STEM教育融入小学自然学科的实践研究
摘 要：随着我国教育教学改革的深入，各学科的教学方法也需要与时俱进，符合新时代的要求。新课程标准指出，未来的教育要为社会培养全面发展的综合性人才，注重技能的多样性。因此，课程综合化的改革成为一线教师不断探索的新问题。STEM是时代需要的产物，它是科学、技术、工程、数学四门学科英文字母的首字母的缩写，起源于美国，强调跨学科的融合。四个学科的结合将形成一个有机的整体，更好地培养学生的创新精神和实践能力。STEM教育具有整合性、体验性、探索性、合作性的特点。对培养学生的创新精神和实践能力起着重要的作用，也为小学自然课程改革提供了新的思路和方法。
关键词：小学；自然；STEM；课堂
引言：
近年来，我国STEM教育也蓬勃发展。许多地方已经开始试验这种教学模式，他们的尝试为我们的科学教育工作积累了宝贵的经验。作为一名小学自然教师，我也在小学的自然教学中尝试过STEM教育，在教学实践中，我深刻体会到STEM教育与传统的小学自然教学相比较比形式更加丰富，如课程选择、材料的选择与准备、教学方法等。为提高小学生的科学素养，作出了巨大的贡献。
1、STEM教育的概念
科学（Science）、数学（Mathematics）、工程（Engineering）和技术（Technology）的英文简称叫作STEM。从当前国内外已有的关于STEM概念的研究中，可将其概念归纳为以下三种，第一种是，STEM是对四门不同课程的综合，相当于国内的综合课程；第二种是，STEM教育属于跨多门学科的教学模式，是一种动态化的学习模式，教学核心是各学科的相互融合；第三种是，STEM教育需要将STEM素养与理念结合的一种教学方式，具有促进学生学习、理解科学知识的作用。随着对STEM的研究不断深入，STEM的概念逐渐得到完善和细化，笔者认为第二与第三种的相互结合比较适用于对STEM的解释，以STEM教育素养与理念作为指导，采取动态化的教学与学习方式将各学科知识进行相互融合，促进学生科学知识的全面提高。
2、当前小学自然教学中存在的主要问题
2.1教师教育观念需要提升
小学自然课程是为了培养学生的基础科学素养，以促进国家对科学人才的培养，从而提高国家科技发展与竞争力。在目前的教学中，许多学校以及老师均对自然课程的教学目的进行深层次的理解，但对于课程教育改革的号召往往是采取应付的心理，自然老师常常按照自然书上的内容进行教学，没有有效的重組整合和进行深层次的探究。有时缺少材料，教师就对着PPT讲，课堂缺少互动，从而导致学生的科学素养难以得到发展，对国家科学人才的培养形成障碍。
2.2教师的教学方式要激发学生探究兴趣点
由于对自然课堂的教学不重视，也就不会重视科学教学的教学方式，也不去考虑教学方法是否恰当，常常采取简单的“灌输式”教学法，不注重学生的情感体验，这样自然课堂令学生反感。
例如，科教版自然教材五年级第学一期第六单元《地球表面的形态与变化》这一节课的时候，老师在以往的教学过程中都是结合ppt进行教学，对学生视觉冲击有一些，但并不深刻，如果能让学生动手合作，用软陶动手做出平原、丘陵、盆地、高原等地形，这样学生通过自己的理解进行设计，就会更好的理解这些地形的主要特征。而不让学生自己去动手做，直接给出各种结论，在小学生认知能力有限的情况下，被动的接受各种科学结论，导致了他们认为科学知识十分枯燥和乏味，从而根本不会有太大的兴趣学习科学知识。教学方法的单一使得喜欢探索问题的学生天性逐渐被泯灭，学生出现厌恶自然课堂的局面。
再比如：自然科学的能力，往往有些需要做长周期观察的探究。科教版自然教材三年级第学二期第六单元《牵牛花的一生》，教师把第一课时《播种》在四月下旬就进行了授课，重点将如何播种，如何种植和如何进行观察记录都和学生进行了学习。在六月初时，进行以下两课时的探究，最后上课时发现：有些学生的种子，家长给扔掉了；有些学生没有种植成功，也没有进行补救；只有少部分孩子种植成功，但记录不够完整，说没有时间观察。所以，这也就导致了，课堂无法开展。如果教师能采用比一比的方式，每堂课都让学生展示自己种植记录，可以让学生画一画，量一量，还可以用做成电子小报。这样激发学生探究兴趣。
2.3教育基础设施薄弱
在许多小学领导、老师、家长的意识中，小学生还不具备学习自然科学的能力，往往不需要做过多的投入。部分学校也不会重视科学课程教学的投入，有些学校的实验器材还是90年代引进的，使得自然课堂开展的基础设施较差，器材缺乏，学生无法深入探索科学知识，从而出现科学基础知识较差的情况，阻碍了学生的全面发展。
3、STEM教育与小学自然学科教学的有效整合
如何让自然课堂更有活力，如何让STEM教育与自然学科有机整合，有效的进行课堂教学。笔者针对小学阶段的自然教学中使用STEM教学方法提供几种思路：
3.1课程综合化，选择多样化
在小学自然教学中，我们把教材进行筛选，把能和技术、工程、数学知识相结合进行教学的挑选出来，进行整合，实现课程综合化，同时给学生自由选择权，选取自己感兴趣的内容进行教学。
3.1.1课程综合化
课程综合化是指在小学自然教学中，有机整合技术、工程、数学知识，并在教学中发展学生的数学、语言、技术等方面能力。以科教版自然教材三年级第学二期第一单元《常见的力》第三课时《脚手架的学问》为例，这一内容可以与STEM教育有机的整合，整合了技术、工程、数学等方面知识，学生可以在轻松愉悦的学习中收获知识，发展能力。
《脚手架的学问》教学内容是让学生探究不同结构建筑材料的特点，围绕如何使结构更加稳固开展设计与技术的教学活动。这是一个科学和技术交织在一起的案例，结构的稳固性中既有科学原理，又蕴含着工程设计和操作技术。在活动中，学生首先探索三角形和正方形的特点，尝试加固正方体和立方体，了解结构的对称性和稳定性，理解三角形是一种稳定的结构，理解结构的稳固性与结构的形状、所用材料的材质、连接的方式等有关。最后通过设计和制作搭建建筑，运用三角形的稳定性，探索建筑物的稳固性。结构的稳固性是一条有效的线索，它连接着与稳固性和结构相关的科学原理和工程技术。在这一活动中，学生不仅学习了数学方面关于几何形状的有关知识，还学习了工程方面的关于结构材质、连接方式等知识，最重要的是，学生最终建立了自己的“城堡”，学习变得如此的快乐。
3.2选择多样化
在STEM教育中，自然教师应该给学生选择适合当前学生水平探索的科目。有的STEM项目也在教育内容上开发游戏，在游戏中嵌入探索和目标导向学习。例如，在“感知水的浮力”活动中，学生在实验包里，找出橡皮泥、铁钉、泡沫、木板等材料，进行尝试。这时教师提问：你们发现了什么？学生甲说：木板和泡沫有浮力，我用力向下按，发现有一股向上的推力。学生乙说：“橡皮泥和铁钉没有受到浮力，都沉下去了。教师回答：你们感受到到了泡沫和木板的浮力，那铁钉和橡皮泥沉下去了，不受浮力。科学需要证据，我们设计一个实验，证明木板、泡沫、铁钉和橡皮泥有没有受到浮力呢？教师在提供弹簧秤、绳子和高科技dis传感器（直接能测出水的浮力的仪器）。本堂课学习目标就是在“玩水”的过程中感知水的浮力，这样学生通过玩水的游戏过程已经完成了学习任务。在游戏开始时，学生有更多的选择，他们可以选择自己的伙伴，选择合适的实验材料，甚至可以选择自己喜欢的探究的风格。正是因为孩子们有如此多的选择，学生们才会在调查中更加积极，效果也会更好。
在STEM教育中常常需要大量的材料，如何恰当、科学地准备材料也是自然教师必须要考虑的问题。
3.2.1材料选择生活化
选择生活化探究材料作为STEM活动材料，主要是因为这些材料取材方便，来源广泛，种类丰富，在弥补现有材料不足、丰富探究活动、把活动拓展到课外方面，能发挥积极作用。同时材料的收集可以让学生来参与完成。学生在收集材料的过程中，会提前进入相关思维活动，提高参与活动的积极性。
例如，在科教版自然教材五年级第二学期第一单元《简单机械》教学时，我设计了STEM活动，利用简单机械制作一个玩具。所需器材全部由学生完成。活动中，学生带来了丰富多样的材料：有家里拆旧下来的轴承，有自己玩的乐高玩具里的齿轮，还有自己用瓶盖制作的滑轮等等，学生利用这些材料设计出多种多样的玩具，对简单机械的性质作用有了更深入的了解。
3.2.2材料选择专业化
STEM教育活动中往往会用到一些专业化的工具和材料，如目前广受关注的3D打印机、开源电路板等，还需要一些用来支持或指引扩充思维过程的认知工具，如Scratch可视化程序设计工具、概念图工具、SPSS数据分析工具、网络沟通工具、三维建模工具等。这些专业工具材料以及软件的使用对于广大科学教师来说既是挑战，又是福音，它意味着科学教师既可以运用这些新技术工具，又要不断地学习使用新工具，掌握这些新的技术手段。
另外，为了适应人们对STEM教育的需要，许多教具生产厂家也推出了一系列的STEM課程材料包，自然教学时，教师也可以结合自然学科的特点选择合适的材料包使用，这样可以节省出大量时间运用到教学环节的设计上，确保有好的教学成效。STEM教育为自然学科插上一双翅膀，飞的更高。
3.3教学方式学生中心化，评价多元化
3.3.1教学方式学生中心化
STEM提供了学生动手做的学习体验，学生应用所学的数学和科学知识应对现实世界问题，创造、设计、建构、发现、合作并解决问题。因此，STEM教育必须以学生为中心，注重学生的体验，让学生在参与、体验中不仅获得结果性知识，还习得蕴含在项目问题解决过程中的过程性知识。这种在参与、体验中习得知识的方式对学生今后的工作和生活的长远发展会产生深刻影响。
还是拿《找重心》这一节课为例，根据《上海是小学自然教学基本要求》的要求，本节课的教学任务就是给物体找重心，所以本课的设计思路是：先通过让直尺水平地停在手指尖上引入重心的概念，然后过渡到找铅笔的重心，再让学生根据前面的规律找长方形纸板的重心，探究过程有点到面，层层深入解决问题，这样设计出来的探究符合学生认知发展的规律也激发了学生的学习的欲望和兴趣。探究过程中，学生利用数学知识、工程设计来解决问题，探究的兴奋点被点燃，其乐无穷。
当然，STEM教育重虽然视学习者在学习中的主导地位，但也不能忽视教师的引导作用。教师需要对每个教学环节的实时进行点播，恰到好处的组织管理、帮助和指导，但是又需要从课堂的角色转变为幕后指导者，成为学生知识意义建构的助手和推动者。
3.3.2评价方式多元化
STEM教育的评价过程应该改变以往单一的评价方式，强调多元评价主体、形成性评价、面向学习过程的评价。为了在STEM教育活动过程中更好地达到教学目标，教师要注重评价方式的多元化，需要在教学过程中不断进行形成性评价。通过使用量表、行为观察和知识测验等形式了解学生阶段性的教学成果和存在问题，及时对STEM活动方案进行修改、完善。在活动关键阶段或者活动完成时，我们也可以采用过程性评价和总结性评价以检验学习效果是否达到预期的教学目标。尤其是过程性评价，STEM教学侧重于培养学习者解决实际问题的能力，比传统的纸笔测试更加灵活多样，并关注学习者的发现问题和解决问题能力，以及创造力。
4、结束语
STEM教育是面向世界、面向未来的教育，从这个意义上说，在小学自然课堂中尝试开展各种STEM活动非常重要。在STEM活动的推进过程中发现问题，并分析其产生的原因，通过各种手段改进教学，促进STEM活动顺利展开，在活动中发展学生的能力，STEM教学以培养学生综合处理现实问题的能力为其目标，而这一目标也是我国当下核心素养培养学生，我国虽然不缺乏对STEM独立学科的设置与学习，但是针对学科之间的有效性综合缺乏实战经验，这与我国长期对知识理解与应用实践的不重视不无关系。因此，我们应该借鉴美国的相关学习经验，积极推进STEM教育与学科的整合。如今，STEM在我国已经建立了相应的试点并逐步在全国逐渐展开，这对于中国教育与人才培养而言无意识有利的，我们期待着这一成果的快速实现。
在我的教学实践中，我深感STEM教育为自然学科插上一双翅膀，让学生在科学海洋里尽情发挥、尽情创造。
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（作者单位：上海市徐汇区光启小学）