陈梦
（佛山市南海区桂城街道中心小学 广东省 佛山市 528200）
摘要：随着STEM教育的快速发展，如何将STEM教育理念转变为教学实践是当前面临的最大问题。本文通过梳理中外STEM教育研究文献，结合我校教学实际情况，构建了STEM课程设计的基本框架，并开发了实践项目案例。
关键词：STEM课程 小学课程 课程案例开发
一、STEM课程简介
STEM教育发源于20世纪80年代的美国，是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mthemtics）的英文首字母缩写。它注重于数学、科学、工程、技术等跨学科知识综合应用能力的培养。2016年教育部发布了《教育信息化“十三五”规划》中，明确提出要“积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，促进学生的全面发展”[1]。其中的“STEAM教育”就是STEM教育扩展版——将STEM加入A(Art艺术)。由此可见，STEM 教育作为一种培养未来综合性人才的教育模式，已得到教育界的普遍认可[2]。特别是近几年来，北京、上海、江苏、广东等地开始出现大批STEM教育试点单位，社会上也出现了越来越多基于STEM教育的课程培训机构。
学术界普遍认为STEM教育有三种说法：第一，STEM教育是一门学习者学完独立的相关课程后，才开始学习的后开设课程后；第二，STEM教育是一门替代其他相关的学科课程，可培养学生综合运用各学科知识能力的独立课程[3]；第三，STEM教育是一种通过灵活应用探究性学习、基于项目的学习和基于设计的学习等学习方式的教学策略，目的是培养学生综合综合运用各学科知识解决现实问题的能力。
本文的STEM教育认为是一种为教师从学习方式和学习目标指明STEM教育方向的教学策略，如何学习知识和运用知识是其关键所在。
二、小学STEM课程的设计
（一）STEM课程设计的理念和原则
1.设计理念
STEM课程注重将科学、技术、工程和数学课程以跨学科融合的课堂学习方式呈现，力求解决真实世界中的问题。基于科学、技术、工程和数学学科的特征，融合相关的知识，对知识的学习、知识的运用和工具的使用及创新物化的过程进行有机的同意。作为跨学科的综合课程的代表，STEM课程不但要包含四个学科的知识，而且还要融合不同学科的综合实践活动。各学科之间的相关性是STEM教育把握的核心，旨在培养未来的复合型人才。
STEM课程的设计理念包括：第一，跨学科整合的教育。众所周知，STEM课程本质是四门课程的有机整合，单一学科不利于跨学科知识的的学习和知识的运用。因此，在设计STRM课程时着重考虑各学科知识融合程度高，且与真实世界中的问题相关联的主题。第二，学习方式以自主、协作及探究为主。在整个课程学习中教师只是以辅助者的角色出现，帮助学生理解并学会运用知识解决问题，突出学生的过程参与。因此，STEM课程设计应以学生参与为主，教师辅助学生学习。
2.设计原则
小学STEM课程既具有自身的学科特点，又有跨学科性的特点。具体包含以下几个原则：第一，活动设计要符合学生的认知规律。面对不同的年级，设计不同难度的课程；第二，活动设计面向全体学生。强调全体学生的参与，共同协作学习。第三，活动主题设计具备跨学科性。设计符合各个学科的综合性主题，帮助学生建构跨学科概念。
（二）确立课程目标
目前世界上尚未有任何国家政府或者教育部正式发布过STEM教育的国家目标，但美国学术竞争力委员会通过整理STEM项目时，制定了学生学习、教师质量和学生参与三方面的K-12阶段国家目标。虽然我国还未出台明确的STEM课程目标，但笔者综合考虑学科、学生、教学内容（3D打印）三个方面，明确课程目标的制定要符合前苏联教育家维果斯基提出的最近发展区理论，即是目标要可以体现学生“实际发展水平与潜在发展水平之间的距离”[4]。实际发展水平即是儿童的现有水平（儿童可以自主独立解决问题的水平）；潜在发展水平是儿童可能达到的发展水平（即儿童在成人的帮助下能达到的解决问题的水平），两个水平之间呈过渡状态[5]。具体目标如下：第一，通过学习，满足学生对3D打印学习的需求，培养设计意识，提高学生的综合素养。第二，通过学习，探索多学科之间的联系，使学生可以运用跨学科知识解决复杂性的问题。第三，通过学习，以3D打印技术为创新手段，激发学生的创造兴趣，提高学生的学习积极性。
（三）选择课程内容
本课程内容主要以3D创新专题内容为主，结合区版的信息技术教材（3D模块），以3D打印创意设计设计大赛为抓手，在学生学习圆角、抽壳、扭曲、拉伸、阵列、移动和组合编辑、草图绘制、旋转、自动吸附和预制文字、实体分割和镜像操作后，综合应用建模知识创作有实用价值、艺术性、创新性和个性化强的优秀作品。
（四）进行课程设计
STEM教育作为一种教学策略，在具体的课堂实施过程中，最终目标是综合运用STEM知识解决现实生活中的实际问题。根据学习目标，将STEM教育可分为验证型、探究型、制造型和创造型四种不同的应用模式[6]。每一种模式其目标、核心都不同，本文主要通过研究创造型STEM教育的应用。它的目标是让学习者通过综合运用STEM的知识完成一件物品的创新设计及制作。
基于设计的角度，创造型STEM教育应用的基本步骤具体细分如下：
第一，引入情境。从完成一件物品的创新设计及制作的目标出发，本研究的STEM教育创新主要以物化成果的形式呈现。强调只有来源于生活中问题的创新，才能更好的吸引学生，让学生在充满兴趣的情境中探索，求真，寻求创造的方向。
第二，引导创新。当确定具体的学习目标后，教师要全程从创新的指向和创新的可行性两个方面把关，引导学生可以有效完成具有创新性的物品。
第三，协同设计。本研究学习方式主要以协作为主，教师根据每个同学的兴趣特长将学生科学合理的分成几个小组。在完成任务的过程中，让每个小组成员发挥自己的特长，分别从不同的方面为小组物品的完成发挥作用。自此各小组通过设计—预估—再设计的反复过程，最终确定一个各小组成员都满意的设计方案。
第四，验证制造。根据设计的方案，学生就可以进行作物品的制作，经过仔细考量理想设计和实际制造之间的可能差异性，一旦有无法解决的问题出现，学生就可以回到第三步进行设计的再次修改。
第五，改进应用。通过大家的努力，完成物品的制作后，学生可以进行实际测验，看想要的效果是否满足，并进一步提出改进意见，是在有必要时，可以再次回到第三步进行再一次的重新设计。
第六，分享反思。学生的物品完成后，教师通过组织成果展示交流会，鼓励学生将自己的物品进行包括功能介绍、创新性等方面的分享介绍。利用这种与其他学生互动的形式让学生喜欢上创新，进一步反思物品的改进意见。
（五）组织教学评价
评价方式有许多种，本研究主要通过终结性评价和过程性评价对学生知识掌握程度进行评估。
1.终结性评级
终结性评价是指在完成一阶段学习之后进行的评价。其目的是对学生学习的
质量和水平有一个具体、确定的了解，了解学习所达到的水平。本研究主要通过作品评价学生，不同的年级存在不同的差异。
2.过程性评价
第一，教师教学过程中对学生的评价。在教学过程中教师通过与学生的互动来促进和帮助学生的学习，同时不断的通过评价了解学生的学习情况。通过这种过程可以切实帮助学生建构自己的知识。本研究主要通过对话、提问和追问、观察等。
第二，学生的自评与他（她）评。学生自评和他评是针对学生学习过程中的反思。学生通过反思知道自己是否完成了学习目标，寻找自己出现的问题并修正。
三、小学STEM课程开发案例之便利的手机支架
1.情境引入
如今在家里手机的使用非常频繁，但很多同学在使用手机时，家长并没有提供配套的的支架，这样用起来脖子就非常的的酸不说，还不方便。有的同学提议，同学们自己设计并打印制作专属于自己的个性支架。让我们一起来帮帮他（她）吧。
2.创新引导
学生按照之前协作分工的小组（4-5人），选取生活中的一些手机支架，小组轮流介绍，为什么喜欢这款支架。接着，教师和学生小组讨论模仿打印的可行性。其次，小组内讨论确定到底要设计什么样的支架。但务必达成共识：第一材料必须限量供应，故设计务必简洁；第二手机支架的稳定性能必须要好；第三在节约材料和功能性要强的前提下尽量外观设置漂亮；第四尽可能展现自己的个性特征。最后，小组成员通过观察实物，请教3D技术顾问小老师，完成制作。
3.协同设计
设计制图的过程很重要，在这个步骤涉及了测量和重心原理。做之前要想清楚手机支架究竟需要多宽多厚？且在考虑材料节约的前提下坡度设计多少合理？学生在绘制图前一定要将这些关键性问题想清楚，最好通过网络查阅相关知识或者亲自采访该领域的从业者，询问如何是一个物体保持重心稳定？之后才可以测量计算，形成支架的方案。这个过程中，学生们既有分工，又有合作，大家集思广益共同完成自己小组的作品。方案确定后，就开始利用3D one软件进行数字建模，绘制图形，并经过反复修改，确定设计的支架可以支撑起手机，并不晃动，有一定的可行度。通常这一环节，学生会运用数学、科学及美术等学科的知识解决相关的问题。
4.制造验证
本案例使用3D打印机完成自己作品的打印制作。3D即是3维，3D是快速成型技术，基于数字模型文件为基础，选用塑料或者粉末状金属等可粘合材料，经过逐层打印技术来构造物体的技术，现正逐渐用于市面上一些产品的制造，广泛应用于航空运输、医疗设备、建筑材料等领域。在这个案例里，学生只需要学习3D建模、3D切片等的基本操作，将设计好的图形文件复制到打印机的相应位置上，经过几个小时的便可完成手机支架的制作。打印完毕，各小组的作品进行测试应用。发现实际情况非常糟糕，成功的作品只有几个，出现的问题不一，如A小组漂亮的支架刚放上手机就倒了。B小组虽然手机放上支架后没晃动，但是设计的尺寸也太大了吧。C小组在3D one软件上设计的模型非常好看，但打印出来就是一坨不明物体。总的来说，第一次尝试过后，每个小组都出现了不同的问题，但在过程中也吸取了很多的经验和教训。这时候，教师要鼓励学生正确对待挫折和失败，总结问题，归纳原因，修改数字模型。
5.应用改进
针对第一次作品打印出现的问题，各小组首先进行小组内沟通修改，接着邀请老师进行作品评估，最后重新确定修改方案。A组重心不稳的问题，经过小组协商，增加一个底座，增强支架自身的稳定性。B组设计不合适的问题，经过小组讨论，一致决定按照一定的比例缩小作品尺寸，减少耗材和打印时间。C组搞错打印原理的问题，经过讨论，最终在镂空中间部分添加支撑，在调整了打印角度。经过以上的不断的改进，引领着各小组一步步的完成自己的作品。
6.分享改进
同学们认可的最终作品打印完成后，教师进行全班成果展示，各小组通过对自己作品的外观、实用功能、创意等进行一一的阐述，教师结合之前制作过程中的表现，进行阶段性的总结评价和对该小组的作品终结性评价，并引导其他学生对该小组的作品进行评价，提出进一步的修改意见。
在结合多方修改意见后，各小组的极具创意的支架新鲜出炉啦。A组创意来源于《神庙逃亡》，先用奔跑过程中凹凸平平的城墙做整个手机支架的底座，确定其稳定性，逃跑者做背部支撑，防止手机倒下。经过一次次的实验，角度倾斜为45度为最佳的支撑，整个作品，趣味横生。B组作品来源于直筒水杯，将水杯横放，作为中间支撑，上部和下部分别延伸固定，刚好卡着手机，使其不易晃动。C组作品整个呈U字型，经过确认后的倾斜角度刚好可以将手机支撑，整个作品耗材较少，打印时间短，不失为一个好的作品。
四、STEM课程设计与案例开发的反思
桂城某某小学是佛山市南海区第一批STEM课题实验学校，为了推广STEM课程，进行了校本化的课程设计和案例开发的探索。本校的课题研究团队采用推荐成员会议外出学习、集中统一学习和自我慕课学习的方式，学习STEM相关理论和其他STEM课题学校实施STEM教学的经验。课题研究团队通过分析国内外STEM课程案例，筛选适合我国特别是我校的STEM教育课程资源，每学期针对一到两个主题进行校本化的设计、开发和实施，并开展会议研讨，完善STEM课例。
（一）跨学科整合的教育
STEM教育培养复合型人才的先进性使得以世界各国包括中国的学校、教育机构及科研组织纷纷加入STEM教育的队伍中，一时间只要跟科学、数学、技术、工程有关系的，都被盖上“STEM”的帽子。课题开始研究之初认为，STEM教育与科学课程、数学课程、综合实践课程及信息技术课程等的融合就是将教材或者经典学科案例进行有序重组，经过实践发现，简单的只是叠加，并不能有效的解决问题，只有几个学科知识的有效整合才能解决复杂的问题。
（二）真实情境下的教育
回归真实世界的学习是当前教育改革的重要内容之一，而STEM教育的出现恰好为解决真实世界的问题提供了有效途径。经过系列的3D知识项目学习，发现学生经过亲身探究和动手体验，即使感兴趣的项目或者现实生活中的问题较复杂，学生也会通过各种方法、途径克服困难，完成目标。
（三）创新意识的教育
新课程深化改革的目的是帮助学生更好的认识世界，塑造自我，培养适应社会的终身学习的能力，并不是要求说培养每位学生成为科学家、数学家、艺术家及工程师等专业大咖，而是强调创新意识的培养。教师通过引导学生在解决问题时积极探索，激发学生的想象力与创造力。
（四）依托信息技术与资源的教育
真实世界的问题往往需要多学科知识才能有效解决，但依托信息技术与资源是开展STEM教育的重要支撑。如活动开始前，学生可以利用网络检索相关知识或者去图书馆查阅相关的资料。活动过程中，可以利用思维导图、数学模型等建构与方案相关的流程。活动结束后，通过思维导图、头脑风暴等方式分享总结此次活动的收获与不足。
参考文献：
[1] 教育部.教育信息化“十三五”规划.http://www.ict.edu.cn/laws/new/n20160617_34574.shtml
[2] Connor M, Krmokr S, Whittington C. From STEM to STEM: Strtegies for enhncing engineering &
technology eduction[J]. Interntionl Journl of Engineering Pedgogy, 2015,(2):37-47.
[3]STEM EDUCTION CT OF 2015[DB/OL].https://www.congress.gov/bill/114th-congress/house-bill/1020/tex,2015-10-07.
[4]丁桂凤.小学生团队合作学习[M].北京:中国社会科学出版社,2007,17.
[5]陈丽等编.数字化校园与E-Learning信息时代大学的必然选择[M].北京:北京师范大学出版社,2007:146-147.
[6]傅骞，刘鹏飞.从验证到创造—中小学STEM教育应用模式研究[J].2016(04):71-78