摘要：随着时代的飞速发展，创新教育的不断普及，现代社会更注重培养综合性人才。STEM课程旨在多方面多领域培养中小学生的动手实践能力和思维创新精神，因其跨学科式培养创新人才的特点，已成为国内外教育界关注的热点。为响应我国培养创新人才的国家发展战略，在农村中小学校中有效开展STEM教育，培育创新型人才。本研究通过介绍STEM教育模式下的中学课程“海绵城市”，以搭建“海绵城市”教学实施和学生创造力培养方案为例，来阐述STEM课程教学模式的特点与优势，探索培养学生创新能力的途径，为构建农村中小学STEM课程教学模式提供经验借鉴。
关键词：STEM课程教学，海绵城市，污水过滤
STEM教育起源于20世纪50年代，是由美国科学教育学者提出科学素养这一概念，随后得到了其他国家科学教育学者的普遍认同。其最初的目的是为了充分调动学生们的综合素质能力，培育创新型人才，提高国家竞争力。STEM课程教学是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)四个维度的交互融合，注重引导学生跨学科运用知识，培育跨领域整合资源来完成学习任务以及解决问题的能力。
一、“海绵城市”的背景及意义
时光飞逝，城镇化进程越来越快，对大自然的需求也在不断增长，城市生态环境遭到破坏，大面积的硬化路面导致了城市内涝严重、地下水失衡、热带效应加剧等问题。水是生命之源，但我们所称之为“城市之肾”的河流逐渐失去其原有机能，严重导致其调蓄功能下降，蓄水功能的缺失，直接引发城市内涝。为解决这些“城市病”，计划建设能够适应环境变化和应对雨水带来等自然灾害的“海绵城市”，能够有效维持城市中的生态平衡。具有新一代城市雨洪管理概念的“海绵城市”，能保证水资源的有效节约利用，将城市的幸福感和生活质量大大提高，保障城市居民的生命安全和财产安全，化解城市内涝的根本性问题。STEM“海绵城市”课程就聚焦于培养学生学会将现有的传统城市改造成海绵城市的思维，由此来解决我们所在城市，所在校园，所在小区所面临的“水问题”。
二、“海绵城市”课程的教学实施
1. “海绵城市”课程的研究基础
海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用[3]，从而让水在城市中的迁徙活动更加“自然”。 2012年4月在《2012低碳城市与区域发展科技论坛》中，"海绵城市"概念首次提出，海绵城市通过“自然积存”“自然渗透”“自然净化”等手段，让城市雨水得到收集和利用。“海绵城市”的建设可以有效缓解水资源短缺、修复水生态系统、减少热岛效应、改善人居环境等，在课程进行前树立学生对城市生态系统功能的理念。
2. “海绵城市”课程整体规划与定位
“海绵城市”课程是STEM教学的一个典型案例。课程以“海绵城市”的建设及改造为载体，将各门学科知识进行融会贯通，以工程技术等现代技术为工具，改变传统的单学科培养模式，打破学科界限，拓展学生研究问题的视角，发展学生在现实中发现问题并综合利用知识和技术解决问题的能力。大力培养学生的想象力和创造力；丰富学生对“海绵城市”认识；培养学生观察、动手做实验的能力；培养学生制作模型及设计模型的能力；发展学生团体合作能力；渗透可持续发展的理念；培养学生多学科结合、多角度思考问题的能力，同时达到美化城市、绿化校园等环境的目的。
三、“海绵城市”课程实验活动案例
1.实验活动背景
课程以“海绵城市”的建设及改造为载体，将数学、生物、地理、物理、化学等学科知识进行融会贯通，以工程技术等现代技术为工具，改变传统的单学科培养模式，打破学科界限，拓展学生研究问题的视角，发展学生在现实中发现问题并综合利用知识和技术解决问题的能力。结合“海绵城市”的“吸水”功能，引出本课时活动二的主题——雨水的净化。从活动一“海绵城市”建造构想引导孩子们分析雨后城市积水的场景，梳理和整理其主要因素，思考“海绵城市”中收集到的雨水是否可以直接引用。推进孩子们对于“雨水到来后对城市、对土壤、对植物等因素的影响，来思考如何净化雨水，如何设计雨水过滤系统。明确“海绵城市”具有的强“吸水”、“放水”的弹性功能，从而设计“海绵城市”雨水过滤层装置。让学生通过思考分析，动手实验来感受到科学的奥秘，感受跨学科运用知识的神奇之处。
2.实验活动目标
2.1 STEM知识能力结构
科学（Science）：1.知道雨水的成分；2.了解污水过滤原理；3.根据环境等要素确定“海绵城市”过滤装置合适的建造场地。
技术（Technology）：1.会使用类比分析；2.能够使用简易方法测算雨水过滤率。
工程（Engineering）：1.了解自来水厂的净水流程；2.了解不同材质的材料对过滤系统产生的不同效果；3.在设计和建造时能够综合考虑场地、建造成本、维护能力等因素；4.知道项目的完成是需要不断修改、测试、优化的过程；5.能够搭建亚克力板制作滤层的净化装置。
数学（Mathematics）：1.学会辨识过滤后水的颜色、气味。2.能够综合考虑材料、人工等产生的费用，对工程总价做出估算[3]。
2.2 STEM课程整合教学
问题与聚焦阶段，在掌握雨水成分、污水过滤等相关科学原理（所涉及化学、物理、数学等）之后能将这些知识与技术相结合，完成雨水过滤测试实验。
设计于制作阶段，多角度分析，比如地理位置、排水设施、路面土质来为“海绵城市”雨水净化的设计提供依据，来选择适用于问题情境的材料进行制作。整个阶段需要一定基础的动手技能支持以及科学原理的迁移。
展示与评价阶段，使用合适材料对设计装置进行测试，并根据测试结果对产品作出基于是否符合法规、遵循科学、数学原理或技术制作层面的反思。将测试的最终装置进行展示，师生共同讨论制订并进行评价。
2.3 STEM课程精神领域
学生积极投入到课程实践当中，主动参与小组讨论，并乐意搜寻活动实验所需的相关理论知识和素材。一是有效增强了学生的自主学习能力，能够主动研究实验装置设计所需的相关资料和材料，与小组成员共同探讨协作。二是培养了学生的团队协作能力，小组成员相处和睦，在交流过程中做到悉心聆听他人的意见，养成合作探究学习的习惯。三是提高了学生对守护身边环境理念的认同感，本论文论述的STEM“海绵城市”课程开展是基于现实生活产生的问题，有效解决实际问题，充分尊重当下民众需求，体现了人文关怀。
3.活动过程
根据教学模式以及学校课时安排情况，笔者将活动过程分为问题与聚焦阶段、设计与制作阶段、展示与评价阶段[4]。
3.1问题与聚焦阶段
设计活动中的首要环节就是确认问题，结合海绵城市的“吸水”“放水”弹性功能，导入建造“海绵城市”中的雨水净化这一个真实的问题情境作为设计的制作背景，让学生充分感受到活动的趣味性和真实性，以探索“海绵城市”中收集到的雨水是否可以直接引用，由此请同学们思考其原因及问题的解决方法，调动他们的积极性。
结合生活中所接触到雨水的相关信息，明确本活动的探究问题:
问题一：来到我们所在城市的雨水组成是什么？
问题二：收集到的雨水可以直接在生活中使用吗?为什么?
问题三：这些雨水要经过什么样的处理才能被使用?这些处理需要用到哪些材料?
接下来25位同学分为5组，分组讨论看看同学们有什么好的想法。小组成员借助给定的材料，讨论并设计解决上述3个问题的方案并执行。问题一及问题二由学生上台提出观点；问题三由学生亲自执行并记录污水过滤前和过滤后的颜色、气味，并上台展示实验，进行充分结论。
3.2设计与制作阶段
本阶段综合体现了工程设计过程，学生要综合应用已有的知识和经验做好计划，完成本活动实验装置的设计与制作。
（一）在设计与制作前前学生以小组为单位展开以下讨论：实验室中雨水的过滤可以使用滤纸，那么“海绵城市”中雨水的过滤可以使用什么呢？选择 1~2 个小组分享过滤层的实验探究结果，鼓励非汇报小组进行补充或提出建议。而后教师引导学生一起归纳总结雨水的净化方法，与学生共同探究雨水的净化系统——设计出一个简易的过滤器，让学生做好动手前的设计与制作准备。
（二）针对问题与聚焦阶段中的三个问题分别做一些知识背景讲解与类比：
针对问题一及问题二：通过介绍于雨水中含有的物质，以及自来水厂的净水流程包括“抽水、絮凝、沉淀、过滤、消毒、配水”，并相继出示与此有关的专业知识、资料，为学生进行信息科普，让学生充分了解自己所在城市水资源及雨水的情况。
针对问题三：经过上两个问题的讲解，学生们认识到生活中雨水的成分及其重要性。紧接着围绕问题三“这些雨水要经过什么样的处理才能被使用?这些处理需要用到哪些材料?”展开介绍和讲解，明白雨水净化的工作原理，打开学生的设计思路，让学生充分认识并设计过滤材料的搭配方式，进行实验并记录下来，激发学生发明创造的热情。最后每组成员设计好自己的方案，并利用以下表格给出结论，让学生相互对照，作出判断。
（二）前测设计
学生围绕上述讨论，画出雨水净化装置简图，并对简图由哪几部分组成，每个部分的主要功能是什么等问题展开讨论。让学生根据自己绘制的简图来明白简易过滤器的组装设计、污水过滤所需要的条件、不同材料滤层的选择。明确雨水净化装置需要哪些材料，并记录下来，回家收集好材料。
观察学生对雨水净化装置的制作，在制作过程中，让同学们记录自己收获了哪些成功的经验，有哪些失败的经验，关于雨水净化装置产生了哪些新的想法。经过制作试验再制作，更优考虑“海绵城市”滤料的选择，从而引导学生在以前的基础上完善雨水净化装置。
（三）项目过程记录表
在完成滤料选择记录的同时，让学生思考讨论：如何使用技术手段将设计的产品完美呈现？为完成选择，小组内如何分工？测试自己的雨水过滤，如何用科学原理将使用的材料改进达到更好的效果？根据结果改进的方法，并进行相应的汇报[4]。
3.3展示与评价阶段
此阶段是一个综合体验阶段，学生将展示各自小组的雨水净化装置。哪组成员在这次活动试验中做得更好，采用开放性的评价方式，由师生共同讨论确定出如下的项目终结评价表[4]。组织学生交流各个小组的雨水净化装置设计方案，讨论、评价，并依据评价方案对本组及其他小组的成品做出评价。评价不仅针对成品，还要对STEM学习过程进行评价，对自己的学习行为进行评价，在评价过程中认识到自己能力的提升，认识到团队合作的重要性。
四、STEM课程教学多元的评估与优化
1. 课程总结
“海绵城市”可简单归结为“渗、滞、蓄、净、用、排”六个字。只有让学生走进海绵城市、了解海绵城市、设计海绵城市，才能唤醒学生思考人与自然的关系意识，向学生不断地渗透可持续发展的理念。因此，“海绵城市”研究课程采用户内理论、实验、社团课程学习和工程设计模型制作、户外实践调研相结合的方式实施。学生通过学习海绵城市理论，研究不同类型的海绵城市案例，研究、理解、设计和制作模型。
笔者本次所介绍的STEM课程活动——“海绵城市”过滤层的实验教学中，尽可能地还原背景、变异、思维、关系、自然与问题，同时采用多元评价方式，营造开放、宽松的评价氛围。
2. 评估优化
在评估中，我们思考课程的整合让学生进行了哪些观察，促进了哪种思考，哪些知识得到了运用和拓展，哪些技能会被强化或掌握，哪些问题解决超出了学生的能力，学生的创造力和想象力是否得到了提高。在这些深入思考和讨论的基础上，课程内容逐步修改完善。同时我们也将进一步制作STEM课程上的相关实验手册（包含操作指南和实验注意事项等内容），保证学生实验的规范性和安全性。
参考文献
[1]中国教育研究院.中国STEM教育白皮书[R].2017.6
[2]中国江苏网.269所中小学、幼儿园跻身江苏STEM试点学校[OL].http://www.eol.cn/jiangsu/jiangsunews/201709/t20170927-1557284.shteml,2017-9-27
[3]江苏省初中STEM教学案例集[R].
[4]江苏省基础教育STEM课程指导纲要[R].2018.9
作者简介
印登清（1975.03），男，汉，江苏扬州，扬州市邗江区陈俊学校，本科，高级教师，初中数学教育
杜金艳（1985.10），女，汉，江苏徐州，扬州市邗江区陈俊学校，本科，中学二级教师，初中地理教育