STEM课程如何设计？9大核心特征必须体现 | 内附课例
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如何进行跨学科融合的STEM课程设计
——以“我们用上了自来水”课程设计为例
文 | 段勇
STEM教育的核心理念是促进多学科融合，培养创新人才，其跨学科整合的新型学习方式深受教师欢迎，广大教师认真研究STEM教育理念并积极开展实践。但随着探索的不断深入，诸如课程如何设计、课时如何设置、学科之间如何进行交叉教研等问题也相继出现。其中，尤以如何进行有效的STEM课程设计最为突出。
STEM课程设计以跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性为核心特征，那么如何在实践中体现上述九个核心特征？笔者所在的项目组对此进行了大量探索，现以“我们用上了自来水”课程设计为例进行说明。
一、课程设计说明
很多教师在设计STEM课程时，总是困惑于课程素材的来源，不少教师因此追求较为前沿的课题。这样一来，课程虽然轰轰烈烈地开展了，后期也会进行“高大上”的作品展示，但是这些课程往往集中于基础较好的学生，大多数学生不能真正从STEM教育中获益。
此外，学生虽然完成了课程任务，但是对于课程所涉及的科学原理及技能的学习，并没有比传统课堂更为扎实。这也是STEM教育在推广过程中受部分学校排斥的原因。
本课程设计力求结合学生身边的现象或实物，通过巧妙的教学设计，引导学生利用项目式学习、小组合作、做中学的方式，建构知识与技能。教师通过“帮助留守儿童用上自来水”这一真实问题，激发学生的同理心。学生在助人为乐的内在动机驱使下，完成四个递进式任务，在解决问题的同时，习得解决问题的方法，获得能力与素养的提升。
二、课程情境、任务与设计
问题情境：在我国山区农村中，留守儿童家庭用水不方便。孩子们放学后，还得帮爷爷、奶奶到村里的供水点运水回家。怎样帮助这些同龄人用上方便的自来水，随手拧开水龙头，清澈的自来水就会“哗哗”流出，在家里就能接水做饭、洗东西呢？
围绕要解决的这一真实问题，该课程共设计了四个递进式任务。
任务一，通过小组讨论、动手实践找到建造自来水的科学原理——连通器原理，并灵活运用连通器原理帮助村民确认水塔的选址、高度等问题。
任务涉及的科学知识（S）是液体的压强以及连通器原理。任务的成果是学生能搭建出简易的供水装置，能利用所学到的科学知识研究济南趵突泉喷涌的科学原理，并能提出保持泉水持续喷涌的建议，能用所学科学知识解释古罗马广场上人造喷泉的原理，并了解古罗马引水渠的相关知识。
任务二，通过握蛋实验，让学生思考为什么易碎的鸡蛋却不容易被手握碎，并通过Scratch软件去模拟探索“在周长一定时，哪种形状的物体面积最大”。
任务涉及的科学知识（S）是薄壳原理，数学知识（M）是等周定理。任务成果是学生能用写作的方式记录课堂上有趣的学习经历，能利用所学的知识分析生活中的薄壳建筑，能用所学知识解释为什么大多数水果的形状是球形或相近形状。
任务三，通过Scratch图形化编程使学生明白，为什么长方体的方砖可以建造成圆滑的圆柱体形状的水塔。
涉及的数学知识（M）是外角、极限理论、数学建模。技术知识（T）是利用数学运算、重复执行来编写程序。任务成果是通过对数学、技术知识的综合运用，编写出可以绘制任意正多边形的程序。
任务四，通过解决一个在程序设计过程中的生成性问题“圆出界”，让学生体验探索周长与直径关系的过程。
涉及的数学知识（M）有坐标系、圆的周长、圆的直径、圆周率；工程知识（E）是问题转换法和试错法；技术知识（T）是程序调试。任务成果是学生体验了“探索圆周长与圆直径关系”的思维过程，能利用所学数学知识解决建造成本中需要多少块砖的核算问题。
课程实施年级为四年级至九年级。教师可根据学生的不同知识结构，按螺旋式上升方式选择相应的任务进行教学。
三、课程实施
任务一：搭建储水装置
学生根据问题情境——如何帮助留守儿童用上方便的自来水，小组讨论项目目标，确定项目方案，探讨项目可能用到的科学原理。学生既可以根据教师提供的指导方法学习该项目所需的科学原理，也可以先根据教师提供的工具进行科学实验，再在总结环节归纳与对比科学原理。
教师提供的实验工具有：吸管、水槽、圆柱形容器、长方体容器、橡皮管、铁架台、水泵、活塞、止水夹、液体压强演示器、连通器演示器。
学生根据探讨结果，选择合适的器材进行实验，通过实验完成项目目标。在此环节中，学生可以利用圆柱体容器、长方体容器作为蓄水装置，橡皮管作为供水管道，铁架台可以提升蓄水装置的高度，从而模拟现实社会中的自来水供水系统。
通过模拟，学生找到了建造供水系统所用的科学原理。部分学生依据自身生活经验，使用虹吸原理供水。基于此，师生可讨论在供水系统中连通器原理与虹吸原理的异同及哪种方式更适合。
实验完成后，师生总结项目实施过程中的收获，验证科学原理并内化。学生虽然通过模拟找到了供水系统的必要条件是要有一定的水压，并通过实验获知，要想得到一定的水压，需把蓄水装置抬高，但其中涉及的科学原理——连通器原理，需要教师系统地讲解，并通过液体压强演示器、连通器演示器，让学生知道液体压强与哪些因素有关，了解人们是如何在现实生活中运用这些科学原理的。
最后学生进行作品展示，并尝试运用所收获的科学原理对生活现象或科学发明进行解释。如古罗马的广场喷泉原理，趵突泉为什么会停止喷涌，如何判断锅炉内的水位等。课后学生撰写STEM小论文。
任务二：看看谁的力气大
师（问题情境）：在上一个任务中，大家为山区的同学完成了储水装置的建造，成功地帮助他们用上了自来水，但大家的储水装置形状不一，有的是圆柱体，有的是长方体……请大家讨论一下，什么形状的储水装置更合理。
小组讨论后，教师出示本次实验的工具：鸡蛋、一次性手套、学生用实验围裙、计算机。
师（实验探究）：老师今天带来了几个鸡蛋，我想请咱们班力气最大的同学用手把它握碎……
这一任务学生对学生的原有认知提出了挑战。几乎没有学生把一枚鸡蛋放在眼里，但当班级里力气最大的“大力士”面对这枚小小的鸡蛋也无可奈何时，学生被薄薄的鸡蛋壳所蕴藏的巨大力量所震撼，这激起了他们继续探索科学知识的兴趣与动力。
师（原理介绍）：鸡蛋壳能承受这么大的压力，是因为它能够把受到的压力均匀地分散到蛋壳的各个部分。建筑师根据这种薄壳结构的特点，设计出了许多既轻便又省料的建筑物。人民大会堂、北京火车站等很多著名建筑，屋顶都采用了这种薄壳结构。同样，我们的蓄水装置为了承受更大的水压，也应该利用薄壳原理进行建造。
接下来，师生就水塔选择圆柱体的数学原因——等周定理又进行探究。该环节中，教师通过用Scratch设计的等周定理验证程序，与学生一起输入不同边数，构建多边形水塔。学生会发现当周长是一个定值时，随着边数增加，正多边形的面积逐渐增大。人们选择把水塔建成圆柱状，也有建筑成本（数学原理）方面的考虑。
在此过程中，学生使用网络进行“薄壳原理”“等周定理”的深入学习与探索，并修改之前建造的蓄水装置。课后，学生继续撰写STEM小论文。
任务三：方怎么变成了圆
师（问题情境）：生活中常见的储水装置是水塔，水塔是圆柱状的，但水塔却是用长方体的砖垒成的，方怎么变成了圆呢？
小组展开讨论。
教师出示本次实验的工具：吸管、剪刀、量角器、直尺、A4纸、计算机、Scratch编程软件，让学生利用吸管将他们的想法实现出来。
在此任务中，学生根据生活经验把吸管剪短，摆出正多边形。通过亲自动手去摆正多边形，学生逐步体会到“当吸管越短，边数越多，摆出的正多边形越接近圆”。
在动手操作的过程中，学生逐步有了朴素的极限观念。但受器材等客观条件的限制，学生没办法摆出真正的圆。此时，利用编程的方法模拟由正多边形变圆的过程，既能体现技术的优势，也帮助学生更直观地建立极限理论的数学思维模型。
学生分小组介绍实施过程中的心得。
教师引导学生进行数学建模：学生利用A4纸裁剪出正三角形、正方形、正五边形和正六边形。小组合作利用表格或其他方式找到边数与角度（外角）之间的数学关系（见表1）。
学生根据数据猜想出，任意正多边形的边数与旋转度数之间存在相乘等于360度的数量关系。
由于边数大于6以后，用手工的方式制作正多边形的难度增大，教师指导学生利用计算机进行编程验证。在验证过程中，学生学习了“变量”“重复执行”等Scratch编程知识。
在此过程中，学生还通过网络学习我国古代数学家刘徽的“割圆术”、古希腊安提丰的“穷竭法”，了解近代极限理论的雏形。
任务四：“我画的圆出界了”怎么办
师（问题情境）：在上个任务中，不少同学找到了用方砖垒出圆柱状水塔的方法，但也有同学遇到了新问题，那就是利用Scratch画圆时，因为对每次走的步长（砖长）把握不准，画的圆超出了边界。这该如何解决呢？
学生根据教师提供的思维脚手架，如“圆的大小与哪些量有关系”“Scratch舞台的坐标是怎么规定的”“步长、边数、y轴可能存在一定的数量关系吗”分小组讨论。
各小组成员继续在Scratch编程软件中利用“试错法”进行试错实验，看能否找到步长、边数、y轴之间可能存在的数量关系。各小组再利用“问题转换法”进行实验，用以得出y轴的下半部其实是圆的什么，Scratch软件中“小猫”走一周代表的含义。
应用上面两种方法，学生通过实验找到了“步长乘以边数等于y轴下半部三倍”的规律。这其实也是我国古人经过大量实践得出的“周三径一”的方法。学生利用网络了解“周三径一”的数学方法，小组讨论使用“试错法”和“问题转换法”时思维方式的不同。
最后，学生根据所学的数学原理求解现实问题：为了满足全村人自来水的正常供应，村里需要建造一座高约为35米、直径约为9米的水塔。作为工程师的你，请计算需要多少块砖。
教师布置课后拓展延伸任务：能否利用Scratch编程设计出计算圆周率和正多边形面积的程序？
四、课程设计反思
我们近年来一直在区域内进行STEM教学的实践。在此过程中，我们对STEM课程设计形成了以下思考。
第一，STEM最早产生是源于美国应对学习理工科的学生不断减少的局面。美国国家科学委员会在《本科科学、数学和工程教育》报告中指出，“课程内容陈旧、缺乏想象、组织凌乱，教和学的理解领域没有切合最新的发展。所有这些将会导致更少的学生选择科学和工程类的职业，某些专业无法吸引所需要的有质量的学生……这对美国的经济和安全将会是致命的伤害”。
由此可见，这也是为什么STEM教育的核心之一是趣味性。作为一线教师，在设计课程时一定要时刻围绕着“我的课程是否能激发学生进一步深入学习的兴趣，能否维护学生持续学习的动力”来设计。
第二，STEM课程素材来源于哪里？我们要意识到，人类的每个发明创造其实都蕴含着大量的多学科融合的知识，这些发明与创造本身就是STEM教育的结晶。我们如果能站在一个全新的角度与维度，带领学生进行基于人类已有STEM教育精神财富的再学习和再创作，对学生的学科知识体系建构及思维发展同样具有较大的启迪作用。
第三，STEM采用的是基于跨学科融合的教育方式，提倡通过项目式学习加深多学科的融合，但它并不否定分科教学。经过几百年的锤炼与检验，分科教学能为STEM教育提供更为坚实的学科知识基础，通过STEM的多学科解决实际问题的应用，又为对学生的分科教学提供了实践的出口。基于项目解决的跨学科融合的STEM教育与分科教学正是“学以致用，用以致学”的体现。
第四，STEM教育对教师提出了更高的要求。一名成功的STEM教师一定要跳出单学科的思维模式，带着STEM眼镜去看待客观世界，用STEM的视角去解释身边的各种现象。教师要不断充实自己的学科知识储备，主动要求自己向全科教师发展。
在开展STEM教育培训时，笔者曾经问过参与培训的教师如何测量一枚硬币周长的问题，结果能够回答者寥寥无几，而这一知识是大家早已在中小学学过的知识。可见，要想成为一名合格的STEM教师，还需不断地自我施压、自我成长。
尽管STEM教育在我国兴起的时间不长，但已激发起广大一线教师参与其中的热情。我们的研究构建了适合的STEM课程设计样式，并在所在区域进行了教育实践。此课程设计能激发学生的想象力，为学生提供更广阔的思维空间，培养学生跨学科解决问题及促进创新能力的提升。
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