初中阶段STEM课程设计初步探讨获奖科研报告

初中阶段STEM课程设计初步探讨获奖科研报告初中；STEM；课程设计
大力培养创新型人才已成为各国促进经济发展与科技进步，提升国际竞争力的重要战略举措。

STEM课程作为一种培养学生创新思维的跨学科的新型课程，也越来越成为教育学界关注的重要话题之一。

STEM课程区别于传统的分科课程，它通常以目标为导向，引导学生进行工程设计。

随着STEM教育在国内逐渐兴起，STEM课程开发也迎来了火爆的局面。

我国已有多地区的中小学校开始逐步实施STEM课程的开发与教学。

但是在如火如荼的STEM 课程开发的热潮中，存在一些错误的做法，乱象也逐渐显现。

一些课程开发者没有遵循教育规律，没有分析STEM课程本身的特质，将STEM课程与学习3D打印机的使用方法、机器人编程设计等相混淆。

为此，有必要从STEM课程特质的梳理开始，探讨如何进行科学的“STEM课程设计”。

一、STEM课程及其特质
STEM是科学（Science）、技术（Technology）、数学（Mathematics）、工程（Engineering）四门学科首字母的缩写。

STEM课程开发最早是由美国科学基金会发起，联合众多科学家、工程师、数学家等人在20世纪80年代末提出的一种新型学习方法，它不是传统的单一课程学习，而是一种贯通各个学科的知识，以真实情景为背景，以问题为导向的系统的学习方法[1]。

因此，基于STEM课程的概念，研究者大多将其蕴含的特征归结为以下几个方面：跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性等[2]。

根据这些特征，引用柏毅[3]等人观点，可归纳出STEM课程的六大特质。

一是应包含S、T、E、M几大要素。

所谓“包含”，并不是简单地将几大元素组合起来，而是要将几大元素融会贯通，融合成一个新的“后设学科”。

二是以工程设计为主导。

目前的STEM课程大多以工程为主线、以科学为基础、辅以技术与数学，这是因为工程设计过程更能有效地整合这四大要素，强化学习过程与结果。

三是关心现实问题，注意在真实情景中学习。

现实问题可以提高
学生的学习兴趣，有利于建立课程与真实世界的联系，实现更有目的的学习。

四是以学生为中心，主动实践。

STEM课程是一种以学生为中心，以教师为辅助者的课程，要求能够使学生积极主动地加入课程学习。

在此期间，教师要为学生搭建学习的“脚手架”，引导学生主动学习。

五是学生通过合作学习，参与整个过程。

合作学习是STEM课程的重要组成部分，学生可以通过合作解决问题，加深对工程过程的理解，提高学习兴趣，达到更好的学习效果。

六是结果开放，允许出现多种结果或答案。

在课程中进行工程设计时，学生可能会提出不同见解和不同的设计，虽然结果可能与预期结论不符，甚至可能是错误的，但“试错”却是学生通过实践自我提高的重要过程，因此教师要允许出现开放性的结果。

由此可以发现，仅将科技活动换一个名目，硬是将其称作“STEM 课程”的做法是不可取的。

因为这些活动可能仅仅包含这六大特质中的一部分或者完全不具备STEM课程应有的特质，这样开发出来的课程可以称为“科技活动课”，但却不是真正意义上的“STEM课程”。

二、基于六大特征进行的STEM课程设计简述
基于以上六大特征设计STEM课程时，可参考以下基本脉络：前瞻课程—活动课程（包含三节有独立知识点的活动课）—总结课程。

在此，以江苏省太仓市第一中学初一年级“降落伞制作”项目为例，对课程的设计与实施进行说明。

“降落伞制作”项目是由东南大学儿童发展与学习科学教育部重点实验室主导，联合太仓市第一中学共同开发的。

该项目针对初中一年級学生，尝试通过STEM课程对其跨学科综合能力进行锻炼与提升。

在前瞻课程中，教师要提供相关科技材料供学生阅读，目的是考查学生的前概念，了解学生的知识或经验基础，以便可以根据学生的实际情况对课程重点进行调整。

在“降落伞制作”项目中，教师提供了如下前瞻材料。

达·芬奇于1483年在一个记事薄上绘制了人类第一个降落伞的设计图。

他设计的降落伞和现代降落伞并不相同，它包含4个等边三角形，每条边长达7米，设计草图中还包含一些木头框架，它的外形看起来像是一个金字塔。

达·芬奇在这张图旁边写道：“如果有人用
一大幅涂上树胶的麻布，每边长12码（约10.97米），高12码，那么不论他从多高处跳下来，都不会受伤”。

教师根据这一材料提出的问题是：请你思考一下，达·芬奇的设计是否可行？并说出理由。

在上课之前，研究人员曾预测：当代初中生已经具备了一定的科学素养，因此他们给出比较科学的回答，即能够简要描述文字材料中所提出的降落伞模型是否可行，并提供能够支持其结论的依据。

之后，组织实施这一课程的教师与研究人员对学生的答案进行了汇总与分析，发现结果并没有如研究者所预测的那样。

当教师请学生分析达·芬奇的设计是否可行时，学生的回答五花八门，十分出人意料。

如“木头框架要砸死人的”“涂上树胶的麻布会被戳破的”“不可行，因为从来就没有看见过现代降落伞是这个样子的”，等等。

并且几乎所有学生都认为达·芬奇的设计“不可行”，而判断“不可行”的依据仅仅是从个人主观推断或经验得出的。

这样，从课程试讲阶段前瞻课程的结果可以看出，刚刚接触STEM课程的初一学生的科学素养水平较低。

对学生的回答进行进一步分析可以发现，学生主要缺乏的是一些基础科学知识与基本的科学素养，综合能力有待提高。

教授这门课程的太仓一中的叶耀老师认为，学生出现这种回答，其根本原因是缺乏“科学阅读”的基本素养。

在试讲结束后，叶耀老师在对课堂活动进行总结时提到：一线教师通过多年的教学实践发现，学生在初中阶段数理化各学科的学习中，“读题”一直是一个大问题。

有些学生无法从题目中提取有效信息，进而导致无法运用已经掌握的知识来解答问题或得出正确结论。

因此，学生能否通过材料获得有价值的信息，即学生阅读时的目光是否停留在有效信息上，也是决定学生能否高效率地开展STEM活动的基础。

在第二堂课上，为了能够提高学生的阅读效率，教师与研究人员通过对学生提出以下要求加以引导：第一步，将你认为的材料中的核心词组标识出来；第二步，将划出的核心词组分类；第三步，将核心词组归为“目的”与“条件”两类；第四步，判断利用所列出的“条件”能否达到“目的”。

通过这些步骤，学生认识到问题中的“无论从多高处跳下来都不至于受伤”才是关键。

这时，当学生再次围绕阅
读材料回答问题时，也就能够由“经验之谈”转向“由材料所推导的结论”。

在前瞻课程的最后，教师要求学生制作一个初步的降落伞模型，并思考哪些因素会影响降落伞的性能。

在此基础上，任课教师提供了相关微视频，使学生可以学习“自由落体由于重力加速”“空气阻力与面积、速度有关”等科学知识，帮助学生认识“力对速度改变的贡献”。

之后的课程，针对学生提出的影响降落伞性能的几个可能因素，由学生亲自一一测试并探讨。

这个过程持续了整个学期，学生在学期结束之前要完成最终的工程任务，即小组合作制作一个降落伞并能实现以下功能：将一个鸡蛋放在降落伞上并让降落伞从四楼的高度自由落体至地面时，鸡蛋不会损坏。

学生就这一主题进行了合作，最后统一测试，并汇报了测试结果（包括工程图纸、小组合作分工说明、测试视频、测试数据、测试结论等）。

“降落伞制作”的STEM课程，以达·芬奇的设计为指引，突出了真实情境的工程设计，并且包含了STEM的全部要素，以学生为中心进行了合作学习，在设计中并不要求答案唯一，学生可以根据自己对降落伞的理解进行设计制作，最终通过测试来选出最优方案。

本课程也包含了STEM课程所应具备的全部六大特征。

三、课程实施过程与课堂评价过程简述
经过前瞻课程的工程合作，学生们大致可以发现，影响降落伞性能的因素主要是降落伞的伞面面积、伞面形状、伞绳长度等。

因此，之后的课程学习便围绕这三点进行了系统科学的论证。

课堂也并不仅仅是学生开展合作探究活动的地方，还是对学生能力进行评价的场所。

要了解一个学生的“STEM能力”（即综合运用科学、技术、工程、数学等跨学科知识的能力）究竟如何以及通过课程学习后这种能力是否有所提高，就要在课堂活动过程中进行评价。

这种在课堂活动过程中进行的评价与学期末的总结性评价相互补充，可以提升评价的准确性与完整性。

在STEM课堂上使用的评价方法是基于工程活动过程的形成性评价[4]，在“降落伞制作”的STEM课程评价量规中，采用了五点计分法（0-4）评价学生的六个方面：识别问题、创建设计（蓝图）、建立模型、检验和搜集数据、分析数据与再设计、交流结果（汇报与建议
书）。

为了使评价更加明晰，尝试了将评价标准以雷达图的形式呈现（见图1）。

以学生在以上六个方面的表现为不同维度，通过对每个学生的分数评定，将学生在各维度上获得的评价分数绘制在图中，便可以清晰地了解学生的能力分布情况了。

如图1，是一名学生在一学期结束时，教师根据其表现画出的六维能力分布图。

在前瞻课程（第一堂课）中，对于“达·芬奇的设计是否可行”这一问题，这名学生给出的回答是“可行。

因为下降时空气会进入麻布里，从而造成阻力，使得降落伞速度变慢，所以是可行的”。

这个答案准确地识别出了问题的关键是要考虑降落伞对从高处降落的人的影响，而不是诸如“麻布会被戳破因此不可行”这种浅表的问题，因此获得了满分（4分）。

在之后的课堂活动中，这名学生在绘制蓝图、建立模型的过程中也表现出了较好的能力。

因此任课教师与研究人员一致认为，该生在这两项中也可以得到高分。

而在检验和搜集数据这一项，这名学生记录数据的方式不太合理，数据结构混乱，得到的评价分数较低。

但是经过小组讨论之后进行再次数据收集与分析时，该生能够吸取经验，改善了数据记录方法，因此又得到一个较高的评价。

最后在交流结果时，由于这名学生比较内向胆小，表达时不够流畅，因此评价分数较低。

通过这样的能力分布图，教师可以在每一个活动结束后完成对学生的形成性评价，使每个学生的优势与不足都可一目了然，同时也得出了学生在本学期的STEM课程中能力发展的情况。

“降落伞制作”的课程设计也完全包含了這张评价表所要评价的内容。

例如，学生需要识别出每堂课的重点内容，如果某一堂课以研究降落伞伞面的面积为主题，而学生探究的却是伞面的形状，则说明他们没有准确识别问题；之后针对每堂课的工程任务，学生要设计蓝图、建立模型、收集数据、得出结论、交流汇报。

这些都可以通过这样的评分标准进行评测。

四、结论
STEM课堂作为一种新型课堂，要求学生通过跨学科项目任务的完成来获得知识和发展能力，显然转变传统的课堂教学形式是实现STEM教育功能的重要基础[5]，而仅仅通过改变课堂内容是无法满足要求的。

有些教师在STEM课程开发中更多地关注了科技本身，错误
地认为只要运用了足够高科技的硬件设备，就可以称之为STEM课程，这也是STEM课程设计中最大的误区。

从“降落伞制作”的课例来看，显然并不属于高科技的主题。

高科技固然也可以成为STEM课程涉及和表现的一个方面，但是从简单的随处可见的生活事物中也能提炼出STEM课程的主题，并且可能更加符合STEM课程的特质，更有利于实施真正的STEM教育。