摘要：提出STEM教育的三大核心理念：跨学科整合、问题驱动、情景与合作。并且以校本课程的形式，通过制作“天气瓶”为课程案例，呈现了STEM课程的实施过程和设计原则。此外，研究也表明基于STEM理念的校本课程能够在一定程度上提高学生学习化学的兴趣。
关键词：STEM教育；天气瓶；校本课程；学习兴趣
文章编号：1005–6629（2016）10–0012–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
STEM教育是科学、技术、工程、数学教育（Science，Technology，Engineering and Mathematics）的简称。它起源于1980年代的美国，旨在打破学科领域边界，培养学生的科技理工素养，进而提升国家竞争力和创新能力[1]。美国的STEM教育在提升国民科学素养、增强国家经济实力、驱动创新等方面均具有显著作用[2]。为此，美国建立了STEM学校专注于培养高素质人才，这些学校的相关案例值得国内借鉴[3]。截止2014年，美国大约有358所公立STEM中学，而美国总统奥巴马呼吁在未来10年要新建1000所STEM中学[4]。
我国的STEM教育起步较晚，在基础教育阶段还没有建立起完整的STEM教育体系，也没有专门的STEM中学。鉴于美国发展STEM教育所取得的巨大成就，重视并发展我国的STEM教育具有深远意义。基于我国基础教育的实际情况，本研究侧重于化学教学并结合校本课程进行相应的探索，为我国的STEM教育发展提供相应的参考。
1 STEM教育的框架与特征
科学本身不能生产东西，孤立的技术也不能，单独数学更不能，只有把科学、技术和数学结合在一起的时候，才能够生产出有价值的东西或者其他高科技产品。这也是提出STEM这一框架的直接原因[5]。美国国际技术教育协会（International Technology Education Association）提出了STEM课程的基本架构（见图1），其核心观点是以解决工程问题为课程主轴，再辅以技术设计、数学与科学相关知识，发展专题导向的教学模组，以培养学生各学科知识的整合能力并激发学生学习工程的兴趣[6]。因此，我国基础科学教育的发展需要依托整合的STEM课程，以已有的科学课程为载体，开发整合与不同学科内容相关的工程设计任务，注重教学实施中科学探究与工程设计的有机结合[7]。
科学、技术、工程和数学这四门学科都包含了知识和实践的部分，它们几乎囊括了理工科课程的全部范畴，四者之间有着紧密的联系。总的来说，STEM教育应具有三大核心理念：跨学科整合、问题驱动、情景与合作。
1.1 跨学科整合
科学是数学的思想和平台，数学是科学的工具和语言；数学和科学是工程的基础，工程又是科学和数学的关键；工程设计能产出高新技术，高新技术又为工程实施提供有利的硬件支持。但是，这四者又各有侧重点：科学重在发现探索，技术侧重发明革新，工程强调集成建造，数学强调逻辑推理。总的来说，STEM教育的理念就是促使四门学科既立足于每一门学科的特殊性，又彼此间渗透，培养学生各学科间的综合素养[8，9]。
1.2 问题驱动
工程问题的解决往往是STEM课程的主轴，学生的学习活动必须与任务或问题相结合，以探索问题来引导和维持学生的学习兴趣和动机，创建真实的教学情境，让学生带着真实的任务学习，以使学生拥有学习的主动权[10]。与此同时，问题驱动还能够提高学生在课堂教学中的参与程度，容易激起学生的求知欲，活跃其思维。
1.3 情景与合作
建构主义认为，学习不是由教师向学生传递知识，而是学生自我建构知识的过程，教师只是作为该课程的引导者。STEM课程活动不仅仅教授学生孤立、抽象的学科知识，更强调把知识还原于丰富的生活情境中。学生再通过情景互动，以小组合作的形式协同互助、相互启发，参与、体验获得知识的过程，不仅能够获得结果性知识，还习得蕴含在问题解决过程中的过程性知识[11]。与此同时，合作学习还能培养其主动参与的意识，激发学生的求知欲，最终共同达成教学目标。
2 课程设计
本研究选择了某中学初三年级的学生作为研究对象，旨在探索基于STEM理念的校本课程对学生学习兴趣的影响，并讨论STEM课程在中学教学过程中的实施方案和设计原则。
2.1 研究选题
“天气瓶”是一种简单的手工艺品，人们在日常生活中用它作为预报天气的参考。对于STEM课程的建设，“天气瓶”既贴近学生的生活实际，又蕴含丰富的化学知识和其他学科的相关知识，并且制作过程又能考验学生的动手能力。因此，本研究以制作“天气瓶”为主题。该课程在学习完人教版初中化学第九单元“溶液”之后进行，此时学生已经掌握了溶液、晶体相关的基础知识，对天气瓶的制作有一定的感性认识与理性认识。此外，天气瓶的制作在网上有许多样本，诸如上海STEM云中心（http：//）也有相关的介绍，但是都没有从课程的角度出发进行探索。
2.2 设计思路
在科学知识层面上，试图重点突出化学知识又兼顾其他学科知识的跨学科整合。其中，化学知识涉及到结晶、饱和溶液等重要概念，其制作原理是天气瓶内的饱和溶液析出了樟脑晶体，硝酸钾、氯化铵和水作为次要成分，对控制樟脑晶体形成有很大的作用；物理知识涉及到气压、湿度、电场、磁场对晶体形成均没有影响，只有温度对其有影响，一般对于这种体系，温度越低，就越容易出现结晶；生物知识涉及到樟脑为樟科植物的枝、干、叶及根部，经提炼制得的颗粒状结晶，天气瓶使用天然樟脑的效果要比人造樟脑的效果好。
在技术层面上，本课程主要是化学实验的操作技术。在活动中，每个小组都扮演了独立的天气瓶制作工厂的角色，体现了STEM理念中的情景与合作。从工厂生产的角度，每个步骤都是技术的体现。
在工程问题层面上，利用预报天气的生活情境激发学生的学习兴趣，让学生解决的第一个问题是“天气瓶真的能预测天气吗？”，从而让学生用实验验证自己的猜想；随后的第二个问题是工程设计问题，要求学生自己动手制作天气瓶，并利用天然樟脑和人造樟脑两种配方进行实验。这种进阶式的问题体现了工程学中从明确问题到制订方案，最后测试和优化改进的系统性步骤。此外，学生还有可能面临这些问题：实验药品的用量各为多少？要用到哪些实验器材？先做哪一步？以上问题均能体现问题驱动的STEM理念。
在数学层面上，本课程将数学作为一种辅助工具，主要涉及药品称量时的读数、计数以及制订药品配比，不仅培养了学生的数学素养，还加深了学生对科学探究和科学概念的理解，促进了工程问题的解决。
2.3 教学流程
依据教学设计思路，设计“天气瓶”的教学流程，具体如表1所示。
3 结论与启示
通过本研究的试点，我们发现基于STEM理念的校本课程，能够在一定程度上提高学生学习化学的兴趣。因此，化学教师在实际教学过程中，可以适当地开设相关的校本课程，给学生创造更多的动手机会，提高学生学习化学的兴趣，进而提升学习效果。在制作“天气瓶”的课程中，我们也发现STEM课程的实施和设计应当注意以下几点：首先，实施课程的主体应该是学生而不是教师，该课程大多数时间是学生自主学习，自己动手实验，这符合新课程的理念；其次，教师对课程内容的选择应该是既贴近学生的生活实际，又与教材内容相关，从而使课程充满趣味性、知识性；最后，课程应当充分体现STEM教育理念，蕴含科学的教育设计和基础性学科知识，促使教学内容既立足于每一门学科的特殊性，又相互渗透，从而培养学生的创新精神与实践能力。
参考文献：
[1]王旭卿.面向STEM教育的创客教育模式研究[J].中国电化教育，2015，（8）：36～41.
[2]龙玫，赵中建.美国国家竞争力：STEM教育的贡献[J].现代大学教育，2015，（2）：41～49.
[3] Eisenhart， M.， Weis， L.， Allen， C. D.， Cipollone， K.， Stich， A.， & Dominguez， R. （2015）. High School Opportunities for STEM： Comparing Inclusive STEM-focused and Comprehensive High Schools in Two US Cities. Journal of Research in Science Teaching，52，763～789.
[4] Ofpresident， E. O. （2010）. Report to the President. Prepare and Inspire： K-12 Education in Science， Technology， Engineering， and Math （STEM） for America’s Future. Executive Office of the President，15（6），30～31.
[5]李雁冰.“科学、技术、工程与数学”教育运动的本质反思与实践问题——对话加拿大英属哥伦比亚大学Nashon教授[J].全球教育展望，2014，（11）：3～8.
[6][8][10]李扬. STEM教育视野下的科学课程构建[D].金华：浙江师范大学硕士学位论文，2014.
[7][9]唐小为，王唯真.整合STEM发展我国基础科学教育的有效路径分析[J].教育研究，2014，（9）：61～68.
[8]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，（4）：13～22.