基于STEM理论视野下小学科学实验设计模式的初探

——以《新品弹球》为例

摘要：2015年12月美国基于STEM相关人才日益匮乏的现状，颁布了STEM教育法案。同时，自2015年至今，江苏连续设立了多个中小学STEM课程试点。因此STEM教学在国内外均受到了较大的重视。小学科学实验设计是科学实验教学的重要一环，是成功进行实验的前提。本文笔者借鉴和吸收STEM教育理念，结合《新品弹球》实验设计，探索基于SETM理论视野下小学科学实验设计模式，以此来提升我国小学科学的教育教学水平。

关键词：小学科学  STEM理论  实验设计  《新品弹球》

 

随着经济的发展和科技的进步，人们对教育事业的发展进程也越来越受关注。一直以来，受传统教学思维的影响，在小学科学教学中仍沿用传统的教学方法和实验设计模式，这不但影响教学质量的提高，还抑制了学生综合能力的发展。因此，小学科学教学需要使用新的教学方法和实验设计模式。STEM教育则是当前实践中成果较为显著的一种教学方式，是我国教育发展中值得探究和学习的内容。

一、概念界定

（一）STEM理论

STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)的简称。它的本质是在众多孤立的学科中建立一个新的桥梁来为学生提供整体认识世界的机会。通过使用这四种 学科整合到一种教学范例中，把学生学习的零碎知识变成一个互相联系统一整体的过程。^[1]

（二）实验设计

小学科学实验设计，是指由教师和学生共同确定一个研究主题，教师提供实验器材，提出实验要求，让学生自己设计实验方案，拟定实验步骤，通过小组合作的方式来探索和发现科学现象，并通过建立模型来解释实验现象，总结出规律性的科学认知。^[2]

二、《新品弹球》实验设计模式

（一）学习目标

小学科学实验设计实际上是小学科学正常教学的重要保障。通过对STEM理论研究分析，所涉及的不同领域之间的融合不是知识点的推拿，而是要发挥交叉学科的优势。结合我国小学科学新课程标准，

取一方之长，借他方之力，使科学、技术、工程和数学互为补充和促进，探索相对应的小学科学实验设计新模式。

例如《新品弹球》课程的学习目标：

1.科学（S）

（1）知道硼砂溶液和含聚乙烯醇（PVA）的胶水混合可以得到一种具有黏性的弹性物质。

（2）知道原料配比不同，混合后所得产物的特性（黏性、可塑性、弹性等）不同。

2.技术（T）

（1）掌握制作弹球的工艺。

（2）运用科学的方法测量弹球弹跳的高度。

3.工程（E）

（1）设计“提出问题——设计方案——制作弹球——弹球测试——改进再制作再测试——形成新品弹球产品”的实验设计方案。

（2）学会自己思考与解决不同原料配比与弹球性能之间的关系等问题。

4.数学（M）

（1）能运用比例问题解决原料的配比问题。

（2）能够利用图表呈现数据，并进行分析和解释。

（二）引入问题与确定需求

由于科学学科课程的特点，学生在有限的时间里所学的科学知识很难用来解决生活中的实际问题。STEM课程则关注现实问题，主张在真实复杂的情境下进行科学探究学习活动，有利于学生科学素养的培养，帮助学生解决生活中的实际问题。

例如《新品弹球》从生活中引入问题与确定需求。

1.教师出示弹球玩具，引发学生注意力。

（1）师：你玩过弹球玩具吗？怎么玩？喜欢玩吗？

（2）师：弹球玩具有没有让你不喜欢的地方？

2.由情境引入，借助视频交代项目主题，抛出要解决的问题。

生产弹球的工厂老板遇到一个问题：据家长反馈，现在市面上的弹球玩具原材料存在安全隐患。最近，他们获得了一种新的制作弹球的配方，据说可以快速方便地生产弹球，且使用的材料很安全并易得——常用的PVA胶水和饱和硼砂溶液。用这个新的配方能否成功制得弹球呢？

3.学生讨论，分析视频中出示的任务。

4.教师引导如何解决此问题。

（1）师：老板请大家解决的问题是什么？

（2）师：获得的新配方是什么？觉得可行吗？为什么？

（3）师：如果配方可行，是不是可以直接大面积生产？

（4）师：如果配方可行，还可以在新品弹球的哪些方面做得更好呢？

5.学生观察配方中的两种原料，在此基础上讨论本项目的实验报告书。

6.小组展示，全班交流本项目实验报告书。如表1所示。

 

表1 设计开发“弹球玩具”报告书          项目组号：

A.原料初步观察结果

B.配方可行性预测与分析

C.项目组实施计划

 

《新品弹球》课程从现实生活中学习常玩的玩具弹球开始，用“来自玩具工厂老板的一封任务封”，赋予学习情境以生活性和真实性。学生从现实生活中寻找到材料，用常见的胶水制作弹球玩具，通过“动手做”探究弹球配方的可行性，解决工业生产中如何改善产品的实际问题。^[3]因此，小学科学实验设计要简洁易行，贴近学生生活，实验器材要简单易得。通过实验让学生体验动手操作的快乐，教给学生科学的研究方法。

（三）调查研究与学习支持

在科学实验教学中，教师要培养学生的实验技能，帮助学生养成良好的实验习惯，实验仪器的使用方法及注意事项、实验设计的相关知识，教给学生在实验完成后，分析原因得出结论，促进学生创新能力的发展。

（一）工具的正确使用

1.教师借“引入问题与确定需求”环节中各项目小组提出的疑问，指导学生对工具进行规范使用和操作。

（1）报告书中以项目小组提出了“用多少原料”的问题，回顾大家接触过的实验工具，哪些适合解决今天的问题？

（2）量筒和带刻度的滴管是常见的对液体的定量工具，该如何使用？

2.学生观察不同量程的滴管和量筒，动手完成任务。

3.教师引导学生思考：如何获得球形球体？

（1）原料混合后可能会获得一种弹性材料，那么这种弹性材料怎样变成球体？

（2）（出示模具）这个工具可以帮助我们得到一个圆球，怎么使用呢？

（二）配制饱和溶液

1.教师引导学生回顾以前所学溶解的基础知识。

2.学生交流溶解的操作过程和要点。

3.教师以盐、糖为活动材料，指导学生配制溶液。

4.教师讲解：物质在水等溶剂中的溶解也有极限，达到极限后会出现不溶解的现象，即饱和溶液。

5.学生操作，配制饱和盐溶液和饱和糖溶液。

6.教师总结：当用来溶解的水量一定时，加入足够多的盐后，一部分盐无论怎样搅拌都不再溶解，这就得到了饱和盐溶液。在相同温度下，所有饱和盐溶液的浓度都是相同的。

（四）分析观点与建立模型

在2015年STEM教育大会上，分享的大多数案例中，反复强调两个关键词——好奇心和探究性。对孩子好奇心的激发和保护，能够引导孩子观察、思考、提问和探究。因此，好的STEM项目必然是属于孩子们的。通过参与、合作、分享和创新，结合STEM理论，学生在学习中不断提升自身的科学素养，也能像科学家一样探究，像工程师一样做产品。

1.指导各小组明确本问题中的各种原料（饱和硼砂溶液、等量的多份胶水）以及使用的各种工具。

2.学习做新品弹球的实验程序。

（1）量：选择合适量程的量筒，量取所需的饱和硼砂溶液。

（2）混：将量取的饱和硼砂溶液倒入10ml胶水中。

（3）搅：使用搅拌棒，按照同一方向搅拌混合的两种物体。

（4）捞：使用搅拌棒将混合后成型的所有固体捞取到手中。

（5）压：两手用力反复按压手中的固体，使成型的固体成为一整块。

（6）搓：将成块的固体放入两手中间，按一定方向轻轻揉搓成近似球体。

（7）摇：将揉搓好的球体放入模具，沿同一方向摇晃模具至球成形。

（8）测：将球体放在测试柜口部与顶面齐平处，使其自由落体，观察第一次反弹高度，测量三次取平均值。

3.各组按照计划进行新品弹球的制作及测试，记录数据。

（五）测试优化与解决问题

《新品弹球》活动中，学生在解决“做一个新品弹球”这个问题时，扮演着弹球工厂工程师的角色。这样的代人感避免了学生在反复调整比例、制作弹球的过程中出现疲劳和兴趣缺失的状况，促成学生乐此不倦地为了制作出更好的弹球产品，不断迭代，用数据说话，最终解决问题。其实，“动手做”活动和情境只是STEM课堂的载体，真实、有意义且贴近学生日常生活的问题才能真正帮助学生在STEM课堂中取得更多的收获。如表2所示。

 

表2 弹球配方设计与测试记录单

第  1  小组

	胶水 用量/ml	饱和硼砂溶液 用量/ml	第1次弹跳 高度/cm	第2次弹跳 高度/cm	第3次弹跳 高度/cm
试做	10	20	33	33	35
第一次	10	8	37	38	37
第二次	10	13	45	43	42
第三次	10	10	42	40	40

 

第  2  小组

	胶水 用量/ml	饱和硼砂溶液 用量/ml	第1次弹跳 高度/cm	第2次弹跳 高度/cm	第3次弹跳 高度/cm
试做	10	10	40	38	42
第一次	10	5	30	32	32
第二次	10	8	40	42	42
第三次	10	9	45	46	45

 

三、结束语

以《新品弹球》为例，探索基于SETM理论视野下小学科学实验设计新模式。我们从玩具工厂的实际需求出发，引导学生从现实生活中寻找材料，用常见的胶水制作一个无毒无害的弹球玩具，通过动手做探究弹球配方的可行性，解决工业生产情境中如何改善产品的实际问题。

总之，小学科学实验设计，尽可能给学生创造一个丰富多彩的学习环境，在STEM理论指导下，提供学生解决问题的机会，把理性思考和科学推理相结合，培养学生发现、思考、概括能力，养成实事求是的科学态度，实现理性与情感完美整合，全面提高小学生的科学素养。

 

[1]齐美玲.孙云帆.美国STEM课程的浅析[J] .科教导刊，2013（28）.

[2]教育部.全日制义务教育小学科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2017.01 .

[3]冯凌.促进融合的学习——小学STEM教育案例[M].江苏：江苏凤凰教育出版社，2016.12.