开发STEM教育课程学习资源
◇卢宝生（广东：佛山市顺德区乐从小学）
在STEM 教育过程中，将科学知识学习和考察探究、设计制作、创意创造等融合起来，运用技术和工具的创新使用、数学的模型建构和数据分析、成果的物化表达与交流评价来开展STEM 教育，是实现“教、学、评”一致性的有效途径。
教师：制订方案，研究课标与解读教材，整合技术搜集素材，开发资源，多元评价，改进迭代。
学生：发现问题并提出问题，做出设想制订方案，利用资源建立模型，项目呈现，分享交流。
通过上述模式，实现STEM 学习资源的构建与实施，在课堂教学中提升学生在探究实践方面的关键能力：科学探究能力、技术与工程实践能力、自主学习能力。
由广东高等教育出版社出版的《科创和STEM教育实验教材》中有一些探究活动，需要实际的模型帮助学生进行探究。我们需要一些数字化的建模技术把设计实验模型制作出来，应用于课堂上，为STEM教育提供可操作的、可探究的学习资源。
（一）激光切割技术赋能的STEM 课程学习资源
STEM 课程中许多探究活动需要给学生提供实际的模型进行探究。运用激光切割技术，能充分体现工程与技术在STEM 教育中的应用。在课题研究其间，课题组成员经过长时间钻研，开发了一系列STEM 教育资源，通过课堂的实践与应用，检验资源开发对课堂教学的效果。课前准备，我们把设计的实验模型制作出来，在学生提出问题、制订方案后，运用这些创新资源进行模型搭建，最终解决问题。如五年级下第二单元“船的研究”，探究活动是让学生制作不同动力的小船，了解船的动力来源。我们通过创客空间用到的激光切割技术可以为学生设计几种不同的小船，然后进行实验对比，在同等动力的情况下，对三角帆、梯形帆、圆形帆小船速度进行比较。还可以进一步研究橡皮筋动力小船的速度。在多年课程资源开发过程中，我们发现，把模型应用于科学实验探究，能更好地激发学生探究实验的兴趣，培养学生的科学素养。
（二）3D打印技术赋能的STEM课程学习资源
3D 打印技术能完成立体直观的建构模型，学生可以在小组形成研究方案之后，在电脑上进行3D 建模，通过模型预测解决方法的可行性。如六年级下《转动的风车》一课，需要学生了解风能的利用，并运用工程技术设计一台风能起重机。风车扇叶的数量（三叶风车还是四叶风车等）、风扇扇叶的面积都是影响风能起重机动力的因素。没有配套的学习资源，只能纸上谈兵，停留在设计上。在3D打印技术赋能下，学生可以在电脑上设计各种不同大小的风车，打印出来，进行测试，还能通过交流、评价，对自己的设计进行完善。这是基于“教、学、评”一致性理念，过程性评价的体现。
（三）数字化传感器技术赋能的STEM 课程学习资源
随着教育信息化的高速发展，对人才培养的要求也不断提高，从原来的眼睛观察、纸笔记录到现在的各种AI 技术、仿真实验虚拟现实，科学探究已经进入大数据时代，我们需要运用各种数字化传感器开展更精确的实验探究。如五年级上《植物需要阳光》一课，植物在进行光合作用的时候吸收了哪些气体？根据常识，我们当然知道是二氧化碳。吸收了多少？有多快？我们可以借助数据采集器和二氧化碳传感器进行实验测试。有了数字化教学资源的赋能，许多定性实验可以变成定量实验，学生能更准确地表达观点、反思探究过程与结果。
跨学科融合的STEM 教育，教学活动离不开各种学习资源的支持。这些学习资源往往需要在项目式学习或主题式学习时进行逆向设计，先把学生的学习效果确定，只有这样才能实现评价与教师的教、学生的学一致。
运用激光切割技术开发的一系列教学资源，除了可以应用在日常的STEM 课堂教学中，提高教学质量，还可以助力校园科技活动，让更多的学生参与到我们的STEM项目中来。
通过校园STEM 活动课程，如科技节、体艺节等大型活动，能让更多的学生同时参与到STEM课程中来。为此，我们师生共同开发和设计了一系列STEM 校园活动课程的项目资源，让更多的学生参与到我们的活动中来。近年来，通过运用激光切割技术，我们已经成功设计出一系列校园STEM活动项目，如智能遥控机械手臂、遥控足球小车、气球对战小车、乒乓球连发弩、来去自如、液压挖掘机等科普互动游戏项目。在科技节大型活动中，学生可以参与和体验创客空间所设计的各种新作品，让更多的学生投入和参与到我们的STEM 团队中来。
（一）工程与技术中展风采——校园科技节中的STEM课程
作为校园特色的科技活动，开放的互动主题与充足的活动时间，更能让学生发挥动手创作能力。课堂上，完成基本科学知识学习后，教师留下创作的项目，让学生利用教师提供的学习资源，加上自己的创意想法进行设计制作，充分体现工程与技术的培养。2021 学年第一学期，五年级举办了一场“我的航海梦”科技模型——船模制作活动。如果只把制作项目和要求交给学生，没有其他学习制作辅助，他们的方案就极有可能因缺少一个核心零件而无法完成。结合学生的年龄特点，可以适当把项目的难度降低，毕竟小学生不同于高中生和大学生，小学阶段的STEM 教育更需要大量学习资源来支撑。我们运用激光切割技术，提前让参赛学生制作好船的桅杆、电池盒、电动机和开关等核心装置。通过小组合作，设计、构思、制作出能参赛的小船。
（二）参与和体验中享乐趣——科普体验活动中的STEM课程
每学年的科技游园是我校的特色活动。自课题组开发激光切割教学资源以来，我们现在全校每班都安排一个科技体验项目，以游园活动的方式，全校参与。每位学生都可以参与所有的科技体验活动项目，尽情地享受科技盛宴。我们把师生共同开发的学习资源分类别、按班级进行管理，每人都能在活动时间内去体验所有的STEM项目。
科普体验活动包含声学、光学、热学、电磁学、力学、机器人五个领域的体验项目。学生通过亲自操作、亲身体验学习和感受科学原理。项目由佛山市禅城区开普乐创文化活动策划中心设计。
开发STEM 教学资源的初衷是培养学生的创新精神和实践能力，努力营造浓郁的科学氛围，激发学生的学习兴趣，发挥学生的潜能，让学生在活动中充分体验学习科学的乐趣，能力获得进一步发展，科学素养得到进一步提升，推进我校素质教育的深入开展。
独行快，众行远。在前期的课题研究中，我们运用激光切割技术、3D 打印建模技术以及数字传感器应用技术开发的课程学习资源，已经在我们的STEM 教育中初见成效。如何让研究更深入、研究成果更有价值，我们需要把它推广出去。
（一）以名师工作室为平台，推广教学资源
在开发了一系列STEM 课程教学资源后，我们以名师工作室为平台，把课程展示给区内外的同行，既可以获得更多的交流机会，也能提升资源开发的水平。2021年的一节STEM 研讨课在区名师工作室展示后，受到听课教师的一致肯定。通过这个平台，让更多的教师加入资源开发的队伍。
（二）论坛+讲座，分享资源应用的心得
课堂教学能直观地展示我们课题研究中教学资源的使用效果，但只能看到研究成果的一个侧面，如果要系统全面地认识课题背后的结构和核心，专题讲座是推广课题成果的有效途径。
本学年，由于在STEM 教学中取得了突出成效，我们还应邀在区内外的同行中分享课题研究的成果。其中，最有价值的就是应邀到华南师范大学物理与电信工程学院为科学教育专业的本科学生举办专题讲座。
按照正常的教育路径，STEM 校本课程是在现有课程基础上形成配套的学习资源。但是在技术与材料日新月异的今天，我们可以创新资源推动创新课程的形成。
（一）学习资源的“变量迁移”
所谓“变量”类似于科学探究中的“控制变量法”，在多个影响实验结果的因素中，以其中一个因素为变量，其他因素为定量作为研究。在学习《太阳能小汽车》一课过程中，我们开发了太阳能小汽车的实验模型，研究不同面积太阳能板对小车速度的影响。我们可以把研究的变量“太阳能板”迁移到光照强度进行研究，即变成研究同样大小的太阳能板，不同光照强度对小车的速度影响。还可以研究小车承重能力的影响。
因此，同一种学习资源通过“变量迁移”就可以形成新的研究项目，开发出内容更丰富的校本课程。
（二）学习资源的“项目迁移”
在开发风能起重机学习资源的基础上，我们可以对风能的利用进行项目的“迁移”。风能可以转化为机械能，也可以转化为风能，所以在完成了教材中的学习任务后，我们把学习资源迁移到一个创新的项目中——风力小船。在研究如何利用风能驱动小船前进的过程中产生新的学习任务。迁移的范围还可以再扩大一些，如风能发电的研究、滑翔机的研究等。
学习资源的开发还可以通过“项目迁移”的方法形成创新的校本课程。
（一）技术手段创新——从基础实验到人工智能
课题小组利用创新技术开发的STEM 工程技术学习资源，与传统学习资源项目，是1.0 与2.0 时代的本质区别。在激光切割技术、3D 建模技术、数字传感器技术支持下，所开发的教学资源从知识概念层面提升到工程技术层面。它不再是用一个烧杯、一个温度计、一把尺子，做一个实验探究，而是融合温度传感器、超声波测距等技术于实践探究中。
（二）学习模式创新——从常规学习到项目式学习
创新的学习资源把原来的课时学习重构为项目式学习，从生活情境中发现问题并提出问题，以问题为导向，提出猜想并设计解决方法。利用教师提供的学习资源进行建模，通过工程技术完成项目，实现问题解决，最后进行交流与评价。
项目式学习指向科学观念、科学思维、实践探究与态度责任四个方面的核心素养，符合学生发展规律。在培养学生跨学科能力的过程中，实现五育并举，在形成态度责任与社会责任中，做到立德树人。
（三）学习评价创新——从总结性评价到过程性评价
在创新学习资源的推动下，学生的评价除了传统的纸笔考核，近两年又引入了实验操作考核、创新作业评价等评价方式。学生通过完成具体的项目制作，通过录制视频、写美篇等方式呈现在我们开设的公众号上，学生之间可以留言点赞。通过项目竞赛（如空气动力小船制作、航行比赛、车辆模型比赛）评价学生的工程制作。
通过对STEM 教育资源的开发，在课堂教学中提升学生在探究实践方面的关键能力：科学探究能力、技术与工程实践能力、自主学习能力。
学生将要面对的是一个人工智能的时代，无人驾驶、AI、人脸识别、语音识别等都是现在科技发展的前沿。课程的建设和资源的开发应该紧跟时代发展的步伐，只有这样，我们的学生、我们的国家才能在全球发展中提升自己的竞争力。
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