浅议小学科学STEM教育中学生创新能力的培养
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摘要：随着新课程改革，越来越多创新的教学模式引入我国中小学课堂中，不仅提升了学生的学习兴趣，也让教师的教学质量大大提升。现今的社会是科技的社会，人们对于新科技的依赖程度越来越高，科学、技术、工程与数学领域的结合越来越紧密。STEM教育理念应运而生，STEM教育将这四者有机结合，采用一种跨学科的融入教学模式为小学科学课堂带来新气象，启发学生学习科学的兴趣，也在动手实践中提升学生科学创新能力，这也是小学科学学科核心素养的重要一环。本文以小学科学课程为例，阐明了STEM教育理念，分析了小学科学课堂中开展STEM教育的重要性，并结合课堂实例分析了在小学科学STEM教育中培养学生创新能力的策略。
关键词：教学模式 STEM教育 创新能力
在现今的小学科学课堂中，许多教师依然沿用着传统的教学方法，教师讲，学生听，一旦涉及到科学实验，也就是教师在课堂中讲解、演示，让学生完成。这样的课堂虽然能够达到教学目标，却忽略了学生的兴趣与创新能力，学生只是机械地完成学习任务，被动地接受知识，在心中还会对教师产生依赖心理，认为这堂课的重点教师一定会讲述，所以不需要进行思考。这样的教学模式一开始学生可能会主动配合教师，但是时间久了学生对科学的兴趣不高，无法养成好的科学探究习惯，更别说基于科学进行创新了。因此教师要创新教学方法，在科学教学中运用STEM教育理念，将各学科整合，调动学生的科学积极性，进而提升学生的创新能力。
一、STEM教育理念
所谓STEM，是Science、Technology、Engineering和Mathematics这4个英语单词首字母的组合，STEM教育是科学、技术、工程和数学的教育。它诞生于20世纪80年代，当时由于美国对科技人才十分缺失，他们试图通过STEM教育理念培养人才，提升国家竞争力，而后大获成功，这也说明了STEM教育的有效性。
在教育教学中实施STEM教育，需要从两方面把控。
一是内容上的综合。教师在课堂中开展STEM教育时，不能单一地让学生学习科学，而是要将各学科相整合，能够运用自己所学的其他学科知识解决实际问题。科学学科本就来源于自然，在许多科学问题中都与其他学科有着内容上的统一。例如“设计制作一个保温杯”（教科版5年级下册）课程中，我们需要解决的科学问题“为什么杯子中的热水会变凉”，与工程学需要解决的问题“怎样才能够增强杯子的保温性能”这2个问题看似不同，实际上却大有联系，因为它们的本质都是热学能量的传递，这便是STEM教育的工程与科学相结合。
二是形式上的综合。在刚刚接触到STEM教育理念时，许多教师会走进一个误区，既然STEM教育将不同的学科整合在一起了，那我们为什么还要分学科学习，而不直接一起学习呢？虽然STEM教育是一种综合性学科学习理念，但是却并不能取代各学科之间的逻辑性。分科知识有自身独有的知识性与逻辑性，学生学习时会形成学科思维，而如果没有分科学习知识，学生在进行知识整合时就无法在脑海中形成知识体系，更别说基于STEM进行创新了。因此教师在科学课程中要巧妙运用STEM教育理念，突出STEM教育的优点，先为学生选择特定的现实问题，让学生基于问题开展学科整合，实现形式上的综合，进而提升学生解决问题的能力。
二、小学科学课堂中开展STEM教育的重要性
1.有利于激发学生的科学兴趣
俗话说“兴趣是最好的老师”，只有当学生对科学學科产生了学习兴趣，才能够主动参与到科学探究中，提升学生的科学核心素养。因此教师要改变传统的科学课堂教学模式，将STEM教育融入科学课程当中，从学生的生活出发，寻找一些与学生生活密切相关的问题，让学生积极参与，快乐学习。例如在教学“造一艘小船”过程中，学生学习了物体的沉浮与排开的水量有关之后，教师尝试带领学生用1张A4纸造1艘小船，并测试小船的承载能力。教师试图将STEM教育理念融入其中，与数学学科相结合，让学生将数学学习的体积计算运用到小船制作当中，更好地实现学科整合，学习的趣味更浓厚，每一位学生都耐心、细心地制作自己的小船，极大地激发了学生的科学兴趣。
2.有助于培养学生的创新能力
创新是时代发展的灵魂，在小学科学核心素养中也重视学生创新素养的培养。STEM教育重视学科之间的交互融合，但笔者认为，STEM教育还应该结合更多的学科，至少还应该与艺术相融合，在STEM中加入“Art”，成为STEAM教育。这个“A”狭义上指美术、音乐等，广义上则包括美术、音乐、社会、语言等人文艺术，实际代表了STEM强调的艺术与人文属性。
STEM教育的艺术性强调在自然科学教学中增加学习者对人文科学和社会科学的关注与重视。学生自己通过动手、动脑的形式获取知识，主动学习，更好地从中创新，提升自己的创新能力。例如在教学“建高塔”这一课时，笔者通过图片展示各类高塔的外形，让学生明白建高塔需要满足上小下大、上轻下重的原理，接着出示任务，用1根胡萝卜、100根牙签，在40分钟内建1个高塔，评价从高度和美观程度考虑。熟悉的材料，新颖的话题，一下子吸引住了学生，他们马上全身心地投入到紧张的比赛中去了。有的负责切胡萝卜，有的负责设计造型，有的讨论怎样充分利用那100根牙签……当然，在建造过程中也出现了各种意外，如牙签数量没有控制，导致最后胡萝卜剩余;如塔身容易倾斜……学生通过图纸设计、数学计算材料的利用率，从工程学角度考虑高塔的牢固性，从科学的角度考虑高塔的稳定性，从美术欣赏的角度审视自己的作品，设计出各种造型的高塔，完成比赛项目。通过这样的项目学习，既培养了学生设计制作的能力，又让学生在科学实验中不断创新，激发想象力，还培养了学生的审美能力。
3.有易于培养学生的科学素养
在新课程改革过程中，我们不仅要求学生掌握学科专业知识，更为重要的是培养学生的科学核心素养。科学核心素养要求提升学生的科学探究能力和团结合作能力。在传统的科学教学中都是以教师讲解知识为主，学生活动的内容很少。而STEM教育需要学生与教师的共同配合，利用各种途径解决科学问题，教师也可以让学生以小组的形式合作收集数据，开展实验。特别是对于一些较为复杂的实验，教师让学生以合作的形式开展，能够极大程度缩短实验时间，提升实验效率。小组在合作实验中也会主动交流，互相学习，每一个小组中都有基础不好的学生，他们也能够主动配合小组实验，希望能够尽到自己的一份力量。以小组的形式探究实验，可以提升学生的团队合作能力，进而提升学生的科学核心素养。 三、小学科学STEM教育中培养学生创新能力的策略
1.从实验入手，激发学生的探究欲望
小学科学是一门实践性的学科，实验是小学生学习科学的主要方式。教师可以通过实验激发学生的探究欲望，让学生通过实验释放自己的天性。在教学过程中，教师可以结合数学、工程、技术等相关知识，引导学生建立系统的实验思路，提升学生的探究欲望。例如在学习了“浮力”这一课后，学生已经知道了物体的浮力与排开的水有关。在此基础上，教师可以结合技术与工程的知识，指导学生设计制作一件关于浮力的作品。在课堂初始，教师可以让学生先观察教师制作的浮沉子，分析浮沉子的工作原理。当挤压矿泉水瓶时，瓶内的压力增大，浮沉子内的水位上升，浮沉子下降;当松开矿泉水瓶时，浮沉子内的水位下降，浮沉子上升。让学生根据工作原理，设计制作一个属于自己的浮沉子模型。学生根据实验原理，使用身边的原材料，制作了不同样子的浮沉子，有的学生利用曲别针和吸管制作了浮沉子，还有的学生利用笔盖制作出了浮沉子，学生的不同想法给浮沉子带来了不同的改变，让学生的个性与特长得到了充分的发挥。
2.与生活结合，培养学生的创新能力
著名心理学家皮亚杰曾说：“教育的首要目标在于培养有能力创新的人，而不是一味地模仿前人已经做过的事情。”这充分说明了创新对于培养学生科学素养的重要性。小学生本就想象力丰富、好奇心强，对于科学有着自己心中的理解。因此在小学科学教学中，教师运用STEM教育理念将技术、工程、数学与科学相结合，可以在学生学习科学课程的基础上提升创新能力。例如在教学“像火箭那样驱动小车”这一课时，笔者为了让学生更好地理解反冲力原理，带领学生走出教室，来到操场中，引导学生自己动手制作纸火箭，通过纸火箭的制作初步探索火箭的奥秘。制作纸火箭的准备材料很简单，只需要纸、双面胶及事先准备好的压缩空气就能够让火箭飞起来。让学生以团队的形式每个小组设计制作1枚纸火箭，涂上自己喜欢的颜色并命名。当每个小组都完成了纸火箭的制作后，操场上多了许多五颜六色的火箭，这些颜色代表着学生热情洋溢的笑脸，以及团结合作的结果。当小组组员踩下作为动力的空气开关后，刚才还在地面上的纸火箭瞬间就飞升到空中，有二三十米高，大家的热情被点燃。“你们还有没有什么办法能够改进纸火箭，让火箭可以飞得更高？”类似这样的问题激发了学生的创新能力，小组成员热情高涨，积极地讨论可以通过怎样的技术改进让自己的火箭发射得更高、打破班级记录。这样的课堂与生活紧密结合，使学生学习科学知识不再拘泥于文本，而是从生活中思考，从生活中创新，不断激发智力，提升创新水平。
3.与各科整合，提升学生的科学素养
STEM教育要系统地融合科学、技术、工程、数学等领域的知识与技能，因此教师在教学中要注重于各科知识的整合，如数学、劳技等，通过知识整合的方式引起学生更加深入的思考与探索。科学的探究不仅需要科学的知识，还需要数学课的分析、劳技课的动手能力，只有通过各科的整合，才能全方位地提高小学生的科学素养。
例如在教学6年级“杠杆的科学”一课时，需要学生理解杠杆原理，并且能够明白远离支点的物体会产生更大的力。在这节课的学习中，教师可以通过与数学学科整合的方式，帮助学生更好地理解杠杆原理。在这一课中，有一个利用杠杆尺探索杠杆原理的環节，这个环节要求学生记录钩码数与钩码到支点的距离。教师结合数学学科知识，让学生探索钩码数与钩码到支点的距离之间的关系。学生在探究过程中，最容易发现的就是在两边的钩码数相同的情况下，两边的钩码到支点的距离也相同，而且不管距离有多远，都是保持平衡的状态。接着教师可以引导学生思考钩码数与钩码到支点的距离是否存在某些数量上的关系。学生通过观察数据，能够很快从一些特殊的数据中观察到：钩码×钩码到支点距离=另一边的钩码×钩码到支点的距离。在学生观察出这个数学模型后，教师要先让学生用自己记录下来的其他数据验证这个想法是否正确，培养学生科学思维的严谨性。当学生通过自己实验验证成功后，就会感到十足的成就感。在这样的引导下建立的知识，比直接告诉学生更具有教育意义。在学生了解了杠杆原理之后，教师还通过结合劳技课的方式，让学生利用杠杆原理设计制作1个能够称量50克物体重量的小杆秤。这样的活动将学生从以往的知识学习引入到设计制作当中，让学生运用多元化的知识完成设计制作的过程，从而提升学生的科学核心素养。
四、结语
在小学科学课程教学中，能够运用STEM教育理念的方面还有很多，教师通过实验入手、与生活结合，以及与学科整合，引导学生一步步来到科学世界的大门，运用自己的思维开启科学世界的殿堂，在STEM教育理念下启迪心灵，学会实践，学会团结，学会运用不同学科的知识解决实际问题。当然，教师在运用STEM教育理念时要贴合学生生活实际，让学生从生活中思考，更好地培养创新能力，进而提升学生的核心素养。
参考文献
[1]陈泽强.融合STEM教育理念的小学Scratch教学的探究与思考.中国信息技术教育，2018（2）
[2]罗德清.如何构建具有STEM教育特色的科学室场.小学科学（教师版），2018（2）
[3]万婉霞，吴雪晖.STEM视角下的“趣味”科学教学探究.小学科学（教师版），2018（1）
点评
随着当代科学的不断发展和教育的日趋现代化，作为基础教育阶段的科学教育，一些新的理念诸如STEM教育理念等也在不断融入，并将进一步丰富我国科技创新人才早期培养的模式。本文作者正是根据上述观点，依托自身在科学教育实践中的探索，研究和总结出在小学科学教育中应用STEM教育模式，培养学生科学素养和创新能力的具体案例和相关策略，值得广大科学教师和科技辅导员在培养科技创新后备人才过程中予以参考或借鉴。
如果作者能够更为深入地理解STEM教育理念，并进一步规范科学素养、科学核心素养和创新能力等概念，以及加强文章整体的逻辑关系，将使本文不仅具备实践性，也会显著提升学术性。
——翟立原（中国青少年科技辅导员协会理论工作委员会副主任委员，第26届全国青少年科技辅导员论文征集活动评审委员会主任委员）
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