报告。
2. 实验探究法：STEM实验小组合作研究太阳能热水器的原理、构成与功能，并提出一些太阳能热水器的制作方案，进行头脑风暴选择可行方案，进而着手制作原型，并通过实验探究对原型进行测评，然后重新设计并改进原型，最后交流展示。
二、设计过程
本研究包括三个阶段：太阳能热水器的结构和工作原理；比较生活中常见的热水器；开展制作太阳能热水器的实验活动。
（一）太阳能热水器的结构和工作原理
学生通过学习教材中有关太阳能热水器的结构和工作原理的内容，进步理解太阳能热水器是一种光热转换器，具有节能、环保、安全的优点，设计太阳能热水器，不仅要考虑构造，还要考虑材料的选择。
（二）比较生活中常见的热水器
1. STEM实验小组的学生通过查阅文献知道生活中常用的热水器主要分类有：从集热部分来分可分为：真空玻璃管太阳能热水器和金属平板太阳能热水器。从结构上来分可分为：普通式太阳能热水器和分体式太阳能热水器。
2. STEM实验小组的学生对不同类型热水器的作用、优点、缺点进行比较。
（二）开展制作太阳能热水器的实验活动
STEM教育工程设计过程
.png)
在工程设计过程指导下（如上图），STEM实验小组开展制作太阳能热水器小实验活动。实施流程为：首先研究太阳能热水器的结构和工作原理等相关知识；针对如何制作太阳能热水器进行头脑风暴；绘制一份太阳能热水器的设计图。其次是着手制作环保型太阳能热水器，并查阅相关科学书籍或其他资料，记录检测对比的结果，对模型进行评价，分析太阳能热水器各个部分的成分与功能。接着是确定装置设计的改进方案，进行必要的更改，对改进后的设计重新进行检验和评价。最后是展示小组学习成果。
三、实验准备
（一）梳理实验原理
太阳能热水器的结构和原理：一个家用太阳能热水器，其基本结构由太阳能集热器、绝热贮水箱、连接管道、支架和控制系统组成。利用集热器吸收太阳光，将光能转化成热能，并通过储水箱将热水储存。
（二）实验器材准备
纸盒、泡沫塑料或棉花、能装水的塑料袋或饮料瓶、玻璃片或塑料薄膜、盒盖、黑色纸、镜子或锡箔纸等。
四、实施过程
（一）设计制作方案
1.在理解了太阳能热水器的构造、工作过程及原理，又读懂了教科书上的设计方案的基础上，学生制作出STEM小组的最初设计方案。
2.STEM 小组内部交流讨论。为了设计方案的可靠性、合理性和科学性，STEM 小组进行设计后的交流，反思改进。
3.制定最佳方案。引导学生应用前面学习的知识，发挥自己的创新性，制定最佳方案，设计出更多更好的简易太阳能热水器。
（二）制作太阳能热水器，学生分组、动手制作、教师巡视、指导。
（三）检验太阳能热水器保温效果，STEM 小组展示自制太阳能热水器。检验标准：能够装水200毫升；能够尽可能地在15分钟内，使热水器中水的温度升上去；要求每5分钟测一次水温。
（四）交流评价。各小组汇报太阳能热水器保温效果、改进策略以及经验教训。
五、反思与建议
在开展制作太阳能热水器实验活动的过程中，学生设计制作了许多优秀的作品。与此同时，STEM小组的学生在修正和改进太阳能热水器的过程也进行了反思，包括效果、成败原因、改进措施等。
基于STEM理念开展小学科学实验活动时，建议教师指导学生按照如下步骤进行探究实验：首先是问题研究，在收集、整理和阅读与本活动任务相关的资料后做一个小结，展示文献资料的已有研究成果。其次是模型设计，在设计图纸上进行标注，并解释团队的策略。接着是结果分析，记录、分析并解释测试结果。然后是实验总结，总结任务和实际发生的情况，总结中应当包括实验目的、测试过程的简短描述和对实验结果的解释。随后是活动反思，思考各自团队的选择过程，完成STEM小组反思报告。最后是自我评价，学生个体反思在团队中的行为表现，完成自我评价。
【参考文献】
[1]杨晓哲,任友群. 数字化时代的STEM教育与创客教育[J]. 开放教育研究,2015,05:35-40.
[2]林建芬，刘月娇，古春文. 互联网+视角下化学教师运用信息技术促进课堂教学方式转变的应为——以人教版 “甲烷”的教学为例[J].教育与装备研究,2016，(12): 29-32.