杨玮微
温州苍南灵溪镇江滨实验小学
摘要：基于工程设计的STEM课程是以工程的问题解决为主轴，再以技术（设计）、数学与科学相关知识，发展专题导向的教学模组，以培养学生整合知识的能力和激发学生学习工程的兴趣，将它引入小学科学拓展性课程中是拓展性课程开展的一个新方向，文章以《风车总动员》项目为例，阐述课程开展从以下几方面进行.
关键词：STEM 工程设计 EiE课程 拓展性课程
正文
一、问题的提出
我省《深化义务教育课程改革的指导意见》（简称《指导意见》）把义务教育课程分为基础性课程和拓展性课程两大类，这是义教课程体系建设的一大创新。
拓展性课程指学校自主开发开设、供学生自主选择的课程。拓展性课程是基础性课程的拓展与延伸，它在基础知识、基本能力的深广度等方面加以拓展对思维能力、实践能力和学习方法训练等方面加以强化，同时可以满足因材施教，满足不同层次学生对本学科的真正需求。小学科学开展拓展性课程是必行之路。
另外，目前如火如荼进行的还有STEM课程。
STEM 教育是 20 世纪 80 年代由美国国家科学委员会所提出的。STEM 是由科学 （Science）、技术（Technology）、工程 （Engineering） 和数学（Mathematics）四门学科的首字母组成的，数学是科学的工具和语言，科学是数学的思想和平台，数学和科学是工程的基础，工程设计产出高新技术手段，高新技术为工程实施提供有利的硬件支持 。它是一个综合学科，是在复杂的情境中培养学生的设计能力和解决问题能力。【1】STEM的教学模式有基于问题学习、基于项目学习、基于工程设计等方式将四门学科融合。【2】
在研究stem课程中，笔者对基于工程设计的STEM课程相当感兴趣。它是以工程的问题解决为主轴，再以技术（设计）、数学与科学相关知识，发展专题导向的教学模组，以培养学生整合知识的能力和激发学生学习工程的兴趣。2003年8月，美国建立的Engineering in Elementary(EiE)项目就是将工程与学校的科学、技术、及数学相整合。通过不同的背景故事情境向学生呈现工程问题，从而促进STEM学习，提高他们的动手能力和综合素养。
EiE课程内容分为生命科学、物理科学和地球空间科学三个领域，19个单元，笔者选取其中四个内容给来参考
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综合所有的单元，笔者发现这些单元的设计使用工程领域作为一个统一的主题，提供一定的课程脚手架支撑，最终完成工程设计挑战，而每一个活动使用简单、廉价的材料，这一些特点给笔者启示：将STEM教育的工程设计教学模式引入小学科学拓展性课程，实现STEM教育在小学科学中的实行，也保证拓展性课程的顺利开展。根据EIE课程设计思想和特点，笔者认为开展工程设计的STEM模式的拓展课应具备以下特点：
1.基于真实情境设置课程内容
我们的课程开发是基于真实的情境，是服务于社会的工程项目，不是假象的创作，这样才能激发孩子探究和学习。如《它没有骨骼--设计护膝》单元，首先创设了一个真实、感人的情境：埃里克因一次意外，从此没有了骨骼的支持和保护，请同学们帮助设计一个护膝帮助他正常的进行生活，通过这个逼真的故事引入情境，激发孩子的探究欲望。当然设计情境的时候要从孩子的实际情况出发，不要设置太难或太简单的情境问题，尽量能从多元化的视角开展广泛的思考。
2.具有综合性和生活性性的课程内容
将工程设计融入科学主题中，授课内容是学科的综合，如《冒险-设计潜水器》单元既包括物理科学中的沉与浮又包括工程领域的内容；《去另一边：设计桥》既包括科学中的平衡和力学也是工程技术中的力学等等。
STEM课程内容侧重不同方面的主题，教育者提出这个问题是为了让学生适应复杂多变的社会环境，并改善所在的生活环境。在课程内容的选择上，还可以更多的关注社会性问题，如环保问题设计如何净化室内空气，设计制做净水装置，关注食品健康和安全等等问题。
3.能循环设计的课程内容
课程中进行的一切活动都是围绕问题解决和最终产品来服务的，而这些活动的开展，是一个循环进行的过程，对于产生的最终方案可以通过不断获得新体验和新概念形成新的理解并优化设计方案工程设计本身就是一个不断改进，不断循环的过程，没有最好，只有更好，因此我们在选择内容上必须考虑这个问题。
基于工程设计的拓展课程怎么开展呢？不同的观点，有不同的步骤下面笔者以《风车总动员》项目单元内容为例，讲解课程的过程。
二、基于工程设计的拓展课程的开展策略
1.创设情景，明确需求和问题
首先创设一个真实又能引入问题的情境：视频播放荷兰风车，提出问题：你知道这些风车有什么作用吗？学生讨论回答，教师介绍荷兰风车的作用。并让学生说说还有什么地方用到风车。紧接着提出活动目的是设计类似的风车，让风车能提起重物。确定需求：用风车转动提起杯子。
这样就交代了项目的背景以及设计工作的目标，明确问题之后，还需要给出一定的制约因素，例如：保护的材料要节省，简便，环保，高度10米，制作作品要美观等。
2.调查研究，形成设计观点
背景调查为形成设计观点进行批判性分析提供必要的信息。【5】在这个环节，教师给学生提供网络媒体和专业书籍，让学生借助技术去调查相关知识，并找到相应的问题和解决方案。学生要知道的知识背景有：风车的工作原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，让风车持续转动；转动的风车带动绳子转动，提起杯子；牵涉到的基本概念有位置、力、运动和能量等。这一环节引导学生主动学习与风车有关的科学原理，完成表2。让学生用科学方法去看待问题，学会展开调查，寻找解决问题。
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前面两个环节为一个课时完成。
3.分析观点，形成合理方案
当学生明确需求和问题的观点之后，就是让自己的观点进行方案的设计。学生在这一环节对风车叶片的数量、材料、形状、安装角度等进行设计，需要工程和数学的相关知识，并能将自己的方案完成设计图纸。为了验证自己的设计，每一组可以对自己认为有影响的方面设计一组对比实验，完成方案。这个过程也是一个课时来完成。之后需要根据学生的设计准备制作的材料。
4.选择方案，建立原始模型
经过设计之后，每个小组根据自己的设计选择材料，建立原始的模型。在这个环节培养学生的动手能力和小组合作精神，并将理论转化为自己的作品。
5.测试评估，交流反思，建立优化方案
测试方案：将设计的叶片安装砸死风车上，然后在风车前面放一台风扇进行测试。如果成功，风车叶片在风力的作用下会转动，带动轮轴转动并绕起绳子，提起杯子。
每个小组完成指定任务后，我们在全班范围内进行展示比较，每个孩子可以自由的参观不同小组的作品。对自己的作品和其他小组的作品进行有针对性的评估。评估的内容包括：是否完成任务；完成任务的时间是多少；整个制作的材料是否科学、环保、简易；作品的投入大约是多少；外形是否美观等。
参观评价之后，全班进行交流反思：效果好的小组的设计有什么共同的特点，总结叶片的哪些特点会影响结果，从而得到目前最佳的设计方案。
前面两个环节可以设计成两课时。
6.重新定义问题
在进行测试的过程中，孩子会有新的发现，在这个基础上，可能会产生新的疑问，那就是另一次循化设计的开始。例如，孩子发现整个叶片的倾斜角度对效果会产生影响吗？我们可以针对这个问题再次进行探索。
这个也可以设计成一到两个课时完成。
如上述整个拓展课的完成需要5-7个课时，如果新的问题多，有研究价值，我们还可以增加研究的时间。
利用工程设计的STEM开展小学科学拓展课，是非常不错的方式。笔者希望能以后的探索中找到更好的教学模式。
参考文献
【1】李扬．STEM 教育视野下的科学课程构建 ［D］．杭州：浙江师范大学，2014．
【2】余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式【J】.开放教育研究，2015（4）：13-22.
【3】李杨.STEM教育视野下的科学课程构建【D】.华东师范大学，2014.