基于STEM教育理念的小学科学课程教学设计

［摘 要］ 培养未来科技创新后备人才是当前我国小学科学课程的重要任务。STEM教育理念作为当前科学教育界较受重视的跨学科教育模式，其核心特征是契合我国小学科学课程的课程特征。基于STEM教育理念的小学科学课程教学设计应遵循科学性原则、情境性原则和可行性原则。基于STEM教育理念的小学科学课程设计应先认真研读课标要求，厘清教学内容，然后依托教材进行大单元教学设计，再进行基于STEM教育理念的课堂教学设计。基于STEM教育理念的小学科学课程教学设计对当前我国的小学科学教育是一项非常大的挑战，师资水平、教学材料是否齐全、教育部门的政策等都是影响课程教学设计的重要因素。

［关键词］ STEM教育理念；小学科学课程；教学设计

［基金项目］ 2022年度海南省教育科学规划课题“基于《义务教育科学课程标准》的海南省小学科学课程改革研究”（QJY20221011）

［作者简介］ 吴小霞（1979—），女，山东泰安人，硕士，琼台师范学院理学院教授，主要从事小学科学教育研究。

［中图分类号］ G622.41 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）-07-0029-04 ［收稿日期］ 2024-01-31

STEM（science， technology， engineer and mathematics）是20世纪80年代初期，美国为应对科技发展瓶颈、科技人才培养不足而推行的国家战略。1986年，美国国家科学委员会在相关政策文件中首次使用STEM一词［1］。随着21世纪国际局势的复杂化，科技创新人才的培养成为各国增强自身竞争实力的关键。美国对科技创新人才培养的思考使STEM教育成为当前科学教育界备受重视的跨学科教育模式。

21世纪的科学技术发展日新月异，科学技术对社会的推动作用已成为人类共识，培养创新后备人才已成为当前教育界的主要任务。进入21世纪以来，我国也非常重视科技创新后备人才的培养。2001年，教育部发布《全日制义务教育科学（3～6年级）课程标准（实验稿）》，将我国小学长期使用的“自然”科目改为“科学”，规定小学科学课程是一门以培养科学素养为宗旨的科学启蒙课程。2017年，《义务教育小学科学课程标准》规定小学科学课程是一门基础性课程、实践性课程、综合性课程［2］。2022年，《义务教育科学课程标准》规定义务教育科学课程是一门体现科学本质的综合性基础课程，具有实践性［3］。从“科学启蒙课程”到“综合性基础课程”的定位变化，反映出科学课程的地位显著提升，也表明教育界普遍认可小学科学课程在创新后备人才培养中的作用，STEM教育理念为我国小学科学课程培养创新后备人才提出了可供参考的建议。

一、STEM教育理念的核心特征

STEM教育并非简单的科学、技术、工程与数学四门课程的组合，然而STEM教育与这四门学科的教学又紧密相连，以整合的教学方式使学生掌握必备的知识和技能，并灵活运用其解决现实世界中的相关问题。因此，STEM教育最核心的特征就是学科综合性，即学科知识之间应建立彼此关联的桥梁，建立科学相关知识的关联性。自然世界事物之间的联系因为分科研究而不利于人类揭示新的发现，这也成为理工科教育的弊端。实际上，人类历史上出现的伟大的科学家都不是只习得了某一学科的相关内容，而是多种学科的集大成者。

STEM教育虽涉及工程与技术领域的相关内容，但并非一定要做出某一个产品，尽管STEM教育的诞生具有一定的功利性。因此，STEM教育的第二个核心特征就是强调让学生动手实践，即学生通过知识的学习利用教师提供的材料进行初步设计和制作，或者说STEM教育强调学以致用。在知识爆炸的21世纪，单一知识的学习难以使学生适应社会的快速发展，在真实情境中灵活运用所学才能激发其创作灵感。

STEM虽然是科学、技术、工程与数学四门自然科学课程的简称，但STEM教育还包含美术、音乐、社会、语言等人文艺术课程。因此，STEM教育的第三个核心特征就是强调艺术与人文属性。科学技术是把双刃剑，在人类漫长的发展历程中，科学技术既为人类谋福利，也曾给人类带来灾难，STEM教育必须重视“人格”塑造。

二、STEM教育理念契合小学科学课程性质

我国的小学科学课程涉及物质科学领域、生命科学领域、地球与宇宙科学领域以及技术与工程领域等方面的内容，是一门综合性课程。STEM教育理念最核心的特征就是强调学科的综合性，这与我国小学科学课程的综合性不谋而合。

我国的小学科学课程一直强调科学探究，认为科学探究既是科学学习的方式也是科学学习的目标，是一门实践性课程。2022年颁布的《义务教育科学课程标准》突出了科学观念、科学思维、探究实践以及态度责任四个核心概念。STEM教育强调让学生动手实践，这与我国小学科学课程的实践性异曲同工。

我国的小学科学课程强调在认识科学本质及规律的基础上，理解科学、技术、社会与环境之间的关系，养成科学态度与社会责任，具有一定的人文属性；STEM教育理念还涵盖美术、音乐、社会、语言等人文艺术，也具有艺术与人文属性。

英、美等发达国家将科学课作为其小学课程体系的核心课程。我国小学科学作为核心课程的课程地位至今还未得到确认［4］。科学课在我国小学的课程体系中一直属于副科，师资及教学硬件设施的配备远远不及语文、数学等核心课程。然而，小学科学的课程属性对教师专业素养具有较高的要求，同时需要某些教学材料辅助教学，导致部分地区的小学科学课开设形同虚设。如何上好科学课，如何给国家培养科技创新后备人才是小学一线科学教育面临的巨大挑战。

STEM教育在西方发达国家已发展了几十年，有着非常丰富的经验可供借鉴，如何将其吸收转化为适应我国国情的小学科学教育刻不容缓。因此，基于STEM教育理念进行小学科学课程的教学设计是应对这一挑战的基础。

三、基于STEM教育理念的小学科学课程教学设计

（一）教学设计的原则

1.科学性原则。教学设计是为教学活动制定蓝图的过程，是教师依据教学对象的特点和教师自己的教学观念、经验、风格，运用系统的观点与方法，分析教学中的问题和需要，确定教学目标，建立解决问题的步骤，合理组合和安排各种教学要素，为优化教学效果而制订实施方案的系统的计划过程。

我国小学科学课程的教学对象是6～12周岁的儿童，《义务教育小学科学课程标准》将其分为1～2年级、3～4年级和5～6年级三个学段。小学科学课程教学设计必须充分了解每一个阶段儿童的学习心理特点，依据教学对象的特点构建教学内容。因此，科学性是进行基于STEM教育理念的小学科学课程教学设计的首要原则。首先，教师必须在学生认知基础上构建教学内容，搭建物质与能量、结构与功能、系统与模型、稳定与变化四个跨学科概念的联结，实现学习进阶，避免超出学生的认知范围。其次，教师对教学目标的确定要科学合理，小学科学应面向全体学生，立足核心素养，《义务教育小学科学课程标准》定位于科学观念、科学思维、探究实践以及态度责任四个方面，尤其是对学生科学思维的培养是新课标着重提出的。因此，基于STEM教育理念的教学设计需要在了解学生和教学内容的基础上，科学设定教学目标。最后，教师对教学活动的安排要科学合理。小学一节科学课的时间是40分钟，一节课的探究活动可以安排2～3个，每一个活动的开展时间要合理分配。

2.情境性原则。STEM教育就是将教学置于真实的情境中，把抽象的学科知识转化成生活中遇到的具体问题，通过体验并感受学习的过程，从而使其获得丰富的认知。因此，情境设计应是基于STEM教育理念的小学科学课程教学设计的重要原则。我国的小学科学教育长期以知识为本位，忽略科学知识在真实情境中的应用，培养的理论型人才“知道却不会用”，这对我国创新型后备人才的培养极为不利。基于STEM教育理念的小学科学教学应以小学生熟悉的、具体的、生活化，即尺度小的情境作为开启学生探究学习的起点，让其发现问题、提出疑问、经历科学探究的过程，体验探究的乐趣。

《义务教育科学课程标准》规定的课程内容涉及13个学科核心概念，54条学习内容，其中与小学相关的有46条学习内容。按照大单元教学理念，可以将大单元的内容设置在一个大的具体的情境内，每一堂课都是其中的一个小情境。

3.可行性原则。我国小学科学课程开设时间不长，各地显著的经济条件差异也反映在各个学校教学硬件设施上，尤其是城乡之间的显著差异。小学科学课程的实践性要求配备足够的教学材料让小学生动手操作。因此，基于STEM的小学科学教学设计必须遵守可行性原则，具体表现在教学内容的可行性、教学过程的可行性和教学制作的可行性。

首先，作为全国通用的教材，有些教材中出现的教学内容可能不会在本地出现，对此教师可依据《义务教育小学科学课程标准》的要求，将教材中的这部分内容转化成本地中常见的内容，即符合教学内容的可行性。其次，教学过程，即教学活动的具体运作过程，是关系教学效果的关键，教师在教学设计时应充分考虑每一环节的关联性，做到有效可行。最后，STEM理念的教学可根据实际情况设计制作，充分考虑学生的实际情况和教学材料的获取情况，保障课程正常开展。

（二）教学设计的一般思路

1.认真研读课标要求，厘清教学内容。2022年颁布的《义务教育科学课程标准》是实现新时代为党育人、为国育才、全面建成社会主义现代化强国目标的重要支撑。因此，认真研读课标要求、厘清教学内容是有效实施基于STEM教育理念的教学设计的关键。小学科学课程内容涉及物质的结构域性质等13个核心概念，通过学习理解物质与能量、结构域功能、系统域模型、稳定与变化四个跨学科概念，在此基础上开展基于STEM教育理念的教学设计。

2.依托教材进行大单元教学设计。学科核心素养是学科教育之本，是指学生学了本学科之后逐步形成的关键能力、必备品格与价值观念，学科核心素养的出台要求教学设计要从设计一个知识点或课时转变为设计一个大单元。小学科学课程的核心素养也是课程育人价值的体现，包括科学观念、科学思维、探究实践和态度责任［5］。在研读《义务教育科学课程标准》后，教师可依据教材对整个学期的教学内容确定本学期的大单元数，了解彼此之间的逻辑关系，分析学生已有的认知基础和学校已有的课程资源，确定本单元开展STEM教育所需要的教学材料。

3.基于STEM教育理念的课堂教学设计。良好的教学设计是教学实施的基础。基于STEM教育的课堂教学设计是开展STEM教育的关键。一节基于STEM教育理念的课堂并非科学、技术、工程与数学的全面结合，可以是科学与技术的结合、科学与工程或科学与数学的结合，只要达到本堂课的教学目标。可以将大单元教学置于某一合适的真实情境中，其中的每一节课都是这一真实情境的场景之一，充分发挥教师引导者角色的作用，引导学生发现问题、提出问题并借助教师提供的资源解决问题，同时注意培养学生学会使用本节课科学观念的能力、科学思维的能力等核心素养。

（三）开展STEM教学设计的基本要求

不难看出，基于STEM教育理念的小学科学课程教学设计对当前我国的小学科学教育是一项非常大的挑战。师资水平、教学材料是否齐全、教育部门的政策都是影响课程教学设计的重要因素。

1.科学教师具备较高的科学素养。科学教师具备较高的科学素养，是开展STEM教育的前提。然而，当前我国小学科学教师缺口较大，学历有待提高，教育基础设施城乡差异较大，限制了小学科学STEM教育的开展。有研究显示，理工类专业背景的小学科学教师对STEM教育的理解更加到位。因此，可在小学科学教师的职前培养中增设STEM相关课程，职后教师培训应加强不同学科教师的合作交流，促进教师的学科整合。

2.有足够的教学材料支撑。教学材料准备齐全是基于STEM教育理念的小学科学课程教学设计的重要保障。有研究显示，专用教室或实验室等基础设施在STEM教育实施过程中更为重要。小学科学课程的实践性要求小学生经历探究实践的科学过程，分组教学要求每名学生都参与到学习过程中，教学硬件设施保障成为关键。