融入STEM教育是小学科学课程不可回避的问题，所以小学科学老师要了解STEM教育，我们也要考虑在课程里面融入STEM课程设计。人教版《科学》教材中同样加入了STEM课程体系设计。
张军霞：人民教育出版社理科综合室负责人
本文系 张军霞在第三届中国STEM教育大会上的主旨报告，正文如下：
融入STEM教育是小学科学课程不可回避的问题。
STEM教育重要性，自然不言而喻。国际经验表明STEM教育有助于培养学生的科学探究能力、创新意识、批判性思维、信息技术能力等适应未来的关键能力，并有可能在未来生活和工作中持续发挥作用。因此STEM教育成为发达国家保持卓越、领导世界的主要着眼点。
在科学界和教育界的共同努力下，STEM教育于本世纪初逐渐走入基础教育，特别是2010年前后成为以美国、英国为代表的国际科学与技术教育新兴的教育实践和研究范式的主流。
与我国小学课程相关的有几个重要文献，一是《中国学生发展核心素养》，它是各个学科核心素养的引领。学生发展核心素养，主要指学生应具备的，能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，包括三个方面、六个要素、十八个基本要点，其中科学精神与科学相关，责任担当、实践创新提到问题解决、技术应用、社会责任，都与小学课程相关。
中国学生发展核心素养
另外一个文件是《小学科学课程标准》，其中明确提出倡导跨学科的学习方式，主要是STEM教育，提出STEM教育是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，将科学、技术、工程、数学有机融合为一体，有利于学生创新能力的培养。所以科学教师要尝试将STEM教育用于自己的教学实践。
美国《新一代科学标准》中的“科学与工程实践”，从这些条目中可以看到美国提出将科学与工程融合在一起。因为在上世纪末和上世纪初人们探索科学与工程关系往往是并列，科学与工程实践联系十分紧密。
美国每隔五年会出一个STEM教学法，在2018年明确提出STEM教育目标是夯实STEM素养基础，增加STEM教育的多样性、公平性、包容性，为未来准备STEM劳动力。
美国推进STEM教育路线图
STEM成功途径有重视跨学科学习，重视计算思维，这些都是在美国《新一代课程标准》里面提到的，在《STEM五年战略计划》中提到STEM成功途径里面明确提出计算思维。
小学科学老师面临各种科学教师培训，要求老师也要了解STEM教育，依托现有学科培养教师培养的现有条件，优化课程结构。加强在职理、化、生、地、科学、计算机、综合实践活动等领域教师培训，通过项目参与方式，探索和深化STEM教育。未来要构建我国STEM教师的素养标准，所以小学科学老师要了解STEM教育，我们也要考虑在课程里面融入STEM课程设计。
理解STEM教育
小学科学老师首先得厘清三个问题：什么是STEM教育？STEM教育与现有的课程如科学、信息技术、总结实践、通用技术、研究性学习、校本课程的关系是什么？各类科技活动都能被贴牌成为STEM教育或创客教育吗？
科学、技术、数学、工程的含义，有一些老师会比较熟悉。
科学指提出关于自然界的问题，以基于实证的解释的方式给出合理普通的答案，形式或反映自然、社会、思维等客观规律的知识体系。
技术是解决问题的工具、方法和经验的总称。有经验的科学老师会知道，原来在自然科学的教学里面很注重技术设计，或者是技术制作。
数学是研究空间形式和数量关系的一门科学，是一个分析工具。在小学科学里面经常会用到一些表格和简单计算，有时候会用到统计量表工程是运用科学原理和技术手段创造人工物体的系统性的、经常反复的过程和途径。
科学、技术、数学、工程之间具有相关性，技术应用于工程，数学应用于科学，科学发展是得益于技术工程的发展。工程主要是培养创造力，要面向造物世界，要设计搭建模型和构建系统。科学是应用科学方法，发现周围世界的规律，科学家要研究和建构有关世界的概念、模型和理论，主要运用的实践方法就是属于科学的方法。科学和技术、工程、数学如何能够结合起来？
STEM各要素之间的关系
从什么问题入手，可以分析什么是科学问题，什么是工程问题。源于自己、源于某一现象属于科学的问题。源于需要解决的某个难题是属于工程问题。举几个例子，衣服能给身体增加热量吗？这属于科学问题。怎样让杯子更保温？属于工程问题。两个貌似不同的问题，其本质也都是热学中能量的传递问题。不同坡度的斜坡对提升物体有什么影响，这属于科学问题。怎样改造一个空间有限的过街天桥，使人推自行车在上面更省力，这属于工程问题。
从工程问题入手，融合科学和工程学，所以这是我们将STEM引入小学科学课堂的思考。将工程思想和实践引入科学课堂，侧重于连接科学与工程少数的重要概念（我们有18个大概念，这些概念需要我们在STEM课程或者STEM单元里面进行学习培养）。开发与科学探究工程技术相关的实践，科学教材或者科学教学需要通过科学实践表达，所以我们要更出色、更真实地开展科学探究与工程实践
体现STEM教育的特征
《STEM教育的国策分析与实践模式》一文中分析国际上STEM教育实践特征：教育理念要“能力为本”，实时策略应“整合为要”，实践应用是“项目引领”，课堂教学需“继承创新”，生态发展是“多方合力”。
我国STEM实验的特征有九个，努力打造STEM课程的跨学科性、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性、技术增强型。STEM课程应具有详实的脑科学、认知科学和教育科学研究基础，以人的发展为制高点，具有不断的发展性。
采用STEM课程模式
现行的STEM课程模式，基本上采用集合整合式，强调各个领域之间的关联。不是简单将各个领域拼凑在一起，而是有目的、有方法、有系统的组合。科学与工程问题往往是课程的主要线索，围绕主线创造一个多维空间，从而为学生提供一系列具有一定程度关联性的学习经历。
我尝试将STEM的课程按不同的角度进行分类。
1、从教育层次架构分类，分成四类，一是泛科技资源的资讯型科普教学；二是项目型课程（跨学科问题解决）；三是整合性学科（一个专门的交叉学科）；四是嵌入式课程，单学科助推型课程，基于小学的科学课程教材来在教材体系里面反映STEM的课程，就属于嵌入式课程。
2、按整合取向及学习模式分类：学科知识整合是基于问题的学习模式，生活经验整合是基于项目的学习模式，源于工程任务基于项目学习的学习一般是倡导从生活经验出发。学习者中心整合基于面向体验的学习模式。
3、按问题类型分类，基于问题的，更多是科学探究；基于设计是技术制作，也是老师前几年自然到科学的过程当中具体制作；基于项目是工程实践。
4、按实施方式分类，有验证型、探索型、制造型、创造型。
5、按支持程度分类，分为开放型与支架类。
6、按层次分类，分为省级STEM教育、地市级STEM教育、区县STEM教育、校级STEM教育、学科教材融合STEM教育、学科教师设计STEM课程。
落实STEM课程的特质
STEM课程有6个特征，一是融合S、T、E、M四个要素。STEM是一种“后设学科”，即基于不同学科间融合之后形成的一个新的整体；二是以工程设计过程为主导。现在接触到的STEM课程，大多是以工程为主线，科学为基础，技术和数学为应用的课程；三是关注现实问题，注重在情境中学习。
四是以学生为中心。教师是引导者，通过问题的提出及由浅入深的环节设置逐步引导学生独立解决问题，学生是活动主体，发挥自主能动性，通过激发出的对课题的兴趣进行主动探索，尝试解决问题和建模，并对自己所收集的数据进行分析。
五是团队合作、参与。STEM课程需要全体参与，与他人合作，分享观点，并且通过与他人的对话提升自己的见解。六是结果开放，允许多个答案。源于真实的情境，通过头脑风暴，筛选真实的需求。
三个特征
1、 源自身边的工程与技术问题
源自身边的工程与技术问题，突出STEM课程的特征。下图是一到六年级的STEM单元，这些内容都是源自于学生身边的工程与技术问题，有一些问题是前文单元涉及到的问题，到这个单元进行STEM的探讨。我们在教材里面实现STEM单元设计，真正有课时保障的落实到课堂教学里面，可以说是标志着STEM教育进入常态的课程和教学。
一到六年级STEM单元
2、实现科学探究向STEM的转变
我们要将问题转化为STEM问题。解决工程问题时必然会涉及到科学知识和原理，所以从工程技术的角度出发设计的活动更容易达成科学、工程与技术的共同发展。
3、突出STEM课程的特点。在设计单元的时候要思考依据前面的STEM课程特征六点，要思考每个单元课程设计。
突出STEM课程六个特点
单元设计总体思路
创造一个源自身边的情境，提出问题设计要求，给学生补充学生背景经验，最后进行问题解决或工程设计。比如一年级下册《做个指南针》，问题引入后确立做指南针任务，背景经验是认识指南针，然后设计指南和展示交流。我们要做一个指南针要有背景的经验积累，这就是认识指南针结构，然后设计制作指南针。
单元设计
再举一个例子，五年级上课本《太阳能热水器》，问题引入是确立制作简易太阳能热水器任务，背景经验活动是认识太阳能热水器原理，设计和制作简易太阳能热水器，最后检验、改进、交流。
这是五年级下册的单元内容，大家可以看到第一单元有关于热传递、热传导、热辐射，热辐射是跟太阳能相关。第四单元有光、太阳能反射，也是跟太阳能相关。这些内容基础上进行第五单元的学习。
五年级下册单元内容
第一单元是热传递，认识热对流。第三单元是光，光沿直线传播，太阳光由不同颜色组成，布头颜色、材料吸收和反射光的能力不同，设计太阳能热水器知道选择黑色还是白色，还有光反射，这是给学生STEM课程学习的时候提前铺垫的背景经验。第五单元，认识太阳能热水器，要认识太阳能热水器的结构，比如有集热，有角度架、储水箱、反射板，太阳能热水器的原理是黑色吸热能力最强、热对流、反射光能集中太阳能，有了这些经验就开始制作简易太阳能热水器，首先要设计，然后制作，最后是改进与交流。
我把设计太阳能热水器教学过程详细的展现出来，首先是回顾太阳能热水器的结构和工作原理，了解工程项目，学生要讨论简易太阳能热水器设计方案，这时候老师给一些材料，在教室里进行设计。
设计太阳能热水器教学过程
回顾太阳能热水器结构和工作原理的时候，给一个太阳能热水器简单剖面图，热水箱在上面，集热管是黑色，有一个倾角。里面会有热水、冷水热对流。
然后要了解工程项目，设计一个情境，如非洲医疗队地方没有热水。每个小组设计一个能在15分钟内能让200ml的水升温的简易热水器。
接下来讨论简易太阳能热水器的方案，设想可能利用哪些材料可以制作太阳能热水器。这样在此基础上逛各种“材料超市”，了解各种材料的价格，进行成本核算，初步选定设计方案。
最后完成简易太阳能热水器的设计方案，列出需要材料种类、数量、架构、工具，绘制太阳能热水器设计图，简单评估本组设计的可行性，预测加热效果。孩子们在讨论基础上绘制的设计图，比如说有反射板要用黑色的瓶子，要有一个测量温度的温度计。学生逛了材料超市根据设想确定材料，然后完成成本核算表格。
我们在每个单元教学里面都会有评价量表，会有关于成本核算、设计图、小组合作等方面评价量表。还有单元评价，根据成果，热效率是否符合太阳能热水器的原理进行单元评价。
在单元后会给一个回顾单，也是一个单元评价。回顾单的形成是有依据的，老师们如果学过科技学堂里关于STEM案例教学，会熟悉这个撰写工程建议，有四个角度，设计、预算、检验与数据、综合陈述。设计里面要有清晰的图、图注、材料、比例，因为你要让客户理解你建议和采纳你的设计，所以图要画得很清晰，比例合适，要标注材料。预算里面是把价格成本呈现出来，需要给客户呈现设计模型检验效果，所以需要有一个数据、图作为检验效果。最后是综合陈述，用检验结果说明为什么设计与模型是最好的选择。
单元回顾单
以上是我向大家很快速介绍了基于我们小学科学的课程教材里面的STEM课程设计。谢谢大家。
***** by NIES' Future School Lab*****
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