基于小学科学课程的STEM微项目开发与实践研究——以苏教版小学科学五年级下册第二单元《形状与结构》为例

华锡芬

（无锡市新吴区旺庄实验小学 江苏无锡 214028）

STEM是以工程设计过程为主导，关注现实问题，注重在真实情境中学习，将科学、技术、工程和数学有机地融为一体，契合了《课程标准》强调的“做中学”和“学中思”。在小学科学课堂上，教师要为学生提供动手做的课堂体验，通过创设良好的教学情境，引发学生的认知冲突，激发学生积极思维，实现动手和动脑的结合，使学生应用所学的数学和科学知识来创造、设计、建构、发现、合作并解决问题。

基于小学科学课程的STEM微项目，利用小学科学课堂，关注全体学生参与，将学习知识转化为学习方式和学习能力。科学教师每学期尝试2～3个STEM微项目，选取适于学生设计制作的一件产品或作品，让学生体验项目学习的基本流程，强调以学生为中心和学习经历和结果的开放性，更强调以多种方是基于问题、设计和项目的学习，让学生真正参与工程设计，链接多学科知识来解决现实生活中的工程设计问题，使科学学习更富有价值意义和现实魅力。

一、STEM微项目的开发

STEM微项目是指教师设计研发立点小、用时少、流程相对简化的项目学习。项目适合本学段学生年龄特征，有助于培养学生分析综合批判性和创造性思维、培养学生的高阶思维能力、提升其创新素养能力。教师提出一个真实的问题，学生参与活动、项目和问题解决，通过动手做的课堂体验，让学生将科学、技术、工程和数学知识有机地融为一体，经过创造、设计、建构、发现、合作等来解决问题，在具体的情境中理解学习如何与“真实世界”相联系，让课内知识活化和运用，并为学生提供有助于深入研究的必须支持。

小学科学教师需要依据现行科学课程，聚焦现实生活的真实问题，进行“微项目”的开发。在科学课堂教学中，以工程设计为基石，学习背景知识，尝试使用技术（包括数字化技术）收集、分析数据，并设计、测试改进一个解决方案，与同伴交流研究成果，引导学生在较复杂的学习情境中利用所学的科学、技术、数学的知识和技能，采取微项目学习的方式，解决真实世界里有意义的问题。开展以学生为中心的STEM微项目，将科学原理与技术有机结合，培养学生的工程思维。

二、STEM微项目的实践

教师立足科学课程中的学科知识，在课堂中融入STEM理念，开发和实践微项目，组织学生对日常生活难题和自然事物的探究和改造，让学生积累经验、增长知识、提升能力。学生通过思考问题、观察现象、设计方案、建模制作、测试优化和展示交流等形式，发展实践能力、思维能力、运用科学知识解决问题的能力和创新协作能力，真切体会到“学以致用”“活学活用”。

STEM微项目一般通过：明确问题→设计方案→建立模型→制作作品→测试改进→展示交流，学生从中体验一个完整的STEM工程项目。

（一）明确问题：生活情境中聚焦

在基于项目的科学课程中，学生探究真实而有意义的问题。探究的过程与科学家的行为一样：探究科学现象、调查问题、讨论观点、挑战他人的观点和检验新的观点。从一个真实的情境中对需要解决的问题展开探究，学生在探究过程中学习和应用学科思想，师生一同寻找问题解决的方法，能够帮助各种学生积极参与到科学学习中。

教师结合本地实际设置一个需要建造高塔的情景，指出学生需要提交的项目包括一座高塔模型和一份工程项目建议书：我校地处无锡市新吴区商业圈中心，毗邻宝龙城市广场。现计划在宝龙城市广场与我们学校中间的空地造一座观光高塔，成为新吴区居民休闲娱乐的惠民工程。现需要一份工程建议书，其中包括这座高塔的设计方案和高塔模型。

这样的任务驱动下，学生乐于交流、分享、探究、合作，他们在真实情境中尝试着解决现实生活中需求的问题。

（二）设计方案：头脑风暴中勾勒

STEM微项目实践中，我们要像工程师一样工作。首先，我们要像工程师一样设计：画出草图。

为了解决这个工程问题，在设计草图之前，我们需要一些背景知识。首先让我们一起走进高塔世界，通过学生介绍或图片出示：埃及金字塔，它是方锥体三角形石料建筑；埃菲尔铁塔，由七千吨钢铁建成；比萨斜塔，倾斜的大理石塔；苏州虎丘塔，仿楼阁式砖木套筒式结构；应县木塔，八角形木塔；西双版纳曼飞龙塔，葫芦形砖石结构塔群。我们发现，这些高塔千年屹立不倒的原因：三角形结构，埃菲尔铁塔利用了三角形最稳定的特点；材料结实、连接牢固；上窄下宽、上轻下重。

在了解了相应的高塔知识后，就由各组学生分别设计。比如，有的小组想利用三角形最稳定，搭建一个三角形结构的高塔；有的小组想利用圆柱体承受力最大，设计一个圆柱形高塔。各小组成员进行头脑风暴，不断改进设计图。

（三）建立模型：调查研究中建模

工程师做研究时，常会运用工程模型。如何将设计图变成按一定比例缩小的实物模型，需要学生在实践中尝试。

为了帮助学生应用数学、科学和技术充分发展最好的设计观点，并尝试构建一个完整的“高塔”模型。先让学生用铅笔在纸上画出小组的设计草图，并标注尺寸。小组成员商量并修改，达成一致意见；按照设计图，用橡皮泥和牙签或小纸片与双面胶等搭建“塔”的模型。在建立模型时，发现问题，及时修正，将遇到的问题或困难以及解决的方案记录下来。

（四）制作作品：制作实践中创意

基于工程思维的规划性、实践性、系统性、科学性、艺术性、成本和可靠性等特点，不仅要注重培养学生设计建模的能力，更要培养学生按计划执行的能力、不断反思改进的习惯，让学生逐步领会工程思维。学生在活动过程中相互合作、交流与分享，不断反思和改进作品；在制作过程中，针对遇到的问题调整改进；通过迭代，不断优化。

（五）测试改进：测试比较中优化

“在测试并观察原型之后，会识别出那些可能改善设计的新信息。在这个阶段，回到概念形成阶段的起点是很重要的，回到起点来修改内容并开展头脑风暴，分析并挑选更新设计或者其他选择，建立新的模型，重新测试，再次优化。”

在测试前，先请学生展示作品，并介绍作品：高塔模型高度是多少？结构是否稳定？完成作品与设计方案是否一致？设计制作过程中遇到了什么问题？如何解决？完成作品用了哪些材料？其他小组围绕“高度”“稳定性”和“承受力”三个方面对作品展开评价，并提出改进建议，引导优化作品。测试时，各组将搭建的高塔模型放置指定测试地点，在平稳直立不倒的前提下，再由一名组员在模型的最高点直接放置一个50g的砝码。如果模型依然不倒，测量模型的高度，模型高度每1cm得2分。为了安全，测量高度时，可以将高塔模型横放在桌上。

技术与工程实践活动能使学生体会到“做中学”的成功和快乐，养成通过“动手做”解决问题的习惯。有个小组在经历了几次失败后，采用了这样的方法：首先，用一张A4纸做成一个圆锥，底部剪平；将两张A4纸用双面胶连接；用同样的方法连接九张A4纸；然后在九张A4纸的一端粘上双面胶；三人合作，将连接的九张A4纸卷成纸筒，并粘贴好；将做圆锥余下的废纸做成圆筒顶端的平台，保障砝码平放在上面；将圆锥立于地面，将纸筒直立在上面，调整重心，让纸筒平稳地站立。这座“高塔模型”的高度达275cm。

（六）展示交流：取长补短中改善

STEM微项目学习的评价既突出形成性评价也强调终结性评价，学生以有意义的方式展示所学的内容和在学业方面取得的成功，激发其创造性，在团队中承担责任。所以我们要将前面的作品进行改进，改进的过程又要从设计开始，经过搭建，再测试，不断改进、不断完善！

通过展示各小组的设计方案和完成的作品，结合测试得出的成绩，评选优秀小组。希望大家拓宽视野，相互学习，取长补短。每组学生将优化后的作品展示。组织学生参观各小组的高塔模型。参观时，请各小组的学生站在自己的作品后，由一名组员通过演讲的方式，在60s内介绍自己作品的创意和优势。请冠军小组成员当场讲解他们的制作过程和活动的体会。

引导学生继续研究如何将高塔造得更高、更稳。如在刚才测得275cm高度的小组，可以将做圆锥剪下的纸利用起来，做成一个形状，增加原来纸筒的高度；也可以将圆锥的高度增加。继续思考其他的好办法，让高塔模型更高，并动手试一试!

建议利用身边的其他物品，如扑克牌、吸管、胡萝卜和牙签等，试着再建一座高塔，同时经历“设计——搭建——测试——改进”的过程，期待着不断发现，不断改进！

科学教师通过“基于小学科学课程的STEM微项目开发与实践研究”，精选教材内容，巧妙转化项目设计，融入项目学习过程，努力让每一个学生能够利用科学知识和科学方法初步解决某些真实世界的实际问题，培养全体学生的创新精神和实践能力。学生潜移默化地获得工程师、设计师工作流程的熏陶，促进了他们系统思维、设计合作、实践创新能力的自然生长。学生从现实问题出发，在与现实生活世界的接触中，促进内在知识体系的创新生成，灵活应用已有知识、发展解决问题能力。学生在STEM微项目的实践活动中，将学科知识转化成科学探究和工程创新的过程和方法。STEM微项目活动中，师生互教互学，共识、共享、共进，形成一个真正的“学习共同体”。