STEM课堂提升元认知和问题解决能力的实践‘——以设计中山“未来体育馆”一课为例.pdf

2023 年第7期小学科学教研专题编者按：中山市地处粤港澳大湾区中心地带，广东省李余仙科学名教师工作室借助大湾区的地域优势，多年实践和探索“STEM课程对小学生元认知和问题解决能力的影响”。在广泛实践的基础上，2021年度工作室省级科研课题“STEM课程开发及其对小学生元认知和问题解决能力影响的实证研究”（项目编号：GDSP-2021-P004）成功立项，进一步促进了STEM教育的本土化，为推动我国STEM教育发展作出了贡献。本专题在STEM课程促进小学生元认知和问题解决能力方面进行了学理分析和课堂实践，提炼出了教学策略和路径方法。编者希望，本研究成果能为一线教师优化STEM课堂教学提供借鉴。STEM课堂提升元认知和问题解决能力的实践以设计中山“未来体育馆”一课为例李余仙（中山市东区柏苑中心小学，广东中山 528403）摘要：随着科学教育的纵深发展，小学科学课堂更加注重引导学生进行多维的认知发展和学习方法的选择。基于学生在科学课程学习过程中的探究实践特征和兴趣导向实现方式的思考，要促进学生更有效地开展科学课程学习，更好地实现科学知识内容的迁移和应用，切实解决“让学生科学核心素养落地”这一难题，学生元认知能力和问题解决能力的培养成为目前科学课程教学中的重要方略。元认知能力和问题解决能力相辅相成，二者对推动小学科学STEM课堂实践具有重要实践价值。关键词：元认知；问题解决能力；STEM课堂；小学科学；核心素养DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.07.031STEM教育理念是目前国内外科学教育改革的趋势和潮流，其以科学、技术、工程、数学四个方面的素养为核心，构建一个跨学科、交互性的人才培养观念体系：让学生通过科学认识世界、通过数学这一基础工具推动技术和工程在尊重规律的基础上改造世界。随着STEM理念在小学科学教学中的开展和运用，小学科学课堂朝着正确的方向变革，但依旧存在着STEM理念与课堂内容有脱离、目标培育尚不够精细等问题。在元认知和问题解决能力培养下对小学科学课堂进行实践探索，能够给STAM教育在小学科学学科中的纵深发展提供有益的借鉴，而对于这一问题的研究，可以通过具体的课例展开。1小学科学STEM课堂与元认知能力STEM是指科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）这四个部分，STEM教育以培育科学、技术、工程、数学四个方面的素养为核心。其中，科学在于认识世界、解释自然界的客观规律；技术和工程则是在尊重自然规律的基础上改造世界，实现与自然界的和谐共处，解决社会发展过程中遇到的难题；数学则作为技术与工程学科的基础工具。STEM理念在小学科学课堂中的运用，主要是在学习科学中用技术、科学、工程、数学等手段解决课程相关问题，让学生在项目式学习和体验中了解、建构并迁移习得内容，提升自身解决相关问题的能力。当学生在各种情境任务下通过对知识进行强化、对自身思维水平和解决问题的能力进行反思时，会更有能力从根本上进行探究实践1。元认知是美国心理学家 J.H.弗拉维尔提出的概念，即对认知的认知。其主要包括元认知知识、元认知体验、元认知监控等成分。这种对于认知的认知，一方面是面对万事万物进行着各种认知活动，另一方面，还需要对自己进行认识活动，即自己的感知、思维、记忆 79SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期小学科学教研专题等进行再度认识与反思。基于元认知的概念，在具体的课堂教学中，我们可以根据认知的客体将其进行分类：首先是学生对自身的认知、对于自己完成此任务的能力的认知，即自我认知；其次是学生对课堂任务的认知，包括课程内容是否复杂，课程任务因何指定、任务过程是什么，基于这一任务是否有明确解决该任务的方案，以及为什么要用这一方案解决任务。这一层面的元认知是提升教学质量的重要方向2。“设计中山 未来体育馆”是一堂在STEM理念指导下的小学科学课，在这一课例中，笔者具体探讨了如何在小学科学课程中实现对元认知能力培养和STEM理念的双向融合，从而从科学探究的角度入手，开展具体的课程活动。1.1学生对自身的认知学生对自身的认知包括对自我能力的认知。从整体实践过程来看，首先学生需要明确意识到该课堂任务的相关知识与前期所学知识具有相关性，从而使学生有较为良好的学习预期，能够在巩固原有知识的基础上进行新知识的学习；其次学生在探究性学习中，小组合作是开展探究的最优方式，无论是教师有意识地引导学生组成团队，还是学生自我意识到此项目的复杂性需要多人配合协作，都是相对良好的认识引导，通过告知学生遇到大的项目要学会小组合作，不仅是课程任务的要求，也是个人自我能力发展的要求。通过这种对合作方式的认知，学生实现了对任务、对自我行为即小组合作的认知。回归到这一课堂上，设计一座体育馆对于小学生而言既十分有趣，也充满困难，学生需要在教师引导下初步对未来体育馆人工智能设备的特点和工作原理有所感知，并且通过设计与制作活动，初步学会模型制作、装配调试的方法。对于尚未拥有一定科学知识和复杂科学技能的学生而言是困难的。面对此设计，行之有效的方案必然难度更大，因此团队合作与导师的重要性不言而喻。面对困难且充满未知的挑战，学生要基于自身认知准确衡量个人能力，进而努力学习有关知识，并积极参与团队合作。1.2学生对课堂任务的认知学生在学习前对课堂任务的认知是微乎其微的，而通过整个项目的学习和体验，待课程结束后就能够通过感知、思考和总结充分理解课堂任务的制定过程、完成课堂任务的目标和设计完成课堂任务的方案。（1）课堂任务的制定过程。对于“设计中山 未来体育馆”一课，教师通过“中山市大力发展全民健身事业，而现阶段中山的体育场馆面临设备老化、数量不足、利用低效等问题”导入课堂，基于此提出的问题是：未来什么样的体育馆才能满足现今全民健身的需要？我们该如何结合所学知识，创造性地提出解决问题的方案？这一有趣的创设可以让学生认识到解决现实生活问题需要与时俱进、贴近生活。这也向学生传达了一个理念，即所学知识需要用来解决生活中的问题，它不应该只停留在课堂中。因此，要让学生意识到自己所学是能够回应社会要求的。就课程任务的设置缘由来看，重点是培养学生解决问题的能力，而这一目标的实现需要学生进行认知的再认知，即元认知，对自身在任务完成过程中的行为进行衡量、反思。（2）完成课堂任务的目标。上述课堂任务的制定是阐释任务出现的原因，即学生需要对教师设计任务的依据有所了解，而课程任务的完成则更能帮助他们理解做任务的目标所在。一座体育馆的设计程序是复杂庞大的，每个步骤都在考验学生相应的知识储备以及技能的掌握程度，并借助实践活动提高相应的技能水平。不难发现，学生可以从这堂课收获到的是：第一，知道科学、技术、工程和数学会相互影响与促进。第二，通过调研掌握调查、分析、整理等方法，提高信息意识和数据分析的科学能力。这些能力不仅包含科学学科知识的掌握，还需要了解简单电路、传感器的原理及连接方法，理解能量的转化，了解节能减排、绿色发展的理念，以跨学科的视野掌握激光切割、模型拼装、电路及传感器的连接等技术和方法，体验完整的工程知识建构过程，并通过使用工具绘制作品设计图和进行数据统计分析，从而增强数学能力。此外，设计体育馆结构与外形，有助于增加学生的审美能力。这无疑很好地将STEM理念完整地融入设计并加以执行。第三，通过设计与制作活动，学生初步学会模型制作、装配调试的科学方法。第四，在实践活动中形成吃苦耐劳、坚持不懈的精神品质，并通过团队合作形成合作意识。（3）设计完成课堂任务的方案。在本课中，课堂任务的完成主要依赖于小组合作，而在小组合作过程中，802023 年第7期小学科学教研专题最重要的就是分配任务并执行。学生需要在教师指导下规划出文献查找、调查走访、信息统计和拍照复盘4个板块，并且对各阶段的活动有明确的方案与实施流程：从搜集资料、资料汇总到解决相关问题，再到设想的提出，即体育馆的理念构想、外观规划和功能设计的落实到位，最后到成果汇报。这是一套非常完整清晰的解决问题的训练方法，能够对学生认知行动进行有效指导，从而培养学生的逻辑思维能力和总结归纳能力。2小学科学STEM课堂与问题解决能力在“设计中山 未来体育馆”这一小学科学STEM课程中，学生能在每项任务的实施过程中发现问题、解决问题。可以说，对于这些问题的思考与实践，就是在培养他们的问题解决能力。2.1解决问题的突破口设计一座体育馆这样的大任务对于学生来说是相对困难的，学生的认知基础只停留在参观体育馆、运用体育设施的层面，他们并没有真正了解过体育馆的内部设施运转模式。那么，教师在设置任务的过程中，就需要将这一大任务划分为各个小任务。具体来看，可以引导各个小组讨论并设计调查问卷和采访问卷，从问卷的格式、内容、对象等方面引导学生围绕“未来体育馆”这一主题进行设计。通过调查问卷的资料收集，学生快速获取体育馆建设的设计方案和设施需求，有了实体设施的构想，就能够有效地搜索和获取工程设计的方法。这意味着告诉学生解决问题的突破口是要在认知基础上对确切的事物有更深入的了解，同时借助教师这一引导者，利用小组合作这种方式，才能够提升任务完成的效率。2.2解决问题的具体方案当学生对体育馆的组成部分有所了解时，就需要根据已知材料设计其目标对象，但制订具体的解决方案也需要头脑风暴，这是在考验学生的小组合作能力，以及对科学、技术、工程、数学等的认知。通过他人的智慧经验，学生能更明确完成学习任务、解决问题需要多方面的能力。无论学生是否意识到，在具体设计体育馆的过程中都能强化一个认识：一个工程的建设离不开科学、技术、工程、数学等方面的支持。这就要在认知层面让学生不断明确此方案的构成，这样学生就能从多方面进行思考，这是认知发展的必然方向。作为一个思维迭代的过程，深入实施体育馆设计的方案，需要经历反复的核心技术分析、可行性分析等过程。这是在反复考验学生的耐心和深入研究的能力，只有耐心和细心，才能让他们的方案设计更进一步，而深入研究会让他们的方案执行更加高效。经过长时间的训练，他们会发现，做科学研究需要“坐冷板凳”，需要经历磨炼、失败与忍耐，科学研究的过程就是不断打磨的过程，从而培养学生的科学探究精神。2.3方案的执行能力在具体的方案执行中，需要指导教师的引导与同伴的配合，更离不开学生自己的思考和动手。比如在科学方面：科学教师通过讲授绿色发展理念、能量的转化、电路设计原理等，为学生提供科学原理和机器运作原理，小组成员可根据小组设计方案自由选取硬件并尝试连接。在信息技术方面：教师向学生讲解激光切割的使用、用LaserMaker设计切割图及使用切割机的方法，学生可根据教师提供的视频资源进行小组学习，自主完成设计。这在向学生传达一个信号，学生对方案的执行需要建立在掌握理论基础知识和技术基础知识的层面上，具体的执行离不开精进的学习和练习。当初步的模型建设好之后，改进、优化是工程实践的要求和必不可少的环节，这需要学生仔细复盘，找出存在的问题并进行调整。他们在调整中会意识到，一项工程的完成不是一蹴而就的，需要不断改进和完善，最后达到理想的效果。2.4成果展示完成了较为理想的模型，就需要学生小组总结相关资料，在班级内进行作品展示的同时播放和展示整个活动过程的视频记录，这是在考验学生的总结归纳能力和展示表现能力。因为在讲台上展示的时间并不长，需要学生做好归纳，简明扼要地介绍他们的思路与设计成果，要在短时间内将一长段时间的实践和思考过程展现给观众并使他们抓住关键点，这不是一件容易的事情。而负责上台展示的同学则需要通过大方的表现、简洁的语言为教师和同学讲解，他们需要非常熟悉这一过程和设计原理。虽然这是不小的挑战，但也是一个展现能力、再次回顾小组实践和理解科学原理的机会，能够锻炼学生的多方面技能。81SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期小学科学教研专题2.5总结与反思STEM课程的创设初心是希望学生在学习过程中获得知识，能够辅助他们技能增进的是活动过程中依据检测和诊断结果不断反思、修正，来