STEM教育理念下有过程的归纳教学初探——以“齿轮”单元为例

许 佳，信海凤

近年来，加强科学、技术、工程和数学等学科融合的教育已经成为国际教育界的热门话题，同时也越发受到人们的重视。STEM教育融合了科学、技术、工程和数学，其正视了各学科间的内在联系，注重了对学生综合能力的培养。美国提出在知识经济时代，STEM是美国乃至世界都蓬勃崛起的前景学科，具有STEM素养的人才是全球竞争力的关键。［1］2017年《美国竞争力计划》提出知识经济时代培养具有STEM素养的人才是具有全球竞争力的关键，并大力加强了对STEM教育的投入。［2］在英国、德国、芬兰、以色列、日本、澳大利亚、韩国等国家，STEM教育同样受到高度重视，广泛开展促进STEM教育和人才培养的项目计划。［3］

当今中国STEM教育并没有完全模仿国外做法，而是结合国家和社会需要，汇聚社会各界力量，不断探索STEM的实践路径。2017年，中国教育科学研究院发布《中国STEM教育白皮书》，提出了2029创新行动计划。随着STEM教育理念传入中国并逐步被大力提倡，教育部出台的《教育信息化“十三五”规划》中明确指出有效利用信息技术推进建设，探索STEM教育模式，使学生具有较强的信息意识和创新意识。［4］将STEM课程引入小学科学课程中，深入加强学生的发明和创造能力，实现技术与工程的学习，成为中国小学科学的教学发展趋势。［5］

“率性教育”有过程的归纳教学理念与STEM教育有着很多共通之处，可以说是不谋而合。学生在STEM教育过程中经历的就是科学家不停探究—反思—构建—改进—再反思的过程。在每一次的探究和反思活动中，都离不开“归纳”教学的方法，可以说，有过程的归纳教学在科学课中是无处不在的。所以“率性教育”有过程的归纳教学是可以指导STEM教育的。

一、设计原则

课题组选择围绕STEM项目式学习的行动研究为主，融合科学、数学、信息技术、美术、语文等多个学科，实现真实情境下的小学STEM项目式学习。目前，小学科学学科课程标准在实施建议中明确提出，“倡导跨学科学习方式，STEM是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，它将科学、技术、工程、数学有机地融为一体，有利于学生创新能力的培养”。

根据最新小学科学课程标准关于“工程与技术”课程目标要求，课题组通过将STEM课程与我校有过程的归纳教学理念融合开展系列化STEM项目的研究，培养学生创新思维能力、科学探究能力、空间想象能力、工程设计能力和综合应用能力，使学生体会到工程和技术产品给生活带来的方便和舒适，能将创意转化为模型或实物。学生通过按图装配、按流程完成等程序性说明，完成产品组装、讨论设计图、说明书和成品之间的关系等。

二、整体架构

基于STEM教育理念，依据有过程的归纳教学，设计多个STEM项目的行动研究案例，寻找科学、技术、工程、数学、美术学科的交叉点。

基于有过程的归纳教学梳理、归纳齿轮的工作原理，包括两个齿轮和多个齿轮的原理。利用课堂观察表来观察学生原理掌握情况。

根据科学原理，准备设计实际应用的产品。例如，先剖析一种具有齿轮的物品，如八音盒，了解齿轮是如何应用的，分析研究其结构和作用，然后做计划，明晰问题。

查阅资料，师生共同解决问题，进一步完善方案，画设计图纸。在画设计图纸时，可以由数学老师介入，解决计算和测量方面的问题。

动手制作产品，小评委评估产品，进一步改进完善。办主题科技产品展览会，展示交流研究成果。

以上过程为第一轮研究，研制的齿轮产品为第一代产品。课题组选用行动研究的方法，进行三轮行动研究。在第二轮、第三轮研究过程中，不断反思、改进项目实施中出现的问题，以及通过问卷调查的方法了解学生学习后产生的问题，再迭代出第二代、第三代产品和实施方案或方法。

三、以“齿轮”单元为例的STEM单元设计实践路径

（一）学情调研与分析

课前，课题组针对齿轮的概念和应用问题设计了纸质版的调查前测问卷，问卷主要面向本次参与项目学习的学生。通过调研发现，学生对齿轮工作原理有一定的了解，但不懂具体的传动等科学名词。这个项目会大量使用机器人零件，多数学生没有接触过VEX IQ组件，但有玩乐高积木的基础。参与调研的学生多为小学高年段学生，对绘图并不陌生，但要针对自己或小组的想法，绘制项目设计图纸，多数学生没有经验。学生对于现有的市场上的产品，如汽车、手机等产品的工程设计制造流程并不清楚，在项目式学习方面也是零基础，对项目式学习的流程并不清楚。

从以上的调研结果可以分析出，STEM教育与日常教学样态有所不同，必然也会导致在开展项目式学习时，教师要与学生从零基础开展，要多注重学生的“最近发展区”。对于齿轮相关问题，学生需要补充大量基础知识，才能开展动手制作环节。而这些齿轮基础知识的补充，一定要考虑学生的年龄特点和接受知识的能力。对于图纸设计，学生没有基础，所以，教师可以选择与美术学科融合，专业地去指导学生进行产品设计图的设计。总体来看，学生所面对的是很多个“零”基础，教师面对的是很多个“零”突破，这就需要科学地有条不紊地开发课程资源，扎实走好每一步。这也符合“有过程的归纳教学”对学习起点的要求，要从学生已有的经验出发。

（二）“齿轮”单元STEM设计案例

【单元名称】小齿轮、大用途——齿轮欢乐谷的研究

【融合学科】科学、数学、信息技术、编程技术、VEX IQ结构搭建

【整体学习目标】

S——科学：齿轮的传动、力学

T——技术：VEX IQ编程、信息技术

E——工程：VEX IQ结构搭建

M——数学：测量、计算

【适合年级】小学五、六年级

【材料准备】全套VEX IQ零件、素描纸、超轻黏土、铅笔等

【实施计划】本单元计划安排6~8课时进行学习，主要涉及科学、信息、数学、美术三个学科内容，其他技术作为辅助内容。第一课时先明确齿轮的工作原理，认识和应用VEX IQ结构组件。学生通过搜集大量资料，学习基础知识，为之后的学习奠定基础。第二课时，学生要在教师指导下体验齿轮陀螺实验中，齿轮的工作原理，进行更加深入的研究。第三课时，根据任务和情境，学生以小组为单位选定本组的游乐场项目，将自己心目中的想法绘制成草图。第四课时，学生要依据设计图纸，进行VEX IQ搭建，形成第一代产品。第五课时，学生依据设计图，进行搭建改进。第六课时，学生要针对团队设计产品进行反思，发现新的问题，再次反思。例如，如何调节摩天轮的旋转速度？如何使大摆锤可以360度旋转，而不是180度旋转？航天飞机的螺旋桨转速达到多少才能够起飞？如何利用身边材料弥补VEX IQ零件的不足？如何用编程技术让自己的游乐设施具有更多的功能？第七课时和第八课时可以用来开一个产品发布会，并邀请全校师生参与产品发布会，一起进行评价。

【教学实施】

1.补充齿轮基础知识，奠定STEM研究基础

在开展项目研究之前，课题组针对部分学生进行了前测，利用调查问卷形式了解学生对齿轮的前概念。通过对收集到的调查问卷进行分析发现，学生对齿轮工作原理有一定的了解，但不懂具体的科学名词；多数学生没有接触过VEX IQ组件；对于现有的产品项目的工程设计制造流程并不清楚，如智能手机等。

学生已搜集了游乐设施相关资料，了解常见游乐设施的工作原理。在常规课堂中，学生已经开展了齿轮相关知识学习，通过研究两个齿轮之间的传动作用，认识了齿轮的特点，对齿轮的转动和传动有了初步感受。

在VEX IQ机器人零件中，具有非常典型的五种齿轮模型，教师将这五种模型介绍给参与研究的学生，能够使他们的思维更加发散，也能够使他们初步了解VEX IQ机器人零件的齿轮组合方式，为之后的欢乐谷项目设计打下基础。这些组合方式包括圆柱齿轮传动、锥齿轮传动、齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动和链传动，它们可以带动结构件形成不同的运动，最终实现项目中的传动需求。

2.探究齿轮工作原理，激发研究兴趣

体验齿轮陀螺活动是用两个大小不同的齿轮在同一平面上转动，然后将陀螺转出并且自行旋转的过程。体验目的：体验VEX IQ零部件组装的技巧；体会齿轮传动中如何能够使所需齿轮在一个平面上；熟悉结构板的孔状结构，会通过数孔的数量来计算轴和齿轮等零部件安装位置；对整体结构进行把握；思考如何能够使陀螺转动更长时间。

这个环节引入了有过程的归纳教学中的原理归纳。学生通过猜想—实践—记录数据—分析结果—得出结论这样的过程，最终归纳出齿轮的工作原理。不同于以往教学中教师给出原理，学生通过一定方式验证的学习过程，学生通过“玩”齿轮归纳出原理，像科学家一样模拟了“知识再发现”的过程。通过课堂观察量表可知，学生非常有研究兴趣，学习难度不大，却很有成就感。

3.设计项目草图，描绘未来场景

学生可以想象自己心目中的游乐场，设计草图。值得注意的是，学生在设计中需要标注主要部分尺寸及所需零件数量，多关注VEX IQ机器人零件尺寸，这样能够缩小设计图纸与实物尺寸差距。在绘制草图时，可以是素描手绘图，也可以选择电脑3D建模绘图，只要能够画出具备尺寸且有一定比例的设计图即可。

4.根据设计图纸，搭建实物产品

学生根据自己的设计图纸进行结构搭建，搭建过程可以设计为两节课的大课时，为学生提供足够的时间和空间，这样更有利于学生思维的连续性。搭建过程中常常遇到实物与图纸尺寸不符的情况，学生要学习工程师的工匠精神，精益求精，不断修正，最后呈现作品与设计图纸进行现场比对。这也是本项目评价方式中的重要部分。

5.完善最初设计，交流反思提升

在展示交流过程中，学生要互相讨论去解决遇到的问题。比如，如何调节摩天轮的旋转速度？如何使大摆锤可以360度旋转，而不是180度旋转？航天飞机的螺旋桨转速是多少才能够起飞？如何利用身边材料弥补vex零件的不足？如何用编程技术让自己的游乐设施具有更多的功能？

项目评价也是STEM项目中的重要一环，课题组设计了分层的评价量规供学生进行自我评价、生生评价及师生评价。主要评价的项目包括：齿轮结构中，能否很好地体现游乐项目的细节，能否较为细致地表现项目装置是如何运转的；规划逻辑性中，能否有目的地组合零件，能否提供些许支持性设施，结构规划安排是否合理，有无漏洞等；分工合作时，有无明确的分工，每个团队成员能否按照既定的任务有组织有条理地进行研究；艺术性上，设计有没有一定的艺术性，是否美观、简洁、大方，制作是否具有美感；材料的选择上，能否运用身边易得材料进行搭建，材料的选择是否恰当、巧妙，有无依据；最后的展示说明环节，小组展示语言是否清晰，描述是否准确，能否有效地体现设计意图、特点和优势。根据评价标准，设置三种评价分数，通过评价过程获得分数。学生在互相评价、交流中，也能学习他人设计的优长之处，进一步完善作品。

四、结语

（一）STEM教育理念与“有过程的归纳”教学思想的有机结合，探索出STEM教育实施路径

本项目通过将STEM教育理念与“有过程的归纳”教学思想的有机结合，探索出了STEM项目式学习的实施路径，让学生经历发现问题—搜集资料—头脑风暴—尝试设计图纸—讨论改进图纸—搭建实物—再次改进—完成作品—不断完善迭代的过程。有过程的归纳教学强调“从特殊到一般”，强调从学生个体和已有经验出发开展教学，课堂教学立足情境—具象、操作—体验、对话—省思三个着眼点，尽可能还原知识产生、发展的情境，让先验的知识转化为学生可经验、可体验、可发展、可探究的过程。［6］在本项目中，学生通过多种实践途径，了解齿轮的构造和工作原理，从原有经验出发，可认为是有过程归纳教学的起点。学生通过学习归纳出科学原理，再次验证科学家的研究结论，还原了知识产生和发展的情景。STEM教育的研究流程与“有过程的归纳教学”流程是可以有机结合在一起的，也是可以相互完善的两种教育思想。正是在这样的思维碰撞下，课题组探索出了STEM教育的实施路径，将STEM项目式学习落实在本土教学活动中，对今后的STEM中国本土化研究奠定基础。

（二）基于项目式的学习，经历工程设计之路

从学习原理到设计图纸，最后学生看到自己设计的游乐项目，学生亲身经历了从游客到设计者的转变，完整地感受了一次工程设计之路。齿轮欢乐谷的研究进一步促进了学生对身边事物的了解，激发了学生对身边事物的研究热情，比如对齿轮相关机械物件的关注。参与本项目研究的学生实现了从VEX IQ零基础到搭建出自己的项目的“零”的突破。在整个STEM项目的体验过程中，学生体会到了学科融合带来的思考方式上的转变和冲击，对思维的培养有一定促进。

（三）科学有效地开发课程资源，弥补学科不足

六年级学生在科学教材中已经学过自行车上的齿轮作用，了解了齿轮的基本结构，但对于齿轮的工作原理及应用部分知之甚少。而齿轮在人类日常生活或工业制造中都有广泛的应用，所以，将“齿轮”相关内容作为一个项目深入研究是非常有必要的。对于“齿轮”课程资源的开发，缘起于学生的业余生活，欢乐谷即游乐场，深受学生喜爱，基于学生对游乐设施的体验，让他们了解其中机械制动这些游乐设施的关键部位——齿轮的作用，经历设计并制作齿轮欢乐谷，学习齿轮的作用。课题组在STEM教育与“有过程的归纳”两种思想指导下，根据现有问题，科学有效地开发了“齿轮”课程资源，弥补了学科内容不足。

（四）打破学科界限，融合多学科教学

在这个项目中，学生围绕“齿轮”这一项目和创设情境下产生的问题，展开研究。研究过程涉及科学、信息技术、数学、美术、编程等多个学科的知识和技术，不同于常规课堂教学，项目实施过程打破了学科界限，由问题引导综合多学科和多门技术进入教学活动，让学生在教师的引导下，进行有逻辑、有方法、有目的的虚拟建设活动，不再是游客而是游乐设施的建造者，能够培养学生的项目意识、知识的综合运用能力和动手实践能力。

“齿轮”项目设计把学科融合的重点放在关注工程设计和实际生活的联系，因为现实生活中的工程设计问题不是把各个学科知识技能割裂开，而是综合运用它们去实现工程设计。现实生活中，解决实际问题也是没有学科界限的，但是现在学生课堂依然是严格的分科教学，那就更需要这样的项目式学习去补充日常的分科教学。在提高综合运用能力的同时，也要拓宽教师和学生的视野，对此，STEM项目就成为一个典型的综合多学科教学的案例，为融合课程的开展奠定了基础。