小学STEM课程科学探究活动的教学设计研究

1.绪论
1.1 研究背景与研究问题
1.1.1 研究背景
一、STEM教育的蓬勃发展
如今步入21世纪，知识经济高度发展，科学技术是第一生产力，决定着国家综合实力的重要因素不再是强舰利炮，而是科技创新型人才。STEM教育就是在培养创新型人才的时代要求下应运产生的。它最先在美国产生，逐渐发展扩大到全世界范围被广泛推崇，上至高等教育，下至基础教育，很多国家不断增加在STEM教育方面的投入，以此来促进本国STEM教育的深入推进，其共同目标都是培养具备STEM综合素养的现代人才。
STEM教育的传入得到我国政府和教育部门的大力支持，2017年，《中国STEM教育白皮书》 的颁布标志着STEM教育在我国的发展进入到了一个新阶段。《小学科学课程标准》 规定物质科学、生命科学、工程技术学等内容都是科学的重要内容，与STEM的科学、技术、工程等学科相一致，这说明STEM已经走进了基础教育的课程中。近年来深圳、北京、广州等发达城市，极力推进STEM教育的落地普及，从教育机构或企业到学校、从基础教育到高等教育、从兴趣班到学校课堂，专门引进国外STEM课程项目或者自主开发设计STEM课程项目，效果显著。
二、小学科学新课程标准的要求
新课标《小学科学课程标准》2指出：科学以探究为核心。培养小学生的科学素养是小学科学课程改革的根本目标，科学探究活动是获得科学知识、科学技能，提升科学素养的重要方式。 “自主、合作、探究”的教育理念是指导教师教学行为的重要指南。因此在推进科学课程体系改革创新的基础上，同时教师也要创设自由愉悦的学习氛围，设计更加丰富多样的科学探究活动，让学生亲身经历科学探究过程，为学生提供更加充分的探究机会，从而培养他们自身的探究能力和创新能力。
1.1.2 研究问题的提出
目前我国STEM课程主要是以项目的形式开展，通过基于项目的学习（PBL）进行跨学科整合实施。针对一个主题进行深入的学习，学生进行主动探究，培养科学探究精神。STEM课程有两大支柱，分别是科学探究和工程设计。学生只有经过科学探究获得科学知识，发展科学技能，真正理解科学原理，才能顺利地进行工程设计活动。然而在实际的STEM课程实施中，教师容易忽视了科学探究，没有真正理解科学探究在STEM课程教学中的意义和作用，在教学中不注重学生科学探究的过程甚至没有安排学生进行探究，学生没有亲历探究过程，在没有获得科学概念、科学原理的基础上就直接进入工程设计环节，这容易使STEM课堂流于形式，变成一个 “手工课”，学生没有真正理解其中的科学知识，不具备足够的科学精神，长久

下去，就会导致教学质量下降，不佳的探究过程更会消磨学生的好奇心和求知欲，缺乏参与课程活动的兴趣。
所以本研究针对此问题进行STEM课程科学探究活动的教学设计研究，希望能给一线教师在进行STEM课程科学探究活动教学设计时一些指导和参考。
1.2 研究内容和研究意义
1.2.1 研究内容
本研究将通过对STEM教育、STEM课程以及科学探究等相关研究进行全面细致的梳理：
①了解STEM教育的起源及发展，将从STEM课程的目标、内容/体系、模式等来进行分析STEM课程实施的国内外研究现状；揭示科学探究活动的国内外研究现状。接着对本论文涉及的核心概念，如STEM教育、STEM课程、科学探究、科学探究活动等进行了界定，并为STEM课程科学探究活动的教学设计研究寻找理论基础。
②通过论述STEM课程的跨学科、综合性学习等特点，以及科学探究活动的过程性以及开放性等特点，阐明科学探究活动是 STEM 课程的重要组成部分。
③通过对现有文献的分析，详细地论述三个具有代表性的STEM课程科学探究活动的教学模式。并分别针对一个典型的课程案例教学设计进行分析，最后总结出设计STEM课程科学探究活动的四个原则。
④基于以上的设计原则，选取小学STEM课程《设计再生纸》的科学探究活动《探究影响液体蒸发快慢的因素》进行教学设计，作为一则参考案例，提供一种STEM课程科学探究活动的教学设计思路。
1.2.2 研究意义
STEM教育强调跨学科，整合多学科的知识，学生亲身参与实践过程，进而发展自身的实践能力和创新能力。因此，STEM教育对于基础教育课程改革来讲，具有重要的意义。而本研究进行小学STEM课程科学探究活动的教学设计研究，对于一线教师在进行STEM课程实践时具有指导和借鉴作用。
一、理论意义
本研究将会在一定程度上丰富关于STEM课程的设计开发、小学STEM课程科学探究活动设计的相关理论，这对STEM教育和科学探究本身也具有一定的理论意义和研究价值。
二、实践意义
本研究将探索小学STEM课程科学探究活动的教学设计研究，可为小学STEM课程科学探究活动的设计提供科学可行的教学设计思路及可实施的课堂活动流程，对教师进行相关探究活动的教学设计提供方法上的指导和新思路。通过引导学生运用科学的方法，客观地观察探究科学现象、思考并解释科学问题，进而能在一定程度上培养学生的科学态度和科学精神。
1.3 研究方法和研究思路
1.3.1 研究方法
一、文献研究法
文献研究法主要指搜集研究前人的研究和文献，通过整理分析，形成一种对事物的客观认识的方法 。本研究将对中国知网期刊总库、硕博士论文数据库等资

料库进行检索，搜集“STEM教育”、“STEM课程”、“科学探究”、“科学探究活动”等关键词的国内外相关文献，并有效地对这些文献整理、分析，为本研究的展开提供理论的支持和方法上的指导。
二、案例分析法
案例分析法，是如今在教育研究中使用较广泛的一种描述性研究方法，是对有代表性、典型性的案例进行深入而仔细的研究，从而获得总体认识的一种科学分析方法 。本研究基于三种教学设计模式将分别选取一种具有代表性的STEM课程案例进行深入的分析，了解其设计过程。并且将选择小学STEM课程《设计再生纸》的科学探究活动进行教学设计，作为一个参考案例。
1.3.2 研究思路
本文在时代背景、研究问题的指引下，通过对相关文献的研究，首先梳理了STEM教育的起源发展、国内外STEM课程的研究实施现状、科学探究活动的研究现状；对STEM教育、STEM课程、科学探究、科学探究活动等本论文涉及的核心概念进行了概念界定，并为STEM课程的科学探究活动的教学设计研究寻找理论基础。接着分析STEM课程和科学探究活动的特性，阐明科学探究活动是STEM课程的重要组成部分。其次，通过对已有文献的分析，选取三个具有代表性的STEM课程科学探究活动的教学模式进行阐述，并为每一种模式都选取一个典型的教学设计案例进行深入地分析，总结出小学STEM课程科学探究活动的设计原则。基于以上总结的原则，笔者选取小学STEM课程《设计再生纸》的科学探究活动《探究影响液体蒸发快慢的因素》进行教学设计作为一个参考，最后总结本次研究结论，反思本次研究的不足。研究线路如图1-1所示：

图1-1 研究线路图
2.研究综述
2.1 STEM课程的国内外发展现状
2.1.1 STEM教育的起源
美国是STEM 教育的起源国家，在 STEM 教育的发展过程中，起着非常重要的作用。20世纪90年代初，美国国家科学基金会（National Science Foundation）正式确立了STEM 新教育理念，表示科学（S）、技术（T）、工程（E）和数学（M）多学科的有机整合 。
21世纪初，美国发布了《美国竞争力计划》 ，指出国家要想保持全球核心竞争力，关键要培养具备STEM综合素养的人才，因此需要加强学校教育来培养学生STEM综合素养。2007 年，美国《国家行动计划:应对美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需要》 提出了衔接 K-12 阶段与大学本科阶段的 STEM教育，说明STEM教育从高等教育走向了基础教育。
2.1.2 STEM课程的国外发展现状
STEM 教育的核心是培养学生的跨学科知识和能力，同时也注重对学生创新能力、问题解决能力、团队协作能力等新技能的培养。STEM 课程作为 STEM 教育的一

个重要载体，其实施落实情况也间接体现了STEM教育的实现成效。通过对“STEM课程”文献的搜集和整理，以下将从STEM课程的目标、内容、教学模式这三个方向来分析国外STEM课程的研究现状：
一、STEM课程教学目标
关于STEM课程的教学目标没有统一的标准，应根据不同国家、不同地区、不同学校、不同课程等方面具体去分析。这里针对不同国家的发展目标对STEM课程提出不同的目标要求进行分析。美国《新一代科学教育标准》 （NGSS）也提出了STEM课程的目标主要是培养学生的问题解决能力和创新创造能力。《理解整合性 STEM 教育》 也阐述了通过让学生获得科学、技术、工程、数学等多学科的知识技能，促进对这些学科理解，发展21世纪核心技能。
除了美国之外，德国也格外重视STEM教育，相较于美国的目标，德国的STEM 课程目标更加重视学生对STEM 职业的热情和意愿。并且还建立了许多“校园实验室”的课外教育设施，用来培养未来的工程师和科学家 。
澳大利亚的教育发展处于世界前列，政府实施STEM教育主要为培养大量优秀的科技创新人才，在资金上大力支持，积极引进其他教育强国的STEM项目，促进学校STEM教育的发展，培养具备多个学科知识与技能的创新型人才，提高本国国际竞争力。
二、STEM课程内容
目前STEM 课程内容的设置主要分为两种形式：一是“独立学科”；二是“整合学科”。这两者的主要区别是学科内容之间是否相互融合、相互渗透。
“独立学科”是将STEM的学科拆分开来进行授课，单独开展科学、技术、工程和数学的分科教学，各个学科之间很少甚至没有渗透融合，这种内容设置形式主要是在 STEM 教育发展前期存在。
相比较“独立学科”比较单一的分科教学方式，“整合学科”的方式显得更加多元化，比较常见的有：
（1）STEM各个学科同时展开教学，但某一阶段更加强调一个或其中两个学科的学习。
（2）将其中一门学科嵌入到其他学科的教学中，例如将技术学科融入到科学、工程和数学学科的教学中。
（3）将STEM这四门学科融合成为一个有机整体展开教学，如美国教育部的iSTEM（integrative Science Technology Engineer Math，综合STEM）项目 ，就是通过工程设计的过程将其他学科的内容连结起来的。
三、STEM课程教学模式
由于STEM课程的跨学科综合性特点，决定了项目式学习（Project-Based Learning）是STEM课程主要的开展方式。在美国，STEM课程主要分为两种类型，一种是科学探究类STEM课程，另外一种是工程设计类STEM课程。其中科学探究类课程比较具有代表性的教学模式为5E探究教学模式。
5E探究教学模式是由美国生物科学课程研究所（

BSCS）的主要研究者贝比（R.Bybee）发展起来的 。这一模式强调的是以学生为中心，运用调查、实验的方法，通过小组合作学习解决问题，促进学生对科学的理解和完成知识的建构。其分为5个学习阶段：参与（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）评价（Evaluation），每个阶段有其不同的作用，从而帮助教师能够更好地对学生进行指导，有利于学生循序渐进地掌握知识和技能，5E教学模式常常被用于STEM课程科学探究实践教学中。
2.1.3 STEM课程的国内研究现状
在中国知网上，以“STEM课程”为篇名进行高级检索，截止到 2019 年 3 月20日共检索出 142条结果。文献发表年度分布情况如图2-1所示，可见“STEM课程”相关研究从2016年呈快速上升趋势。对文献内容进行分析，将国内关于 STEM 课程研究的状况分为以下两方面：一是关于国外 STEM 课程发展的脉络整理和对典型课程案例的介绍分析，从而了解 STEM 教育和STEM课程的内涵；二是关于STEM 课程的建设及实践，主要是指 STEM 引入国内后，结合我国教育国情现状，实事求是地发展、构建、实施 STEM 课程，将其本土化。以下将从STEM课程的目标、课程体系、教学模式这三个方向来分析国内STEM课程的研究现状。

图2-1 STEM教育相关文献年度分布图
一、STEM课程目标
2017 年教育部印发的《小学科学课程标准》强调，整合科学、工程与技术等多学科的内容，通过自主探究和小组协作的方式培养学生收集与处理信息、分析与解决问题、批判性创新性思维、交流合作等 STEM 综合素养 。学者傅骞、刘鹏飞指出，不同的STEM 教育应用模式有不同的教育目标 ，具体分析如表2-2所示：
表2-2 傅骞、刘鹏飞的教育应用模式

二、STEM课程体系
关于 STEM 课程体系，教育学者、机构、各级学校等都还在积极的探索着。纵观目前我国存在的 STEM 课程体系，大体上可以分为两类：
一种借鉴国外的 STEM 课程体系设置；一种则是结合我国教育国情，根据本土化需求直接开发，以 Arduino、Scratch、3D打印等为课程内容的依托，学生重在完成电路设计、编程的编写等任务 。例如，于方军、陈华运用scratch语言设计了BYOB软件 ，教师指导学生编写程序，学生参与了整个项目过程，创作动画课程，构成融合科学、技术、工程、数学的知识体系。目前以乐高为载体的STEM 教学备受中小学的关注，教育部-乐高“创新人才培养计划”合约的签订，在全国建立了10 个针对教师STEM系统化培训的基地，期望能通过教师培养学生的创新实践能力。STEM还可以与科学、生物、化学等基础学科结合形成新的STEM项目。例如：刘晴 在新能源汽车

的背景下，将制作铝空气电池作为教学内容，根据STEM教育的跨学科特性，引导学生主动探究并设计各种铝空气电池，然后进行测试和优化，最终制作出新产品。
由此可见，国内 STEM 课程的构建主要是将科学、信息技术、生物、化学等相关学科作为依托，注重在具体的学科课程中进行STEM 教育相关的研究，验证了STEM 教育不仅能够促进学科知识的掌握，也能够培养解决问题的能力，为设计开发 STEM 课程提供了研究基础和新思路。
三、STEM课程教学模式
在我国，在STEM课程中常用的教学方法主要有任务驱动法、问题探究法、案例教学法、讲授法和讨论法等，大部分教师会灵活结合使用这些方法。此外，现在5E模型教学法也深受很多教师的喜爱，有的研究者在其基础上针对STEM课程教学模式进行了拓展创新。
李扬提出的UIRDE模式 ，为了解决“教师需要学习大量专业内外的知识来处理学生的问题”这个问题，在5E教学模式的基础上加入了自身的理解和补充，形成了UIRDE模式。学生在老师的指导下，在一定研究范围内亲历科学探究过程，高效率地进行自主学习和协作学习。UIRDE模式包含5个阶段，如图2-2所示：

图2-2 UIRDE模式
王玲玲在工程设计的理念下，提出了 QIEIE 教学模式 ，包括5个阶段，分别为：问题??探究??设计与建造??改善??评价。余胜泉、胡翔在关于STEM 项目的设计上提出了“STEM 跨学科的项目设计模式” ，主要包括8个部分，如图2-3所示：

图2-3 STEM 跨学科项目设计模式
李克东在5E教学模型的基础上优化发展，形成了STEM教育跨学科学习活动设计的5EX模型，包括5个部分：EQ（进入情境，提出问题）?EM（探究学习、数学应用）?ET（工程设计，技术制作）?EC（知识扩展，创意设计）?ER（多元评价，学习反思）。
2.2 科学探究活动的国内外研究现状
2.2.1 科学探究活动的国外研究现状
美国著名教育学家杜威（J.Dewey）最早提出了在学校科学教育中运用探究的方法，强调“做中学”，并详细论述了探究的本质。不过其探究理论存在一点不足，就是过分强调学生的活动实践而忽视了教材和教师的指导作用。20 世纪中期，萨其曼（J.R.Suchman）、施瓦布（J.J.Schwab）和加涅（R.M.Gagne）认为：在科学探究中，处理信息的过程比掌握知识还重要。施瓦布还提出了中学生物的科学探究模式，包括“明确探究对象、形成研究问题、确认研究症结、思考解决困难的方法”四个步骤。20 世纪末，《美国国家科学教育标准》以人本主义探究理论为指导，从学习内容、学习方式两个维度对科学探究进行较为详细合理地阐述 。
《下一代科学教育标准》（NGSS）提