在STEM教育中培养学生的综合能力

摘  要：在小学科学教学中，推进STEM教育是当前教育发展的必然趋势。它提倡跨学科间的融合，强调问题的真实性，注重探究的过程，注重协作的过程，注重创造力的培养，真正做到促进创新型、创业型人才的成长。本文从提倡跨学科间的融合、强调问题的真实性、注重探究的过程、注重协作的过程、注重创造力的培养过程五个方面出发，探讨在STEM教育中如何培养学生的综合能力。

关键词：STEM教育；
综合能力；
学科融合

在科技日新月异的世界中，我们的教育如何才能跟上时代的步伐，是每个教育工作者需要深思的问题。同样，在如火如荼的STEM教育中，我们不能一味地追求形式上的教育，我们的着重点应该放在哪儿呢？笔者认为，我们更应该扎扎实实地培养学生的综合能力，以便未来让孩子们更适应这个充满挑战的世界。接下来笔者就从五个方面具体谈谈在STEM教育中，如何培养学生的综合能力。

一、提倡跨学科间的融合

STEM教育有着很强的特殊性，一个学科是建立在不同的学科之上的，然后组合成一个新的整体，它以明确的实践作为导向，立足于“做中学”与“学中做”。学生要亲手操作、亲自体验，强调全体参与和全程参与。

目前，在大多数小学中，课程模式是分科教育，对学科之间彼此联系的重视程度远远不够。STEM教育提倡跨学科融合，让学生围绕具体的问题，融合科学、工程、技术、数学等一些学科之间相互关联的要点，解决实际的问题。

接下来，笔者举一个“纸火箭”的例子，具体分析科学、工程、技术与数学相互之间的融合。准备两段直径1.5厘米的PVC电缆管和一段相同直径的PVC弯管，将电缆管固定在一块厚木板上，用胶带纸把容积2升的塑料瓶粘在管子的另外一端，做成火箭的发射器；
然后做一个纸火箭，粗细与管子相当，将发射器与纸火箭连接后用脚猛踩塑料瓶，火箭发射；
最后只要利用坐标纸，就可以测量出火箭发射的高度。

科学方面：利用气压以及空气的性质，当脚踩塑料瓶的时候，瓶子中的压缩空气经过PVC管压向纸火箭，纸火箭内部充满了压缩空气，当纸火箭在压力下脱离管子的时候，纸火箭的压缩空气马上膨胀，往后面喷射，由此形成了反作用力，把纸火箭推上天空。

工程方面：设计一个纸火箭，解决如何让它飞得更高的工程问题。依据每一次火箭发射的情况，即时调整发射装置，比如软硬不同的塑料瓶、塑料瓶的大小、脚踩的力度和次数，还有纸火箭的大小、重量、材料、形状等，以此达到提高纸火箭发射高度的目的。

技术方面：构建、制作纸火箭的方法。

数学方面：确定和控制变量，记录、分析和解释数据；
使用量角器和刻度表。

“纸火箭”活动是一个将科学、技术和数学融入工程活动中的很好的例子，在这个活动中，首先要明确规范和限制条件，对纸火箭进行设计，而后测试并改进纸火箭。

STEM教育運用融合的方法培养孩子们的综合能力，但是在此过程中，我们要注意这样一个问题：不是所有的活动都必须面面俱到，涵盖所有的学科，要理解STEM教育跨学科融合的真正内涵。

二、强调问题的真实性

STEM教育采用最多的是源于解决实际问题的教学方法，小学生面临的问题一般就是我们日常生活中出现的问题。其实日常生活中大量的问题属于心理学上的一个概念——“定义不良问题”，还有个与它相似的概念叫“定义优良问题”，那么，什么叫作“定义优良问题”？从心理学的角度来看，具有明显的边界条件以及操作路径的这类问题可以叫作“定义优良问题”。

比如一道简单的数学题：一个梨2元钱，丁丁想买2个梨，他付了5元钱，收银员应该找他几元钱？这种类别的问题，其实就是所谓的“定义优良问题”，它具有明显的边界，明确的解决方法，我们不用深思熟虑。可是，在走出校门以后，这样的问题在实际生活中是很少的。真实的问题往往是复杂的，这就需要我们在复杂的情境里不断地寻找、探索。

当今社会日新月异，随着经济的发展，“定义优良问题”已经跟不上时代发展的潮流。我们要培养孩子的创造性、独特性，要培养孩子解决“定义不良问题”的能力，所以STEM教育应运而生。在情境化的真实问题中隐藏着许多信息和知识，孩子们的探究欲望往往一发而不可收。这种具有真实情境性的观察体验活动，能让孩子们不再惧怕科学、数学、工程、技术等领域里的抽象问题，运用综合能力，让问题迎刃而解。

比如，笔者在执教原五年级下册“折形状”这一课时，从学生身边真实的问题切入，让他们设计方案，实践操作，反复探究，最终自行发现——纸折成的形状与它的承受力大小是有一定关系的。上课伊始，笔者说：“大家看，老师给你们带来了A4纸，能不能想办法折一折，让它托起一本小字典？”

接下来是设计方案：重点研究柱形中不同形状的横截面的承受力的大小（见表1）。

结论：

技术是需要在反复推敲中改进的，技术的核心是方案设计，方案设计要具体可行。在设计方案时，第一步要选出具有可行性的探究目标。然后选择教学的内容，变量要有可控性，方案要有可操作性，这样学生的探究活动才能有效。对于活动中的难点，要优化探究方案，不断地改进，让学生的创造性思维和批判性思维得到更好的培养，让这份探究方案趋向完善，使学生探究活动更高效。

最后就是动手实践，对数据进行比对、分析，得出一个科学的结论。这样，在一个真实的情境中，学生在动手实践中实施工程，在各组数据对比中让科学进一步深化。

三、注重探究的过程

学生的认知发展是有一定的规律的，学生需要通过形象的感知来感受、了解外界，一定要经过动手实践才能有自己的知识建构。

为什么这么说呢？比如笔者教的二年级的小朋友，他们看到酒精灯感到很新奇，一开始笔者使用的时候，对他们说：“这个酒精灯不能吹，有危险， 要直接用白色的盖子盖上。”然后一些孩子就会问：“为什么用盖子盖住就好了，盖子不会烧起来吗？”和他们讲解之后，有的孩子说：“难怪妈妈在厨房里烧菜的时候，有一次锅子有火就用锅盖盖住了。”你看，孩子自身就有科学的精神，他们必须要经历实践、探究，来保持对世界的认识。

STEM教育的探究过程中，学生通过一项又一项的任务，解决一个又一个的技术问题，在探究的过程中激发创造的欲望，享受创造的乐趣。接下来我们来看这样一个案例——王珂老师上的“建桥梁”一课。

第一个环节是欣赏名桥，激发学生对桥梁探究的兴趣：①欣赏港珠澳大桥的雄伟壮观。②你知道哪些桥？给同学们介绍一下。③欣赏古今中外世界名桥，并从形状上给这些桥梁分类。

第二个环节是初步认识桥梁结构，并搭建简易桥梁。①找一找这些桥有哪些共同的结构。②尝试用桌上的材料搭一座简易的桥。

第三个环节是自主探究、加固桥梁。在教师的引导下改进原先并不太坚固的桥。①这座简易的桥你们觉得怎么样？②你们觉得桥不稳，它的问题在哪？有没有办法让它变牢固？③出示工程要求，利用提供的材料在简易桥梁的基础上加固桥梁。工程要求：跨度大于18cm。承重要求：小车及货物能够过桥。建筑材料：吸管、橡皮泥、皮筋、胶带、剪刀（教师控制好每组的材料，让学生明白工程预算的重要性）。学生在活动的时候要求绘制简易施工图纸，反复地制作和测试，制作过程中发现问题及时记录并改进。此环节给予学生充裕的时间。④小组之间进行桥梁承重力比拼，介绍桥梁设计特点，在建造过程中是否遇到困难，如何解决的？

第四个环节是课后延伸。①用料统计和造价核算。②如何让你的桥能承受更重的小车？

这个案例充分体现教学的探究性，学生在开放的活动中呈现不同的设计方案，思维的深度和广度有了一定的提高，学生在这样的活动中构建了自己独有的知识网络图。

四、注重协作的过程

协作性也是STEM教育所具有的一个显著的特征，要求小组学习时在组长的带领下互相帮助，互相启发，这样就能够做到面向全体，一起来建构知识。在小组进行探究活动时，依靠个人的力量往往还不够，小组成员在表达意见的同时要与组员交流、讨论。

例如笔者在上“会动的画”一课时，先让学生了解眼睛的结构，掌握视觉知识，让学生知道视网膜上的图像都是倒立的，但我们的大脑会把它调节成正立的图像。

然后小组合作制作留影盘，认识视觉暂留。这个过程要让学生想办法使正反面小鸟和笼子同时出现在学生的眼中，让小鸟飞进笼子，学生就必须协作、交流、探讨，共同完成。

最后在此基础上，进一步探究如何改进费纳奇镜，理解视觉暂留。①教师带来了一张图画更多的画盘。先仔细观察，画盘上画了什么？每幅画之间有什么变化规律？②你能让图画变成动画吗？③教师出示材料，演示组装，注意观察。④你看到了什么？想一想：在做小鸟入笼动画时，小鸟出现，笼子就会消失；
笼子出现，小鸟就会消失。这里为什么没有成功？⑤出示观察盘，装在另一端。这样可以吗？⑥怎样改进？⑦需要观察到几幅图画？观察口什么形状？宽度多少？利用扇形盘，引导探究（物体近大远小）。⑧小组领取材料，组装、制作。⑨看到动画了吗？问题出在什么地方？⑩一个观察口只可以观察一幅图，一幅图会有变化吗？怎样改进？（剪多个观察口）……

在进一步探究、改进中，任务难度提高了，学生之间的讨论、协作就更加深入了。在这个案例中，学生围绕一个项目，以小组为单位，共同探究。每个学生都可以是探究的主体，大家一开始也许会各执己见，但随着目标的统一，探讨的深入，最终形成一致意见，协作完成任务。

五、注重创造力培养的过程

技术通过对原有的知识、资源的运用，通过人的设计与制作使我们的客观世界发生了变化，技术和工程创造了一个丰富多彩的人工世界。因此，技术学习一方面要培养学生的基本操作技能，另一方面，要大力培养学生技术发明、技术革新的意识和能力。对于小学科学教学来说，后者更为重要。

STEM教育能培养学生的创造力，创造力就是只有一个想法吗？肯定不是的。首先，创造力必须是一个综合的能力。其次，创造力是分析能力。这个分析能力指学生必须要去思考该如何解决问题，排除不可行的方法，留下可行的方法。最后，创造力也是实践能力，即能不能把想法变为现实。所以，学生在课堂上，在生活中，单有奇思妙想是远远不够的，完整的创造力需要在思考的基础上分析，然后把方法变成现实，展现给大家。

在教学苏教版小学科学六年级下册《共同的家园》单元后，关于“保护动物”这个话题，有学生提出他爷爷喜欢养鸟。可是，每天收拾鸟粪也让人烦心，有没有简单方便，又能干干净净地收拾鸟粪的办法呢？这是一个学生提出的自己能研究的好问题，教师建议他们可以从材料、机械等几个方面考虑如何解决这个问题，并且给他们一个星期的时间去完成。于是在这一个星期里，学生首先从收集鸟粪的材料做起。他們比较了报纸、硬板纸、塑料纸以及保鲜膜等，最终选择了保鲜膜，因为保鲜膜便宜，容易获取，也不会渗漏。然后学生还在家长的帮助下，对PE、PVC、PVDC这些不同材质的保鲜膜进行科学比较。结果当然是选择了牢固又轻薄、吸附能力强的PVC材质。在安装上他们也颇动了一番脑筋：先是在原来鸟笼的底板一边焊接了一根钢管，把整卷保鲜膜安装上去，在另一边也焊接了一根钢管，并且附带焊上了一根钢锯条，这样便于抽拉和隔断，但是这样也出现了一个换装不方便的情况。学生们联想到了以前学过的磁铁的性质，于是他们用钢筋焊接了一个铁架子，当作底板，上面放保鲜膜，用磁铁固定鸟笼底，这样换装起来方便又干净。

一个星期的时间，学生把科学的基础知识运用到实际生活中，遵循设计、比较、选择、改进等一系列的工程建造规则。孩子们从问题入手，到最后经历波折，解决问题，这个过程培养了学生的创造力。

值得注意的是，在STEM教育中，教师也要灵活地整合、融合，以真正提高学生的思维能力、创新能力、实践能力为目标，扎扎实实地推进STEM教育。

［参考文献］

【1】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，2015，21（4）：13-22.

【2】埃里克·布伦塞尔（美）.在课堂中整合工程和科学［M］.周雅明，王慧慧，译.上海：上海科技教育出版社，2005.

作者简介：岳静梅（1973—），女，江苏省宜兴市周铁小学。

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