STEM课程中提升问题解决能力的策略——以“自制伸缩抓手”一课为例.pdf

2023 年第7期小学科学教研专题STEM课程中提升问题解决能力的策略以“自制伸缩抓手”一课为例杜苑琪（中山市东区远洋学校，广东中山 528403）摘要：问题解决能力是小学科学STEM课程培养的关键能力。小学科学STEM课程的开展能有效促进学生问题解决能力的发展，促进学生跨学科解决问题、群组交互合作和问题解决能力的评估。为了发展学生的问题解决能力，教师在建构小学科学STEM课程时要明确“确定问题分析问题制订方案实施方案评价交流迁移应用”6个问题解决环节，通过创设问题情境、搭建学习支架、培育思维能力、深入实践探究、加强交流评价和重视应用迁移等策略，使学生形成问题意识，学会分析问题要素，制订和实施解决方案，从而解决实际问题。关键词：小学科学；STEM课程；问题解决能力；伸缩抓手；策略DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.07.032小学科学课程的核心是培养学生的核心素养，其关键是发展学生的问题解决能力。STEM理念以真实问题为驱动，注重多学科联系和有效融合，引导学生运用跨学科的思维来解决问题，从而培养学生的问题解决能力。开展小学科学STEM课程能使学生掌握解决问题的跨学科方法，学会分析问题并解决简单的实际问题。笔者以小学科学STEM课程“自制伸缩抓手”为例，分析小学科学STEM课程提升学生问题解决能力的相关策略。1小学科学STEM课程与问题解决能力小学科学 STEM课程将科学、技术、工程和数学 4个学科有机融合，从真实问题出发，综合运用跨学科知识与技能来解决问题。问题解决能力是指学生在一定的学习动机下，灵活运用已有知识，理解问题、辨别问题、提出解决问题的意见或方案、实施方案并调整改进方案的高阶心智技能1。根据国内外学者的研究，问题解决的过程一般由问题理解、方案设计、方案实施、效果评估4个阶段组成2。问题解决能力是小学科学STEM课程培养的关键能力。小学科学STEM课程关注真实世界的问题解决，让学生在充分的探究实践中，激发解决问题的兴趣，引导学生运用跨学科的思维来解决问题。小学科学STEM课程在跨学科解决问题的方法技能、探究实践、思维方法和态度责任上有着得天独厚的优势，成为培养学生问题解决能力最为直接和最有价值的载体，能有效促进问题解决能力的发展。2小学科学 STEM 课程对发展学生问题解决能力的意义2.1促进跨学科解决问题真实生活的问题往往是复杂的，需要跨学科解决。小学科学STEM课程打破学科界限，综合运用多学科知识与技能，通过多元化的工具和方法为解决问题提供支架，促进学生解决跨学科问题。例如，在设计制作伸缩抓手时，学生需要综合运用科学、数学、技术和工程等跨学科知识，充分考虑材料选择、制作方法和抓手结构等因素，最后制作出能夹起重物的伸缩抓手，解决了跨学科问题。2.2促进群组交互合作问题解决的反思能力和交流能力是问题解决能力中的两个子能力。小学科学STEM课程注重群组之间的合作和交流共享，学生在群体中相互帮助和启发，通过小组合作交流完成知识建构，从而解决问题。在“自制伸缩抓手”实施过程中，教师重视组内外交流合作，学生在设计制作和测试改进过程的分享讨论中交互合 83SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期小学科学教研专题作、取长补短，进而使问题解决的反思能力和交流能力得以提升，最终促进问题解决能力的发展。2.3促进问题解决能力的评估在小学科学STEM课程中，学生亲身经历解决现实问题的过程，并且产出学习成果，如解决方案、设计图或者工程作品。在常规教学中，问题解决能力的评估和观察往往是有难度的。问题解决能力评估的不是学科专业知识，而是学生在解决问题中的一般认知过程和能力，如一般推理能力、调控能力和问题解决的意愿等3，故问题解决能力多以成果呈现来评估。小学科学STEM课程恰好以学习成果的产出为结果，学生的认知过程得以物化呈现，有利于问题解决能力的评估。例如，教师可通过学生的设计图和伸缩抓手成品来评估学生问题解决能力的发展状况。学生设计图中的材料选择、抓手结构与相关图注呈现了他们解决问题的思路和方法。伸缩抓手成品能否夹起重物，又反映了学生解决问题的成效。3小学科学 STEM 课程中提升学生问题解决能力的策略为了促进学生问题解决能力的形成，教师首先要根据课程特点建构小学科学STEM课程，明确小学科学STEM课程问题解决的阶段，然后根据学生认知规律，在各个阶段采用不同的手段促进学生问题解决能力的提升。笔者梳理出小学科学STEM课程“确定问题分析问题制订方案实施方案评价交流迁移应用”6个问题解决环节，提出了在各环节中促进问题解决能力提升的策略。3.1创设问题情境，形成问题意识在“确定问题”环节中，首先要使学生形成问题意识，要求他们能够在真实情境中发现问题和提出问题，能主动探寻与问题有关的资料和知识。科学课程最终是为了培养解决问题的能力，解决真实情境的真实问题。STEM理念强调学生在真实情境下开展学习及探究活动，解决真实问题。因此，教师创设的问题情境除了要具有真实性，还应当与课程标准相符合，与学生的认知水平相符合，并且具有一定趣味性，能从中提出劣构性问题，具备技术工程的可开发性、可实践性4，从而引发认知冲突，激发探究动机，容易引起学生思考并提出问题。例如，在“自制伸缩抓手”一课中，教师创设了这样的问题情境：生活中有很多伸缩的物体，更换宣传标语用的电动升降平台车能伸缩载起人和重物；伸缩玩具虽能伸缩，但是无法夹起重物。这一情境是学生非常感兴趣的，他们会发现有的伸缩物体载重能力强，有的却无法载重，便开始主动探究背后的问题。由此提出能不能制作出夹起重物的伸缩物体呢？这一例证说明，创设一个真实、有趣、符合学生认知特点的问题情境，对学生问题意识的形成起着关键作用。3.2搭建学习支架，分析问题要素在“分析问题”环节中，教师应培养学生对问题的理解和辨别能力，使学生能够分析出问题的要素，提出问题假设。学生往往需要基于认知来分析问题，不同学生的分析能力不同，遇到的困难也不同。教师要预设好学生可能遇到的困难，对不同情况及时反馈和进行帮助，搭建支撑、承载、联结等作用的学习支架，确保学生在最近发展区内进行学习并解决问题。支架的类型包括情境型支架、问题型支架、实验型支架、信息型支架、知识型支架、程序型支架、策略型支架和训练型支架等5。教师可以通过搭建不同的支架，促使学生分析问题要素，形成解决问题的方案。例如，学生在设计伸缩抓手的过程中，教师搭建支架，引导学生分析伸缩抓手的原理、结构和制约因素。通过工业抓手图片等信息型支架，学生分析出伸缩抓手的结构组成。通过制作材料实物等信息型支架，学生分析出如何用相关材料制作一个灵活、能抓起重物的抓手，意识到需要从多方面因素进行考虑并设计，如橡皮筋的捆绑方式、筷子的形状、防滑材料的选择等。因此，教师要在问题解决过程中搭建好学习支架，促进学生分析问题要素，把握学习深度的递进性。3.3培育思维能力，制订解决方案在“制订方案”环节，学生需要制订解决问题的方案。制订解决方案是解决问题的核心，因此，教师应提供相关支架和范例，培育学生的思维能力，激发学生获得相关策略和方法。模型建构和推理论证等过程能激发学生的思维，教师可通过语言、文字、图像或者模型等形式，帮助学生从不同角度进行比较分类、分析综合各个影响因素。通过教师引导和学生集体讨论，学生自然而然分析出问题要素，初步制订解决方案。例如，要设计一个能抓起重物的伸缩抓手，学生应掌握“平行 842023 年第7期小学科学教研专题四边形不稳定、易变形”等科学原理，熟悉影响力作用效果的因素和影响制作的因素，确定好平行四边形的数目和材料的选择等。他们还需要用设计图的方式，完成设计方案，充分认识设计方案中各个影响因素之间的关系。通过师生交流分析，学生最后都能以小组为单位，制订设计方案，选择恰当的材料，绘制设计图并使用文字进行说明和标记。3.4深入实践探究，实施解决方案当制订好方案后，进入最重要的“实施方案”环节，这是培养问题解决能力的关键。在该环节中，学生将各学科知识与技能应用于问题的解决。各小组根据实施方案，开展实验验证或工程实践6。例如，学生在掌握橡皮筋捆绑技能后，以小组为单位，按照设计图选择合适的材料制作伸缩抓手。工程制作是物化设计方案的过程，教师可以多鼓励学生按照设计的方案及实际情况进行制作。但在遇到现实问题和困难时，教师应适时引导学生对原方案进行改动，在实践中不断修正方案。随后，教师为学生提供乒乓球和装了水的矿泉水瓶，测试伸缩抓手能否抓起这两种物体，借此评估问题解决的效果。学生根据测试结果，对伸缩抓手进行改进优化，完成产品的升级迭代，较好地解决相关问题。3.5加强评价交流，促进能力发展“评价交流”环节应该贯穿整个STEM课程，以促进学生全方位提升问题解决能力。通过评价，学生能发现解决问题过程中的薄弱环节，有针对性地进行改进，教师可更准确地判断学生的问题理解和思维发展的程度，及时启发和指导学生，促进学生问题解决能力的发展。通过交流反思，学生能形成更好的学习方法，促进自我反思与内化，形成优化解决问题的策略，并能逐步掌握陈述问题、总结问题的技能。在解决问题后，教师可以采用评价表的方式，结合教师评价、学生自评与互评，结合过程性评价与结果性评价，使学生明晰解决问题的效果。例如，在“自制伸缩抓手”一课中，反思交流评价贯穿于学生设计方案和实施方案的全过程。在设计伸缩抓手时，各小组主要从展示、介绍设计图，材料选择，实现方式等多方面进行汇报，其他小组和教师倾听并提出意见和建议，帮助其优化解决问题的方案。在改进优化产品时，学生共同交流讨论存在的问题以及如何解决问题，促使最终成品达到目标要求。最后，学生利用评价表从结构完整、夹起重物、不易变形和外形美观等4个方面进行评价，明晰本次问题解决的完成效果。在完成作品后的交流中，各小组依次展示本次的心得，对解决问题的方法有了更深的认识和反思。3.6重视应用迁移，解决实际问题“迁移应用”环节是学生课堂习得知识能力与真实生活之间的桥梁。小学科学STEM课程需要对知识进行小结，将解决的问题进行迁移应用，将学习的产出从课程问题解决延伸到现实问题解决，从而实现问题解决能力的递进式发展。例如，为了让学生进一步提升问题解决能力，教师提出一个具有挑战性的问题：“如何做一个更长的伸缩抓手？”学生在课程学习后纷纷说出：“多加筷子并增加平行四边形结构，能达成伸缩更长的效果。”为了进一步解决生活中的真实问题，教师提问：“你知道伸缩结构在生活中还有哪些应用吗？”学生先后说出伸缩门、伸缩梯、折叠伞等应用，并且具体指出它们是如何应用伸缩结构的，从而将所学知识与生活联系起来，将解决问题的意识融入日常生活中。4结语问题解决能力是学生终身发展和适应社会必备的关键能力。小学科学STEM课程的开展有利于学生问题解决能力的发展。为了促进学生问题解决能力的形成，建构小学科学STEM课程要明确问题解决的6个阶段，根据学生认知规律，在各个阶段采用多元手段提升学生的问题解决能力。参考文献1 杨滨.培养学生问题解决能力的网络“教学空间”应用模式研究 D.兰州：西北师范大学，2016.2 樊雅琴，黄若琳，崔迎，等.STEM教育背景下学生问题解决能力的培养 J.现代教育技术，2019，29（1）：114-119.3 王洁.PISA2012 问题解决模块测试及上海学生表现评析J.上海教育科研，2015（2）：11-15.4 姚毅锋，许立希.STEM教育理念下的小学科学单元整合案例开发与教学实践：以“声音”单元为例 J.教师教育论坛，2021，34（12）：60-62.5 余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式 J.开放教育研究，2015，21（4）：13-22.6 庄小云.面向问题解决能力培养的STEM课程开发与应用研究 J.创新人才教育，2022（2）：41-47.85