浙江杭州萧山区瓜沥镇坎山初级中学  莫旭东    邮编311201

摘要：STEM教育是集科学技术，艺术 、工程、数学一体的综合性教育目前初中科学的教学目标已从知识技能的获得上升到核心素养的培养，把STEM理念融入教学能充分提升学习者的逻辑、创新、协作和沟通能力，是培养创新型人才的一种新教育方式。实践表明，STEM理念与科学学科教学有高度契合性，运用渗透STEM理念的ICIC方法能切实提高课堂教学的有效性。
关键字：STEM理念 核心素养 渗透 ICIC方法
        一、基于核心素养的课堂教学困惑：
        随着新课改的进一步深入，科学课堂焕发出了蓬勃生机，塑造高质量高效率的课堂也成为广大一线教师所追求的目标。实践表明初中生对科学知识以及科学课都有着浓厚的兴趣，这有利于激起学习热情, 培养探究思维，激发求知欲、探索欲和创新欲。但在教学中如何培养学生解决问题的意识和能力，尤其是发挥学生的主动性等方面我们存在疑虑，如何充分挖掘学生的创新能力和实践能力是摆在我们面前的问题。
        近年来，STEM教育在国内掀起了一股新热潮，许多中小学开展了STEM教育的相关研究与实践。本文以八年级浮力单元《阿基米德原理》教学为例，融入STEM理念，对教学方法进行了探索。
        二、关于STEM理念与学科契合性的思考：
        （一）指向关键能力的契合性
        初中科学是研究自然界物质形态、结构、性质等的综合性学科，随着新课改的实施，以发展学生核心素养为导向的新教育理念已成为深化基础教育改革的新方向和新动力。新课标指出科学素养包括了解必要的科学技术知识，掌握基本的科学方法，树立科学思想，崇尚科学精神，并具备一定的应用它们处理实际问题等的内容，是关于学生知识、技能、情感、态度、价值观等多方面要求的综合表现。
        STEM教育将科学技术、艺术 、工程、数学有机融为一体，它代表了学生科学精神和综合能力的延伸强调了社会价值、人文艺术、信息技术的融合以及学生智力因素和非智力因素的融合。当然STEM教育不仅仅是对上述四个词汇的简单组合，它是把学习者学习到的各类学科知识，转变为一个探究世界相互联系的过程，它更强调学生解决问题的能力。
STEM是知识、方法、技能、能力、态度等多元素的综合。没有科学知识为基础就不会有技术的创新。技术创新没有态度和情感的引导，就缺少创新的动力和创新的价值。所以，STEM素养既不单指知识，也不单指创新能力，而是知识、技能、能力、情感等因素的综合。在初中科学教育实践中渗透STEM理念能进一步提升学生的设计能力、批判性思维和问题解决能力。
        （二）立足课堂教学的契合性
        对于科学教师而言，清晰地认识并把握STEM理念与教学，是STEM理念在科学课堂中渗透的前提。笔者注意到STEM理念与科学教学中有以下三个共同要素，即解决真实问题、以学生为中心、注重支撑材料设计。
        以实际生活为出发点的“真实问题”设计，需要教师在教学中弄清真实世界的问题究竟是什么？
        以“阿基米德原理”这一节教学内容为例，如果只是根据教师主导的实验模糊得出“浸入液体的物体受到的浮力等于排开液体受到的重力”这一貌似与真实的事实，就急于指导学生熟悉阿基米德原理的概念完成相关练习，其直接结果是：看似完整的学习实践有了，但是由于没有在探究前对阿基米德测皇冠的故事进行充分的思考，活动过程的意义价值会大打折扣。另外，个别老师在指导过程中，容易把科学探究变成一个“定义优良”的实验室学习项目。很大的原因在于忘记了科学探究要基于真实问题这一重要特点。如果只是简单的测重力测浮力就得出阿基米德原理，容易让学生失去解决问题的动力，热闹的实验过后，并没有多少科学素养的真正习得。
        在传统的讲授式课堂上，教师讲、学生听，这种教学形式的缺点在于容易束缚学生,不利于学生主动学习，如若一个分心，很可能跟不上教师的步伐，更不要谈及那些没跟着跑的学生。STEM理念强调以学生为中心，首先就必须要激发学习者的学习兴趣，点燃其探究热情和灵感，再给予充分的合作探究的时间，在教师的引导下，按照设计的路径探索目标知识。
        一位优秀青年教师在组织学生探究“阿基米德原理”时，给学生分组很有技巧（将学生分为2大组，第一大组用水，第二大组用硫酸铜溶液，同时，每一大组又分为4个小组，每个小组使用的物块形状、大小均不一样），实验结束后，每组代表交流探讨实验数据，从而得出阿基米德原理，这样的探究活动在注重获取知识的同时,还注重过程和方法，在实验中学生从感性认识上升到理性认识；观察能力、独立思考能力、动手能力得到锻炼，求实的科学态度、探究的科学精神和热爱科学的情感得到培养，令笔者印象深刻。
        兴趣是最好的老师，如何让学生既动脑又动手，既保证探究的问题开放性，又确保不偏离学习主题和目标，是老师们教学过程中普遍反映的问题。通过阅读相关书籍，笔者注意到国外的教师特别注重学习支撑材料的提供，反观我们的学案，经常设置大问题：“请根据以上实验器材设计实验，证明物体受到的浮力等于排开液体的重力”，老师抱怨学生不会设计实验，却不曾深究原因。无非是有时问题太大，有时提问太笼统。怎么办？要将活动过程和问题进行分解！探究学习中，支撑材料的设计是一个重要的教学技能，教师除了要把握学生的理解水平，更要对目标和途径有非常清楚的认识。
        三、科学课堂中STEM理念的渗透方法
        科学课堂是青春的舞台，充满活力的探究式学习是科学课堂的生命。新课改后科学课堂发生了巨大变化，但仍面临着教学观念转变困难、课程资源欠缺等问题，传统教学为主的行为依然存在。笔者认为教学过程中必须要重视科学课程的综合性，让教学内容与时俱进，让教学方法多样化，利用学生的求知欲，用丰富多彩的课堂激发学生们创造的智慧。
        在科学课堂中渗透STEM理念，使学生学习的零碎知识变成一个互相联系的统一整体，促进他们能够创造性的思考，设计和提出有关学科领域的问题，加深对学习规律的基本理解。根据学习金字塔模型，笔者提出渗透STEM理念的ICIC方法（引入Introduction、构建Construct 、反思Introspect、延续Continuations）
        （一）引入（Introduction）
        良好的开端是成功的一半，每一节课开场是否精彩，直接影响这节课的效率，由于课程内容不同，在引入中，就要求教师做到新颖、独特。情景式课堂是激发学生兴趣的一种有效方法。STEM理念强调要提高学生的探究热情以及创新性的科学思维，而创设情境就是通过创设与教学内容相关的情境，让教学进入情感领域，激发学生的学习兴趣，把知识的教学、能力的培养、智力的发展以及道德价值观有机结合起来。对于教学而言，如果在知识讲授之初就能有效调动学生的学习热情，那么整个教学氛围都会保持一个良好的状态。有教师在“阿基米德原理”课堂教学过程“以曹冲称象”这一情境作引入，让学生思考“浮力大小与排开液体体积的关系”，这样的引入既亲切又围绕主题。
        笔者认为具有趣味性、吸引性、符合课堂教学内容的都可以作为教师点亮学生思维的开场白。根据STEM理念的要求，教师在设计课程时，需要做到精、巧、准，只有这样才能点燃学生的兴趣，使学生思维顺势进入轨道。
        （二）构建（Construct）
        STEM理念强调课堂是一种基于真实问题的项目式学习，部分教师对于项目式学习的认识存在偏差，认为项目式学习就是设计若干问题，然后解决问题完成课堂任务，这样的项目式学习真的能提高科学素养吗？笔者认为在项目式学习中，学生应当有思维的碰撞、理念的提升。
        （1）巧妙设计情景问题
        STEM理念注重基于生活情景的真实问题。多数情况下，问题是由教师设计的，因此在设计问题时，以问题为导向，确定研究目标真实情境的引入，再以真实情境为依托，倡导现实生活的回归性，甚至在一定的条件下引导学生去发现问题。在阿基米德原理教学中，笔者设计了基于故事情景的问题框架：
        阅读阿基米德故事后，思考以下问题
        ①把皇冠和同样质量的金子放进水里，结果发现皇冠排出水的体积比金子大，说明了什么？你能解释原因么？
        ②物体浸在液体中的体积与排开液体的体积存在什么定量关系？
        ③通过称重法，我们知道浮力大小与物体浸入液体的体积有关，那与排开液体的体积有什么关系？
        ④通过称重法，我们还知道浮力大小与物体浸入液体的密度有关，结合上一个问题，思考浮力大小与排开液体的质量有什么联系？
        ⑤排开液体的质量可以算出排开液体的重力，那么浮力大小与排开液体的重力有什么关系，我们如何设计实验？
        在这一系列问题的引导下，学生从帮助阿基米德解决问题，到理解背后的原理，再到探究深层次浮力与排开液体重力的关系（阿基米德原理），使学生体验科学离他们实际生活并不遥远，并不抽象，促进学生更加积极主动学习。
        （2）深入挖掘假设价值
        提出假设是科学探究的核心，是科学研究活动中的基本程序之一。在具体教学过程中，一方面教师要重视培养学生提出假设的能力，一方面教师也要努力给学生创造假设的机会。
        STEM理念为如何提出假设指明了方向，即根据生活经验或直觉根据事物的因果关系通过合理推理提出假设。对于许多问题而言，提出假设的过程也是制定方案的过程。
        明确了探究方向，制订探究方案也就顺理成章，新课标对于制订探究方案目标达成有详细的解读：能针对探究目的和条件，设计探究的思路，选择合适的方法制订探究方案等。事实上，许多方案的设计对于学习者都存在一定障碍，STEM本身就是一种基于证据的学习，理念更是强调在方案的设计中，要注意给予学习者充分的引导，避免毫无章法的探究。以阿基米德原理教学为例，笔者设计并引导学习者完成了方案的设计。
        在基于之前的引入性问题后，依照探究的步骤，笔者首先鼓励学生敢于提出问题，建立假设。
        提出问题：浮力大小与排开液体重力是否存在关系？
        建立假设：浮力大小与排开液体重力存在关系
        对与如何验证上述假设，笔者在课堂上对两个平行班提出类似的两个问题：①本次实验的目的是什么？
        ②本次实验我们要测量的数据是什么？
        实践发现对于第二种提问，能回答上来的同学更多，学生的参与度更高，围绕测量浮力大小和排开液体重力这两个物理量，学生会更有探究的方向。至于“如何测量浮力大小”、“如何测量排开液体重力的大小”学生交流讨论，往往能顺利拟定出方案。教师所要做的，就是针对实验中需要主要的地方提出要求即可。笔者发现在探究的第一环节—提出猜想和假设中渗透STEM理念，对学生科学思维的培养，提高其思维主动性，思考事实证据和科学结论间的联系有重要意义。
        （3）激发探究提升能力
        新课标指出科学探究是科学学习的核心。科学探究是一个集多个过程的复杂阶段。而事实和证据是学习者通过探究过程获得新知的关键所在。
        探究能力是科学学科四种关键能力之一，探究活动更是涉及到观察实践、收集和处理信息，分析和解决问题等过程。笔者认为科学素养的形成、探究能力的提高不在于探究结果而在于探究的过程。
        STEM强调要在“做中学”，即一定要操作，一定要设计，设计就是工程，一定要有产品（成果）。STEM理念下的探究课堂，教师需要创造真实情境，围绕一个工程设计问题展开，然后由学生组成小组开展具体研究。除了强调真实的学习情境以外，还强调学习者的实践活动、团队合作，尤其强调学习结果的开放及对创新的鼓励。在研究过程中，学习者将经历收集信息、分析数据，设计和改进方案，交流研究成果的完整探究过程。
        在阿基米德原理教学中, 笔者组织学生以小组为单位依照自主设计的步骤开展探究:

        ①用弹簧测力计测出空小桶的重力 G 桶
        ②用弹簧测力计测出小石块的重力 G 物
        ③将石块体浸没入盛满水的溢水杯中， 记下弹簧测力计的示数 F 拉
        ④用弹簧测力计测出盛水小桶的总重力 G 桶+排水
        ⑤计算出小石块受到水的浮力 F 浮 和排出水的重力G 排
        同时将实验数据记录在表格中

最后以小组汇报的方式交流各自得到的数据：

        在交流汇报阶段，有小组提到“发现浮力比排开液体的重力大些”、“我们发现浮力略小于排开液体的重力” 、“我们小组发现浮力正好等于排开液体的重力”等，作为引导者，笔者进行有效的引导，并不是直接把阿基米德原理呈现出来。
        笔者将这几组数据记录表中后，要求学生将以上数据以XY轴作图，并将这些数据输入电脑呈现，学生便很快能从这直观的数据分析图中得出结论：浸在液体中的物体受到向上的浮力F 浮 的大小等于被它排开的液体所受的重力 G 排 ，即阿基米德原理。
        在上述探究过程中，学生除了动手操作、表达交流、合作实验以及收集数据以外，还提高了完整处理数据的能力，这样的探究过程能切实培养学生认真、严谨的科学态度。
        （三）反思（Introspect）
        基于科学探究本身的复杂性，有时多次实验求证都不一定能得出正确的结论。因此，它需要不断地反思，修正完善方案并进行验证。通过这一环节，学习者对发现的问题和得出结论中的经验和错误做出分析，提炼成功经验，促进解决方法的可迁移性，提升学习迁移能力。同时，与其他学习者的分享交流有助于产生新的观点，发现新的问题。对于STEM而言，过程比结果重要，因为理念强调在过程中培养学生的探索精神和解决问题的能力，创造性的活动本身就是需要不断构思完善。
        反思分享环节就是对探究本身以及获取的事实数据可靠性再思考的过程。以阿基米德原理教学为例，教学中常常会遇到两种实验设计方案，一种主要是测出物体受到的浮力，以及排开水的重力；另一种则是测出物体受到的浮力，以及排开水的体积，再通过公式换算计算出排开水的重力。就两种方案来讲，都符合科学原理，但是都会存在误差。从方便性讲，直接测出排开水的重力除了更方便外还可以避免使用量筒过程中出现的一些问题。
        在课堂中，笔者还发现有多组学生先直接测量了G 桶+排水，最后倒掉杯中的水，测量得到G 桶，笔者认为这恰恰是本节课的生成所在，于是顺理要求学生们将此方法与之前步骤的方法比较，学生的回答出乎意料
        “G桶中可能还有剩下的水，会导致G排水实际测量值减少”
        “其实如果把G桶中的水用纸巾擦干，对实验影响也不大”
        当询问本实验中还有没有要改进的地方，不少学生回答“换其他液体试试”。
        由此可见，在科学探究中，积极引导学生评估探究活动，能极大地提高学生的探究能力，对于深化实验、完善实验、拓展实验有着重要作用。
        （四）延续?（Continuations）
        STEM理念指出探究式学习应该是一种延续的过程，这种延续能加强学生对知识的理解和深化，能进一步培养学生的自学能力、分析问题能力和解决问题的能力。笔者在布置的课后作业中要求学生通过查找课外资料，寻找一种更好的方法来完成阿基米德原理的验证，再随后的作业中，就遇见了两种较便捷的实验方法。

        第一种方法：
        ①将两个已调好零刻度的弹簧测力计悬挂在铁架台下，将一溢水杯和另一空杯用细线拴在测力计下，向溢水杯中加入一定量的水，使水满过溢水口流入空杯中； 
        ②当水不再流出时，读出弹簧测力计的读数F1和F2；
        ③将一不溶于水的小石块用细线拴住并慢慢放入溢水杯中，此时溢出的水全部流入另一杯中，当水不再流出时，读出弹簧测力计的读数F3和F4。
        第二种方法：
        ①将已调好零刻度的弹簧测力计悬挂在铁架台下，用细线将带环塑料小杯和物块拴在测力计下，如图所示。
        ②读出甲图和乙图中弹簧测力计的示数F1和F2，求出弹簧秤的示数差△F；
        ③将烧杯中的水倒入塑料小杯，如乙图所示，观察到弹簧秤示数恢复成甲图中的示数。
        立足课堂而不仅限于课堂，将探究活动延续课外，学生的创新精神和实践能力才会得到锻炼，才能在思考中不断认识科学、理解科学、从而走近科学。破解探究活动的延续性难题需要融入生活，既把生活作为科学教育的内容，又把生活当成科学教育的途径。
        四、结语：
        STEM理念是一种科学、 严谨的教育理念， 同时又具有实用性和趣味性， 它不仅强化了知识、能力和方法的迁移，更培养了学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。
        在教学中渗透STEM理念，能充分调动学习者上课的积极性，挖掘教材中已有资源，激发学生主动探究的兴趣，培养他们的创新思维和实践能力，是科学探究的一种极好的补充形式，更是创新精神的一种延伸。
参考文献：
1.《基于STEM教育视角的科学课例分析》 基础教育研究 1002-3275.2017.13.021        陈  晓
2.《巧借STEM课程载体,助力核心素养发展》 课程教育研究2095-3089（2019）11-0277-01        叶梅凤
3.《指向4C能力发展的STEM教育跨学科发展探究》中国教育信息化 1673-8454-201924-0006-05      刘  颖

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