03 第3 章 CHAPTER 3 适合学校的 STEM 教学课例 3.1　如何围绕学科核心内容开展STEM 课程——以 　 　“水果中的营养”为例 3.2　在技术与工程世界践行STEM 课程——以“纸 　 　上钢琴”为例 3.3　面向社会关注热点的STEM 课程——以“净 　 　水挑战”为例 46 STEM教育理论与实践 本章将筛选适合在学校开展的STEM 教学课例，详细展示如何选题、如何设计以 及实践反思并分享了相关课例。面向学校开展STEM 课程需要考虑多方面因素：教师 背景（所指除了所教科目之外还包括研究背景、兴趣、能力等）、教学空间（可移动 的桌椅，是否需要水源，展板、投影、实验工具等）、学情（学生年龄段、认知情况、 知识储备、团队活动经验、动手实践能力、兴趣点、预期效果等）、 实施过程（难度 等级、安全性、科学探究与工程实践的相关方法、互动性等）、评价（课程评价、教 学评价、学生评价等）。在接下来的内容中，建议读者从第一人称的角度来思考，如 果我来设计实施这门课程，该如何处理、优化、提升。 3.1　如何围绕学科核心内容开展STEM 课程——以“水果 　 　中的营养”为例 3.1.1　课例说明 1. 如何选题 作为STEM 课程，选题的基本原则如第2 章所述，应该是通过合适的引导，在课 程中激发学生自主学习并运用科学、技术、工程及数学知识。同时，考虑到本门课程 主要面向初中低年级学生，因此更应该考虑选题从生活实际出发，并最终落脚在生活 中。最后，结合任课教师的理科专业背景，选择了“水果中的营养”作为切入点。 通过课程实践验证，这个主题是合适的。首先，初中的学生正处在身体发育的关 键时期，营养均衡且适量的饮食是其健康成长的保证；而现在的学生每天要接触很多 高油、高盐、高脂、高糖的精加工食品，这些食物不利于他们当前的成长并且对成年 后的整体代谢也会有长期的不利影响。因此，通过参与这门课，让学生能够从理性的 角度重新认识食物并建立正确的膳食习惯，这是非常重要的。其次，该课程的任课教 师在本科及博士阶段分别学习了生命科学及化学专业，对于营养学相关内容有比较深 入的了解，能够充分地调动学生并解决他们遇到的问题。最后，这个主题符合该阶 段学生的认知特点，能够激发学生的兴趣，从而真正地投入课堂中而不是机械地完 成任务。具体内容参见下文。 2. 如何设计 在开始设计这门课程时，首先思考下列问题。 教学资源 第3章　适合学校的STEM教学课例47 1）这门课程的教育目标是什么？ 引导学生在调研及实践中自主学习食物中营养的相关知识，建立起均衡膳食的正 确理念并能够在今后的学习和生活中运用所学的方法解决遇到的其他实际问题。 2）课程涉及的核心知识有哪些？ 本门课程涉及的核心知识主要来自以下学科：化学、生物、数学、营养学及工业 设计。具体来说，主要知识点包含并不限于：食物中营养的分类、主要营养物质的定 性鉴定方法、特定物质的定量分析方法、数据处理及图表绘制、实验误差的来源分析 及处理方法、产品设计的基本流程等。 3）开设这门课程硬件需求的可行性（学校资源）如何？ 本门课程主要利用学生生活中的物品即可完成，如水果、碘液、淀粉、水、电水 壶、榨汁机等。仅需教师准备少量用具，如烧杯、玻璃棒、试管、一次性胶头滴管 等。这些均可由学校实验室提供。 4）期望学生达到什么水平？ 通过课程学习，希望学生能够在合作中学习、讨论，共同完成任务并能够清晰 准确地展示自己的观点及方案；能够在反思中不断提高，掌握初步的工程设计思维 方法。 5）如何激发学生对项目的兴趣？ 本门课程的设计贴近学生日常生活，比较容易调动学生的学习积极性。通过组织 学生讨论“每天吃什么？爱吃什么？不爱吃什么？”“吃的东西在身体里起到什么样的 作用？”“如何能够准确知道一种食物中的营养物质含量？”“每天如何搭配食物才能 保证我们的健康？”等问题，既能够激发学生的参与兴趣，又能够引发学生的思考， 从理性的角度看待食物。 6）如何引导学生主动调查、分享自己的看法？ 在引导学生主动调查前，可以通过分组提高学生的参与度。在课程第一节课即组 织学生分为4～5 人的无领导小组，完成第一个小任务：为自己的组命名、设计Logo 并制作海报进行展示。通过这样简单的任务能够增加每个学生的参与度，同时适当地 在组与组之间引入竞争，有利于激发学生在后续课程中的主动性。 7）如何评价学生？ 在STEM 课程中不宜通过纸笔测试的形式对学生进行评价，因此在本门课程中 设计了多维度的评价方法，更加准确地评价学生在学习过程中的表现及进步。具体来 48 STEM教育理论与实践 说，每节课均有学生小组展示环节，共占总评分的50%；实验的过程及结果占20%； 每个学生在课堂中的参与及表现占20%；课堂上的随堂提问占10%。 3. 实践反思 在设计并实际实施课程的过程中，会遇到一系列问题。而这些问题是否能够顺利 解决，将很大程度上影响学生在课程中的体验与收获。例如： （1）如何能够迅速地了解学生并进行有效的分组？ （2）在学生数学基础普遍比较薄弱的情况下如何引入定量分析的方法？ （3）初中生非常具有创新性思维，如何能够加以引导，更高效地推进课程？ （4）各组间难免出现水平参差不齐的情况，如何在每节课上进行适度的指导使各 组项目能够顺利进行下去？ （5）工程设计是一个复杂的过程，如何化繁为简，让学生通过简单的任务体会到 要点？ 一门成功的STEM 课程需要教师综合考虑科学、技术、工程及数学四个领域的 知识并进行整合，但是实际设计并进行课程实施的教师通常只擅长其中1～2 个领域。 而本门课程任课教师对工程方面的知识了解很少，因此在课程进展到后期时遇到了很 大的困难。为此，一方面查阅书籍及网络资料开阔视野，另一方面与同事进行讨论、 交流经验和反复磨课。除此之外，还对有丰富工业产品设计经验的专家进行采访，听 取他们对中学生应该掌握的工业设计知识的宝贵建议。这些措施有效地保证了课程的 顺利实施。 针对问题（1），在开课时首先通过轻松幽默的自我介绍来拉近与学生的距离，然 后鼓励学生以此为例进行简要的自我介绍，包括：姓名、性格、爱好和特长等。在学 生进行介绍的过程中，通过观察对学生进行初步了解，同时参考学生间互相的熟悉程 度，引导学生进行异质性分组。 针对问题（2），首先引导学生对问题进行定性思考，如“哪个多？”“多多少？” 在得到反馈后再进入“吃多少桃子能够得到和一个小橘子一样含量的维生素C ？”“在 比较多种水果时，我们应该怎么描述？”等定量问题。最后再让学生自行查阅资料并 通过讨论得出初步方案。 针对问题（3），针对这个问题，向常年进行初中教学的同事请教。①在学生讨 论过程中，要明确主题，任务的描述要清晰易懂；②在讨论开始时先不对错误观点进 行纠正而是鼓励学生在小组内自行纠错；③适时地、有针对性地引导小组同学深入思 第3章　适合学校的STEM教学课例49 考，并不断对方案进行完善；④要严格控制时间，一个制作完整的能拿到80 分的展 示比只进行了80% 的准备而无法完成的“完美计划”更加重要。 针对问题（4），任课教师会在课前与各组进行简单交流，了解各组课后任务完成 的情况，及时发现问题。在课程进行过程中密切关注准备较差的组，给予更多的指导。 在每次课的总结环节，要进行适当的鼓励并让学生将每组的课后任务进行明确分工后 再离开。在实践中采用这种方法结合适当的课程难度可以使所有组都顺利完成项目。 针对问题（5），通过专家访谈，任课教师将工程设计的过程简化为：主要技术路 线的验证—原型机的实现—技术迭代—产品外观设计—产品宣传几个模块，在课程中 分步进行实现，并通过最后一次课的总结使学生能够有更深入的理解。 在课程的进展过程中，通过不断地遇到问题并解决问题，任课教师对于STEM 理 念的理解也在不断深入。因此，在保持同样的主题及流程不变的前提下，每一轮的教 学设计都会有不小的调整。最终呈现的课堂也并不完美，下面会介绍这门课程的具体 设计，供大家讨论。 3.1.2　课例分享 1. 课程概述 改革开放40 年来，中国人民的生活水平得到了极大的提高。从米面粮油限量凭票 供应到现在的光盘行动，可以看出餐桌上的食物无论种类还是数量都有很大的提高。 与此同时，大部分人的饮食观念还没有与时俱进的转变，因此高盐、高油、高脂、高 糖食物仍被认为是“有营养”的选择而频频出现在餐桌上。在这种情况下，我国糖尿 病发病率快速上升，目前中国有超过1 亿糖尿病患者，而在成年人中有半数都已经出 现空腹血糖受损或者糖耐量受损的糖尿病前期症状。 在这种情况下，从青少年时期就对食物中的营养有正确的认识并能够建立合理的 饮食习惯，对于从根本上扭转代谢类疾病发病率激增的状况是十分必要的。本课程结 合STEM 理念，使学生了解并动手测定食物中的营养物质含量，并在这个过程中了解 科学探究的基本过程及工程设计的理念。通过课程的学习，学生能够丰富知识、学会 团队合作并为以后的学习打下基础。 本课程从课时设计上分为五个阶段。第一个阶段中，学生完成分组、起名及Logo 设计的过程，通过讨论初步认识水果中的营养物质并讨论如何能够在生活中更均衡地 50 STEM教育理论与实践 摄入营养。第二个阶段中，学生调研并讨论维生素C 的测定方案，并通过进一步讨论 进行优化和分工。第三个阶段中，学生分组按照各自的方案，动手进行维生素C 含 量的半定量测定、记录数据并进行数据分析及展示。第四个阶段中，通过学习，学生 进行可视化处理，在此基础上提出进一步优化的可能；此外，学生还要调研其他营养 物质含量测试的方法并讨论产品初步设计方案。第五个阶段中，学生设计一款家用的 营养物质含量测试仪器并通过小组展示、讨论等环节互相交流，最后评选出最佳设计 奖、最佳实用奖等。最后同学们总结学习这门课程的感受和体会。 课程优势：本课程问题来源于生活，实验材料简单易得，可操作性极强。 面向对象：初一或初二学生。 学生人数：16～25 人（4～5 人一组，4～5 组为宜）。 课程时间：课程跨度5 周，每周一次课，每次课程90min。 教学材料：需要为每组提供水彩笔1 盒、彩色便利贴1 叠、黑板磁力贴4 个、马 克笔黑色和蓝色各1 支、直尺1 把、A3白纸若干（约10 张）、试管架1 个、试管刷1 个、 200mL 烧杯3 个、试管6 个、一次性胶头滴管6 个；教师需要准备加热装置1 套、小 烧杯4 个、厨房用纸1 卷，同时需要淀粉20g、碘液20mL 备用。 2. 课程框架 本门课程主要分为三个部分：营养物质的认识及检测（第1～2 次课）、水果中维 生素C含量测定及数据分析（第3～4 次课）、食物营养物质测试仪设计及展示（第4～5 次课）。课程框架见图3-1。 图3-1　课程框架概览 以下将对每次课程的课程名称、教学目标、课程简介、设计意图、核心概念及思 维扩展进行简要介绍。具体内容请参考表3-1。 第3章　适合学校的STEM教学课例51 表3-1　“水果中的营养”课程表 课次课程名称教 学 目 标课 程 简 介设 计 意 图核心概念思 维 扩 展 第1 次课 水果中营 养初探 以水果为例， 引导学生了解 食物中营养物 质的主要分类 及作用 自我介绍后进行分 组；分组起名、设 计Logo 并展示； 分组调研水果中营 养及作用并展示 调动学生的学习 兴趣，增强组内 凝聚力，并引出 课程主题引发学 生思考 营养物质主 要分类及在 身体中的作 用；均衡膳 食的重要性 思考如何才能 测定某一种营 养物质的含量 从而更好地均 衡饮食 第2 次课 维生素C 测定方案 设计 以维生素C 为例，组织学 生调研并设计 测定方案 引导学生调研实验 方案测定水果中维 生素C 的含量；通 过流程图方式对方 案进行展示；互相 讨论并进一步修改 方案 在过程中了解科 学研究的基本思 路：提出问题→ 调研→ 设计方 案→优化方案→ 确定方案 颜色反应； 间接测定； 滴定；控制 变量；重复 实验 思考并调研水 果中的其他营 养物质含量该 如何检测 第3 次课 水果中 维生素C 含量测定 分组利用身边 的物品测定3 种水果维生素 C 的含量并能 够比较得出 结论 教师进行实验操作 演示；分组进行实 验并记录；计算得 出结论并进行展示 在动手实践的过 程中体会科学研 究的过程：实验 方案实施→分析 数据→得出结论 平行实验； 控制变量； 数据处理； 平均值；柱 状图；表格 绘制 思考实验中可 以改进的地方 以及得到的数 据和结论是否 可靠 第4 次课 方案优化 及原型机 设计 对实验进行反 思并优化方 案；初步设计 食物营养测 试仪 分组进行反思并分 享；学习方差的知 识并进行数据可视 化；讨论并优化实 验方案；初步设计 营养物质测试仪器 在动手实践的过 程中体会科学研 究的过程：反思 总结→ 优化方 案；初步体验工 业设计过程 方差；平行 性；系统误 差；随机误 差；可信度 思考一个成功 的家用小仪器 应该满足哪些 条件 第5 次课 营养物质 测试仪设 计并展示 引导学生思考 成功的工业产 品需要具备的 特点并强化平 衡膳食的理念 分组进一步进行仪 器设计；展示并讨 论；评价并对课程 进行总结 体会工业产品设 计的核心：安全 性、稳定性及人 性化 概念验证； 原型机；最 小容量产品 思考如何将均 衡膳食的理念 应用到日常生 活中 3. 课程设计概述 1）第1 次课课程设计 概述：本次课程主要内容为自我介绍、学生分组、起名及设计Logo，通过讨论初 步认识水果中的营养物质并讨论如何能够在生活中更均衡地摄入营养。 材料：按照每组4～5 人（注意后续课程维持分组不变），需要为每组提供水彩笔 1 盒、黑板磁力贴4 个、马克笔黑色和蓝色各1 支、A3 白纸2 张。 课题引入（5min）：利用多媒体播放世界各地水果的照片，问大家平时在生活中 最爱吃的水果是什么？家里父母长辈平时是怎么劝说你们吃水果的？我们为什么要吃 52 STEM教育理论与实践 水果？这些问题能够调动学生积极性并迅速破冰展开讨论。 课堂现场：第1 次课程内容如表3-2 所示。 表3-2　第1 次课程内容 环　节课 堂 内 容核 心 概 念时　间 自我介绍 教师首先进行自我介绍，然后引导学生进行自我介绍， 包括：姓名、性格、爱好和特长等。在学生进行介绍的 过程中，教师注意通过观察对学生进行初步的了解 破冰10min 分组 根据前述对学生的初步了解，同时参考学生间互相熟悉 程度，引导学生进行异质性分组（此处可以注意将来自 同一个班级的同学打乱进行分组，避免出现小团体） 异质性分组3min 小组建设 要求同一小组内的学生在规定时间内互相认识，为自己 的小组起名字、设计Logo（在A3 纸上绘制海报）并选 出一名学生来为大家进行介绍 团队凝聚力15min 分组汇报 每组派出一名学生介绍自己的组名、组员及Logo 的含 义，每组限时2min 表达能力10min 营养物质 初探 给定学生场景，假如每组是一个营养师团队，要为一个 青少年设计每天的食谱，帮助他合理地摄取各类营养物 质；要求学生通过调研给出水果中所含的营养物质种类 及其作用，并进行海报（A3 纸）展示 营养物质种 类及作用 20min 汇报展示 要求每组派出一名同学（不能与前一次相同）汇报自己 小组的调研结果，每组限时3min 15min 教师总结 综合学生的汇报结果进行点评并利用多媒体完整介绍食 物（以水果为例）中营养物质的分类及在人体中的主要 作用 10min 作业 要求学生回家后调研维生素C 含量的测定方法，并思考 哪种方法能够利用身边的物品完成 定量分析 2min 2）第2 次课课程设计 概述：本次课程为系列课程中的第2 次课程，主要内容是引导学生调研实验方案 测定水果中维生素C 的含量；通过流程图方式对方案进行展示；互相讨论并进一步修 改确定方案。 材料：需要为每组提供水彩笔1 盒、黑板磁力贴4 个、马克笔黑色和蓝色各1 支、 A3 白纸2 张。 课题引入（2min）：上节课我们已经了解到不同的水果中含有的营养物质种类接 近，但是具体含量差别很大。其中我们着重学习了维生素C 的缺乏可以导致坏血病， 直接危及我们的健康。那么我们怎么知道某一种水果中维生素C 的含量呢？这节课， 我们就来一起进行探究。 第3章　适合学校的STEM教学课例53 课堂现场：第2 次课程内容如表3-3 所示。 表3-3　第2 次课程内容 环　节课 堂 内 容核 心 概 念时　间 测定方案 制订 学生以组为单位，根据课下调研的结果进行讨论，设计 测定维生素C 含量的方法并准备进行海报（A3 纸）展示。 要求有：实验目的、实验材料、实验原理、实验步骤 科学探究 20min 展示交流 每组同学汇报维生素C 测定方案，限时4min，同时留 3min 时间用于教师点评及同学互评。教师主要关注：原 理是否可行、是否安全可靠、材料是否易得、步骤是否 充分考虑了可操作性等 35min 知识讲解 从学生的方案出发，介绍科学探究实验的要点，包括对 照实验、平行重复及定量方法等 10min 方案优化 学生以组为单位，根据交流讨论的结果对各自的实验方 案进行优化，确定测定维生素C 含量的方法。同时，另 用一张海报（A3 纸）进行将课后准备任务进行合理分工， 实在不好准备的可以请申请教师代为准备合作 15min 方案确定 教师走到学生中，检查学生的实验优化方案是否合理， 并同时检查是否进行了合理的课后分工 5min 作业 （1）按照课堂上讨论的分工各自准备实验所需材料 （2）思考并调研水果中的其他营养物质含量该如何检测 （每人至少一种） 3min 3）第3 次课课程设计 概述：本次课程是系列课程的第3 次，主要内容是教师进行实验操作演示，之后 学生根据上节课确定的方案及分工，利用自己准备的材料，分组进行实验并记录数 据；最后通过处理计算、得出结论并进行展示。 材料：需要为每组提供水彩笔1 盒、黑板磁力贴4 个、马克笔黑色和蓝色各1 支、 A3 白纸2 张、直尺1 把、试管架1 个、试管刷1 个、200mL 烧杯3 个、试管6 个、 一次性胶头滴管6 个；教师需要准备加热装置1 套、小烧杯4 个、厨房用纸1 卷，同 时需要淀粉20g、碘液20mL 备用。 课题引入（3min）：同学们经过上节课的讨论，给出了不同的维生素C 含量测定 方案，但是大家的共性是利用颜色反应。下面，将大家上节课制订的实验方案和分工 发给各组，大家重新回顾一下。 我们看到有些组从家里带来了新鲜的水果准备现场榨汁，还有些组从食堂买来了 果汁，还有同学带来了维生素C 泡腾片作为对照。下面就让我们抓紧动手，来了解这 54 STEM教育理论与实践 些食物中的维生素C 究竟有多少。 课堂现场：第3 次课程内容如表3-4 所示。 表3-4　第3 次课程内容 环　节课 堂 内 容核 心 概 念时　间 材料准备 请学生自查是否按实验方案携带了合适的实验材料， 教师进行巡视并帮助协调，确认各组能够开展实验 实验方案5min 实验技术 介绍 播放网络上维生素C 测定实验的小视频，请学生注意 观察如何处理实验材料、如何控制变量、如何进行数 据记录等 控制变量、数 据记录 10min 教师演示 教师演示胶头滴管的使用方法，并为需要的组现场配 置淀粉- 碘液；重点强调安全操作，尤其对于自带榨 汁机以及水果刀的小组 实验操作、安 全须知 5min 学生实验 操作 学生依据自己组的实验方案进行实验；实验前，应该 引导学生依据实验方案首先绘制实验数据记录表格； 过程中，教师要注意巡视，主要关注学生的实验安全 （尤其是刀具及玻璃仪器的使用）并督促学生及时进 行数据的记录（最好以表格的形式） 安全操作、平 行实验、实验 记录 25min 数据处理 数据处理前，督促学生将实验用品收拾好，养成良好 的习惯；接下来，引导学生讨论如何处理数据才能得 出结论（三种不同的水果中维生素C 含量多少）并绘 制海报（A3 纸）进行展示 平均值、表格 绘制、柱状图 绘制 20min 实验结果 展示 各组展示交流，每组4min；教师注意记录各组出现的 问题，主要为下节课的针对性教学进行准备；展示结 束之后，教师进行5min 左右的针对性点评，汇总全 班结果，对多种水果中维生素C 含量进行排序 半定量分析、 误差分析 20min 作业 思考实验中可以改进的地方，以及得到的数据和结论 是否可靠 2min 4）第4 次课课程设计 概述：本次课程为第4 次课程，主要内容为分组进行实验反思并分享，教师带领 学习方差的知识并进行数据可视化，并根据以上结果讨论、优化实验方案；剩余时间 用于初步设计营养物质测试仪器。 材料：需要为每组提供水彩笔1 盒、彩色便利贴1 叠、黑板磁力贴4 个、马克笔 黑色和蓝色各1 支、A3 白纸2 张、直尺1 把。 课题引入（1min）：上节课大家都亲自动手进行了实验，给自己组的实验对象中 维生素C 含量进行了排序。相信回去之后经过反思，很多同学都对实验中存在的问题 有了更清楚的认识并给出了解决方案。那么，事不宜迟，我们就开始讨论吧！