例谈STEM教育在小学推进的两种有效模式
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【摘要】STEM教育是近年来非常流行的一种教育理念，它起源于美国，其核心概念是融合如科学、技术、工程、数学等学科的知识来解决生活中出现的实际问题。STEM理念的提出非常具有时代特征，在当今技术为王的人工智能时代，我们如何在原有的教学体系不变的情况下，在小学教育中浸透STEM教育理念，并使这种理念真正地在小学教学中落地生根，培养具备多学科融合思想的新时代的小学生，这需要思索，需要实践。
【关键词】STEM教育 学科融合 模式
小学阶段的学生，由于其知识水平不高，认知能力有限，所以如果盲目地推进STEM教育，可能会事与愿违。笔者经过一段时间的教学实践发现，可以在小学STEM教育中应用这样两种模式：一种是偏重探究的STEM教育模式，一种是偏重创新与造物的STEM教育模式。
一、偏重于探究与多学科融合的STEM教育模式
小学科学课是STEM教育在小学推进的一个重要阵地，而小学科学课的核心就是探究。探究的一般步骤可分为：发现问题、提出假设、收集证据、分析数据、做出解释、分析改进。这正是STEM理念所倡导的，运用多学科的知识解决生活中的问题。两者相遇，精彩不断。
案例1 “制作万花筒”
苏教版小学科学五年级《照镜子》一课中有制作万花筒的实验环节。A教师按照书中配的图片，找了一套网上的万花筒套件，让学生动手完成这样的环节。另一位B教师为了让学生深刻了解万花筒原理，融合了科学、数学、技术、艺术手段进行了如下创新改进。导入环节，先让学生观察万花筒里的图案，并画出形状。画出形状后，教师提问：这些形状有什么特点？生：都是一些图形的重复，这些图形都是对称的。数学教师上场，开始就这些图案的特点，介绍“对称”的概念，让学生体验对称之美。接着科学教师提出：为什么会产生这些形状？可能与什么有关？在学生经过一番讨论后，劳技教师开始出场，跟学生一起动手制作万花筒。经过一番动手，学生们发现可能与里面的镜子有关，科学教师顺势对平面镜的特点进行了研究。经过研究，学生们发现平面镜可以成像，平面镜可以反射光线。接着科学教师给出一个有一定夹角的两面镜子，在两面镜子中间放上一个红色的小球，并提出问题：怎么让镜子里的小球最多？你们打算怎么做？学生们进行实验操作，发现镜面夹角越小，镜子里的小球越多。为了让所有的学生看到自己小组成的像，信息技术教师上场给每组学生发放一个平板电脑，并教会学生如何与视频系统相连。于是课堂热闹起来了，各小组的学生都将自己的发现在大屏上直播、展示。随着技术的引入，整堂课鲜活起来，效果也明显了许多。此时数学教师上场，继续提出问题：如果我们给夹角设定为30度，60度，90度、120度，镜子里会成几个像呢？学生与教师又开始了定量的讨论。
案例分析：A教师完全按照书中的要求完成科学实验，学生制作也按部就班，看上去没有任何问题。B教师没有简单地为了制作而制作，而是运用先进的STEM理念，采用多学科融合的方式，将制作万花筒这一环节深入有效地开展下去。学生在多学科的融合中，感受到新理念的浸润，获得科学素养的提升。
案例2 “手摇风扇的智能演变”
苏教版小学科学四年级《齿轮传动》一课中有关于齿轮传动的探究活动。有位教师抛弃了传统的实验教学，而是将工程、技术、科学融合。首先他将这节课的题目定为“手摇风扇的智能演变”，然后出示情境，炎炎夏日，学校没有空调，班级的吊扇又不能随时吹到，怎么办？引出今天要研究的主角，手摇风扇。教师给出关于风扇的电子资料，学生们利用网络进行学习，了解风扇的结构。接着，教师抛出一个话题：如果要做一个手摇风扇，我们应该怎样做？需要什么材料？学生们开始利用网络搜索相关的知识，然后进行小组讨论。生：需要用到齿轮、各种结构件等。教师顺势给出一大包结构件：你们来试着搭建模型吧。学生立即利用工程学原理搭建。开始有的小组遇到了许多难题，但教师并没有介入，而是任其发展。接着教师让学生们一组一组展示，发现所有的小组都不能成功，教师在学生操作失败的基础上，让他们进行分析，找出问题所在，齿轮的选择，咬合的位置，结构的稳定性等方面进行再设计。通过几轮反复测试，学生们终于搭建好了稳定的结构，并能使小齿轮带动大齿轮，手摇风扇成形了，学生们都感到非常的开心。在工程学基础上，教师提出问题：要使大齿轮转动一圈，小齿轮需要转动多少圈？学生又在教师的带领下开始探究加速齿轮和减速齿轮。教师继续提出问题：如果我们不想用手摇，只要人靠近，风扇就可以转动呢？学生在教师的带领下开始熟悉超声波传感器的应用，然后利用图形化编程进行程序设计，最终学生在科学、技术、工程以及开源硬件的帮助下终于完成了一个智能风扇的制作。
案例分析：同样一节讲授齿轮传动的课，如果在科学探究的基础上融合工程学、信息技术学，就会创造出一种完全不同的实验课堂。
二、偏重于创新与造物的STEM教育模式
STEM教育的核心是解决生活中的实际问题，除了在小学科学课中普及多学科融合的理念之外，我们还可以利用“社团+”的时间进行偏重于创新与造物的STEM模式的开展。这种模式的核心是在课内实验的基础上，真正地运用数学、工程、技术等一系列的知识，并使用许多工具，如3D打印、激光切割、开源硬件等，造出解决问题的物品。
案例1 “提高洗手液使用率的研究”
在“提高洗手液使用率的研究”中，小创客们发现洗手液使用经常浪费，消耗很大，从而发明了“按压式取液器流量调节装置”。
发现问题：我们学校在每个厕所中都安放了免费洗手液供同学们使用，在使用过程中小创客们发现有个别同学经常用力按压，导致洗手液浪费现象严重。
研究问题：针对洗手液浪费这种情況，他们想到要开发一种可以调节按压取液流量的装置：使用者可以根据每次用量所需调节按压取液量，从而达到干净整洁又环保节约的洗涤效果。 设计方案并制作：小创客们在原有的按压取液嘴的基础上，增加一圈限位环，使取液嘴在不同的方向按压的行程不等，从而得到不同的洗涤剂量。
（1）为了使取液嘴在按动过程中精确控制行程，我们给原有的行程（取液嘴初始位置和容器盖之间）增加一个限位环。
（2）取液嘴在相应的限位环方向可以得到相应的按动行程，从而得到相应的取液量。
（3）在不需要用的时候可以将取液嘴拨到最高限位（0挡），防止失误操作。
通过STEM小课题的研究，小创客们通过设计、动手制作、反复试验终于发明了可以调节按压取液流量的装置;小发明被广泛应用到了学校安放有洗手液的各处，并获得了国家发明专利。通过调查发现，原本一周就要使用一瓶的洗手液，现在可以延长到三周了。
案例2 “如何控制吃药颗数”
在“如何控制吃药颗数”STEM小课题研究中，小创客们发现老人经常吃药忘记吃了多少，很不方便。于是他们融合多学科知识发明了“药丸颗粒测数器”。
发现问题：学生韩某某发现外公的血糖指标一直偏高，每天都要定时定量吃一种丸状颗粒的药，于是每次吃药前他会帮外公数药，久而久之他就感觉特别麻烦，不是倒多了就是倒少了，后来他的小创客研究小组成员就想能不能做一个简易的、相当于量具的小东西，让外公每次吃药时不再很麻烦地数药丸了。
研究问题：在生活中像这种丸状颗粒的药很多，如香砂养胃丸、补中益气丸、健脾丸等中成药，每次在吃前数药非常麻烦，所以做一种药丸颗粒测数器就很有必要了。
完成作品：药丸颗粒测数器是用一个旧的原配药瓶盖、一段喝鲜奶的塑料管和一小块塑料薄片组成。在药瓶盖中间开一个与塑料管一样大的孔，将塑料管插入孔中并用胶布与药瓶盖固定，再在药瓶盖侧壁贴着盖内顶处开一个半圆大的薄槽，能正好插入塑料薄片即可。取药时，将药瓶蓋换上“药丸颗粒测数器”，用手堵住塑料管出口，将药瓶倒置，药丸颗粒就会顺势进入塑料管，因为塑料管的长度是与定量药丸颗粒数量相吻合的，这时进入塑料管的药丸颗粒就刚刚好，再将塑料薄片插入药瓶盖，留在塑料管内的药丸颗粒就可以倒出来吃了，最后再换上新的原配药瓶盖，取药的过程就结束了。
通过STEM小课题的研究，结合数学、工程等多学科知识，小创客们发明的药丸颗粒测数器的优势就在于结构简单、颗粒数调整方便、实施简易可行、操作轻松，让取药丸的过程变得简单方便。
通过以上两种模式的实践，我们发现STEM 教育其实并不是遥不可及，也不是全用厂商生产的套装积木的简单搭建，而是要使这种理念与我们的教学相遇，与真实问题相遇，只有进入课程，STEM教育才能真正有生命，才能真正落地生根，才能培养出适应新时代发展的新型人才。
【参考文献】
[1]常咏梅，张雅雅.基于STEM教育理念的教学活动设计与实证研究[J].电教育研究，2018，39（10）.
[2]宋怡.STEM素养视域下的科学教学：审思与重构[J].现代教育科学，2018，NO.461（8）.
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