将STEM教育融入小学科学课程是不可避免的问题。 因此，小学科学教师必须了解STEM教育，也必须考虑将STEM课程设计融入到课程中。 人民教育出版社的《科学》教材也包含了STEM课程体系设计。
张军霞：人民教育出版社科学综合部主任
本文是张军霞在第三届中国STEM教育大会上的主题报告。 正文如下：
将STEM教育融入小学科学课程是不可避免的问题。
STEM教育的重要性不言而喻。 国际经验表明，STEM教育有助于培养学生的科学探究能力、创新意识、批判性思维、信息技术能力等适应未来的关键能力，并可能在未来的生活和工作中持续发挥作用。 因此，STEM教育成为发达国家保持卓越、领先世界的主要着力点。
在科学界和教育界的共同努力下，STEM教育于本世纪初逐步进入基础教育。 尤其是2010年前后，成为以美国、英国为代表的国际科技教育新兴教育实践和研究范式的主流。 。
有几个与我国小学课程相关的重要文件。 一是《中国学生发展核心能力》，是各学科核心能力的指南。 学生发展核心素养主要是指学生适应终身发展和社会发展需要所应具备的必要品格和关键能力。 它包括三个方面、六个要素、十八个基本点。 其中，科学精神与科学有关。 责任感、实践创新、解决问题、技术应用、社会责任等都与小学课程相关。
中国学生培养核心能力
另一份文件是《小学科学课程标准》，明确倡导以STEM教育为主的跨学科学习方法，并提出STEM教育是以项目学习和问题解决为导向，集科学、技术、技术于一体的课程组织方法。工程与数学的结合有利于学生创新能力的培养。 因此，科学教师应尝试将STEM教育运用到自己的教学实践中。
美国“新一代科学标准”中的“科学与工程实践”。 从这些条目中我们可以看到美国提出科学与工程融合。 因为在上世纪末上世纪初，人们常常并列探讨科学与工程的关系，科学与工程的实践联系非常紧密。
美国每五年发布一次STEM教学方法。 2018年，明确提出STEM教育的目标是夯实STEM素养基础，提高STEM教育的多样性、公平性和包容性，为未来培养STEM劳动力。
美国推进 STEM 教育的路线图
STEM 成功之路包括强调跨学科学习和计算思维。 这些在美国的《新一代课程标准》中都有提及。 《STEM五年战略规划》中提到，《STEM成功之路》中明确提出了计算思维。
小学科学教师面临着各种各样的科学教师培训，这要求教师也了解STEM教育，依托现有学科教师培训的现有条件，优化课程结构。 加强物理、化学、生物、地理、科学、计算机、综合实践活动等领域教师培训，通过项目参与探索和深化STEM教育。 未来，我们需要建立我国STEM教师的质量标准。 因此，小学科学教师必须了解STEM教育，也必须考虑将STEM课程设计融入到课程中。
如何在小学科学课程中开展STEM教育
了解 STEM 教育
小学科学教师首先要明确三个问题：什么是STEM教育？ STEM教育与科学、信息技术、总结实践、通用技术、研究性学习、校本课程等现有课程有何关系？ 各种科技活动能否打上STEM教育或创客教育的标签？
有些老师会熟悉科学、技术、数学和工程的含义。
科学是指对自然世界提出问题，以经验解释的形式给出合理的、普遍的答案，形成或反映自然、社会、思维等客观规律的知识体系。
技术是解决问题的工具、方法和经验的总称。 有经验的科学教师都会知道，在自然科学的教学中，非常强调技术设计或技术生产。
数学是研究空间形式和数量关系的科学，是一种分析工具。 在小学科学中，经常会用到一些表格和简单的计算，有时也会用到统计尺度。 工程是一个系统的、经常重复的过程和方法，利用科学原理和技术手段来创造人造物体。
科学、技术、数学和工程之间存在相关性。 技术应用于工程，数学应用于科学。 科学的发展得益于技术和工程的发展。 工程学主要是培养创造力，面向创造的世界，设计和构建模型和系统。 科学是应用科学方法来发现我们周围世界的规律。 科学家需要研究和构建关于世界的概念、模型和理论。 主要使用的实践方法是科学方法。 科学技术、工程和数学如何结合？
STEM各要素之间的关系
从什么问题出发，我们可以分析什么是科学问题，什么是工程问题。 源于自身、源于某种现象，都是科学问题。 工程问题源于需要解决的问题。 举几个例子，衣服能给身体补充热量吗？ 这是一个科学问题。 如何让杯子保温？ 这是一个工程问题。 两个看似不同的问题本质上都是热科学中的能量传递问题。 不同坡度的斜坡对提升物体有什么影响，是一个科学问题。 如何改造空间有限的人行天桥，让人们可以更省力地在上面推自行车，是一个工程问题。
从工程问题出发，理工结合，这是我们将STEM引入小学科学课堂的思考。 将工程思想和实践引入科学课堂，重点关注连接科学和工程的几个重要概念（我们需要在STEM课程或STEM单元中学习和培养18个主要概念）。开发与科学探究和工程技术相关的实践。 科学教材或者科学教学需要通过科学实践来表达，所以我们必须更好、更实事求是地进行科学探究和工程实践。
体现STEM教育特色
《STEM教育国家政策分析与实践模式》一文分析了世界STEM教育的实践特点：教育理念应“能力为本”、实时策略应“整合”、实际应用应“项目主导”，课堂教学需要“传承与创新”，生态发展是“多方共同努力”。
我国STEM实验有九个特点。 我们努力创建跨学科、有趣、体验式、情景化、协作性、设计性、艺术性、经验性和技术增强的 STEM 课程。 STEM课程应在脑科学、认知科学和教育科学研究方面有详细的基础，以人类发展为制高点，并不断发展。
采用STEM课程模式
目前的STEM课程模式基本采用集合整合型，强调各领域之间的联系。 它不是简单地将各个领域拼凑在一起，而是有目的、有方法、系统的组合。 理工科问题往往是课程的主线，围绕主线创造出多维度的空间，从而为学生提供一系列具有一定关联性的学习体验。
我尝试从不同的角度对STEM课程进行分类。
1、从教育层次结构分类分为四类：一是泛科学科技资源信息化科普教学；二是信息化科普教学。 二是基于项目的课程（跨学科问题解决）； 三是综合学科（专门的交叉学科）； 四是嵌入式课程，单科助推课程，以及以小学科学课程教材为基础的教材体系中体现STEM的课程都是嵌入式课程。
2、按整合导向和学习模式分类：学科知识整合是基于问题的学习模式，生活经验整合是基于项目的学习模式，而源于工程任务的项目式学习一般主张从生活经验出发。 学习者中心集成了基于经验的学习模型。
3、按问题类型分类，基于问题更多的是科学探究； 设计为本是技术生产，也是这几年教师自然转向科学过程中的具体生产； 基于项目是工程实践。
4、按实施方式分，有验证型、探索型、制造型和创意型。
5、按支撑程度分类，分为开放式和支架式。
6、按层次划分，分为省级STEM教育、地市级STEM教育、区县级STEM教育、校级STEM教育、学科教材整合STEM教育、学科教师设计STEM课程。
落实STEM课程特色
STEM课程有六大特点。 首先，它们融合了S、T、E、M四个要素。STEM是一门“元学科”，即在不同学科融合的基础上形成的新整体； 其次，以工程设计过程为主。 我们现在接触到的大部分STEM课程都是以工程为主线、科学为基础、技术和数学为应用的课程。 三是聚焦实际问题，注重情境学习。
四是以学生为中心。 教师为引导者，通过提出问题、建立联系，由浅入深地逐步引导学生独立解决问题。 学生是活动的主体，发挥自己的主观能动性，通过激发对课题的兴趣来积极探索，尝试解决问题和建模，并对收集到的数据进行分析。
五是团队合作、参与。 STEM 课程要求每个人参与、与他人合作、分享想法并通过与他人对话来提高自己的见解。 第六，结果公开，允许多种答案。 立足实际情况，通过头脑风暴，筛选真实需求。
人民教育出版社出版的《科学》教材中的STEM课程体系设计
三大特点
1、源于我们身边的工程技术问题
源于我们身边的工程技术问题，凸显STEM课程的特色。 下图显示了一年级至六年级的 STEM 单元。 这些内容均来源于学生身边的工程技术问题。 有些问题与之前的单元有关。 进入本单元讨论 STEM。 我们在教材中实行STEM单元设计，并落实到保证课时的课堂教学中。 可以说，它标志着STEM教育的正常课程和教学。
1 至 6 年级的 STEM 单元
2.实现科学探究向STEM的转变
我们需要把问题变成STEM问题。 解决工程问题必然涉及科学知识和原理，因此从工程技术角度设计的活动更容易实现科学、工程和技术的共同发展。
3.突出STEM课程特色。 在设计单元时，我们应该考虑上述六点STEM课程的特点，并考虑每个单元的课程设计。
凸显STEM课程六大特色
单元设计总体思路
从身边创设情境，提出问题设计要求，补充学生的背景经验，最终进行问题解决或工程设计。 例如，一年级书《制作指南针》第二册中，在引入问题后就设立了制作指南针的任务。 后台体验是了解指南针，然后设计指南并展示和交流。 制作指南针需要积累背景经验，也就是了解指南针的结构，然后设计制作指南针。
单元设计
再举个例子，五年级教材《太阳能热水器》中，问题引入是设立制作一个简单的太阳能热水器的任务。 后台体验活动是了解太阳能热水器原理，设计制作简单的太阳能热水器，最后检验、改进、交流。
这是五年级第二卷的单元内容。 你可以看到第一单元是关于传热、热传导和热辐射的。 热辐射与太阳能有关。 第四个单元有光和太阳反射，这也与太阳能有关。 根据这些内容，学习第五单元。
五年级第二册单元内容
第一个单元是传热和理解热对流。 第三个单位是光。 光沿直线传播。 阳光是由不同颜色组成的。 布料颜色和材料具有不同的吸收和反射光的能力。 设计太阳能热水器时，需要知道选择黑色还是白色，以及光反射。 这是一门为学生开设的 STEM 课程。 学习时预先奠定的背景经验。 第五单元，了解太阳能热水器，需要了解太阳能热水器的结构，如集热器、角架、储水箱、反光板等。 太阳能热水器的原理是黑色吸热能力最强，热对流，反射光能集中太阳能。 有了这些经验，我们开始做简单的太阳能热水器，首先是设计，然后是生产，最后是改进和沟通。
我详细展示了太阳能热水器设计的教学过程。 首先回顾了太阳能热水器的结构和工作原理，了解了工程方案。 学生们必须讨论一个简单的太阳能热水器设计方案。 这时老师给了一些材料，并在课堂上进行设计。
太阳能热水器设计教学流程
在回顾太阳能热水器的结构和工作原理时，这里有一个太阳能热水器的简单剖视图。 热水箱在上面，集热管是黑色的，有一定的倾斜度。 里面会有冷热水对流。
然后你需要了解工程项目并设计一个情况，比如在非洲没有热水的医疗队。 每个团队设计了一个简单的热水器，可以在 15 分钟内加热 200 毫升的水。
接下来，我们将讨论一个简单的太阳能热水器的方案，并想象一下可以用什么材料来制作太阳能热水器。 在此基础上，可以走访各个“材料超市”，了解各种材料的价格，进行成本核算，初步选定设计方案。
最后，完成一个简易太阳能热水器的设计方案，列出所需的材料种类、数量、结构、工具，绘制太阳能热水器设计图，简要评价这组设计的可行性，并对采暖效果进行预测。 孩子们根据讨论画出了设计图，比如用黑色瓶子做反光板，用温度计测量温度。 学生们参观了材料超市，根据自己的想法确定材料，然后填写成本核算表。
我们每个教学单元都会有评价量表，包括成本核算、设计图纸、小组合作等方面的评价量表，还有根据结果、热效率是否符合太阳能热水器原理进行单元评价。
评定量表
单元结束后会有一个复习表，这也是一个单元评价。 审核表的形成是有基础的。 如果老师学过科技课的STEM案例教学，就会熟悉项目提案的撰写。 有四个视角：设计、预算、检验和数据、综合陈述。 设计必须有清晰的图纸、图例、材料和比例，因为你想让客户理解你的建议并采纳你的设计，所以图纸必须画得清晰，比例合适，并用材料标注。 价格和成本是在预算中呈现的，设计模型验证效果需要呈现给客户，所以需要有数据和图表作为验证效果。 最后有一个综合的陈述，用测试结果来解释为什么设计和模型是最好的选择。
单位评审表
以上是我根据我们小学科学课程教材对STEM课程设计的简单介绍。 谢谢你们。
***** 由 NIES 未来学校实验室*****
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