基于STEAM理念的环境科学课程设计与实施

　　[摘要]为探究基于STEAM理念实施科学课程的有效方法，研究者以“水资源与水污染”环境科学课程为例进行了设计，并在两所农村小学尝试实施了演示实验和自主实验教学。结果显示，相比于演示实验教学，采用自主实验教学的学生课堂享受度更高、自我监控水平更高，课堂参与度和教学效果也较好。

　　[关键词]小学科学；STEAM；演示实验；自主实验；心流体验

　　起源于美国的STEAM教育强调融合科学、技术、工程、艺术、数学等多学科的综合教育理念，旨在通过跨学科学习，培养创新型、综合型、应用型人才，提升国家竞争力。我国从2015年开始关注STEAM教育，并在2016年的《教育信息化“十三五”规划》中提出要探索STEAM教育[1]。而2017年颁布的小学科学课程标准则进一步明确了科学课程趋向于跨学科的综合素质培养[2]。

　　尽管国内对STEAM理念的基础教育研究关注度很高，但有关STEAM教育的研究内容较多侧重理论[3]。在STEAM教育实践上，国家的推动措施、投入资源等相对缺乏，STEAM教育的课程体系、活动设计以及教学资源还有待进一步开发。在此，将基于小学科学课程标准，以“水资源与水污染”一课为例，讨论基于STEAM理念开发与设计相关课程的原则和方法，并对演示实验和自主实验两种教学方法进行对比。

　　一、课程开发与设计

　　体现基于STEAM理念的重点是多学科融合。“水资源与水污染”一课取材于小学科学课程，以小水滴故事为背景，融合STEAM理念[4]以及环境科学与可持续发展理念，设计了水质测试与宣传环保的任务，要求学生使用技术手段测量数据，利用数学思维处理数据，采取艺术化的手段表达环保理念或倡导环境保护。研究者分别采用演示实验与自主实验两种方法实施了课程。

　　研究者在课程设计中特别考虑了以下问题。一是水样测试涉及较深层的物理和化学知识，在选择实验参数时，要基于学生现有的知识水平，以及可用于教学的环境测量设备。二是获取所需水样（如河水、海水等）的方便性及可行性，根据实际条件，可选用相似的替代水样。

　　二、研究过程

　　课程实施对象是广东省某欠发达地区两所农村小学四、五年级的学生，共92名，平均年龄11.75岁。这些学生此前未接触过科学课程，科学素养不高，但对科学实验有较强的兴趣。

　　1.实施教学

　　研究者将学生随机分为演示实验组和自主实验组。每一组均混合了四、五年级的学生，以消除自然班影响（见表1）。

　　研究者按事先设计好的演示實验与自主实验的方法，分别对两组学生实施具体教学，并组织前后测、心流体验测量（见表2）。整个过程中，两组学生的学习任务相同，主要区别在于：在演示实验组，由教师在讲台上演示水质测试实验，由学生代表读数，其他学生记录测量数据，学生不分组；而自主实验组，则由教师启发学生思考检测水质的方法及注意事项，并将学生分组，由学生组内分工合作，利用水质测量仪器对不同水样进行检测与记录。

　　2.教学效果评价

　　采用自编问卷，从知识技能、深层理解和环境认知三个方面分别对两组学生的教学效果进行测量，以检验两种教学方法下学生对科学知识的吸收程度（见表3）。

　　3.心流体验评价

　　心流体验（FlowExperience）是个体感知到的最佳体验状态，它是学生参与学习过程的一个重要组成部分。皮尔斯（Pearce）等人认为，心流体验的构念是享受、参与和控制，即学习者喜欢某种学习活动；学习者参与并集中于该学习活动；学习者对该学习活动具有控制感[5]。本研究采用心流体验量表[6]测量学生在课程学习过程中的心流体验。该量表包括享受、参与、监控三个维度，每个维度包含三个正向和一个反向问题，要求学生根据自己的真实体验对问卷描述进行5点评分。对两组学生的心流体验数据进行信度分析，结果显示克伦巴赫？琢系数（Cronbach’sAlpha）分别为0.76和0.88，说明该量表具有较好的信度。

　　三、实施效果分析

　　1.教学效果分析

　　本研究所有的数据管理与分析均采用SPSS软件进行。在剔除无效问卷和缺失数据后，最终获得有效数据包括演示实验组37份，自主实验组45份。采用配对样本T检验分别探究两组教学方法在知识技能模块的前后差异，结果显示，演示实验组和自主实验组的后测成绩均显著高于前测成绩（p<0.01）（见表4）。说明在课程实施中，两种教学方法均能提高学生的知识技能。

　　2.心流体验结果分析

　　采用独立样本T检验对两个实验组在享受、参与、监控三个维度上的平均分进行差异比较，结果见表5。具体来说，在享受维度和监控维度上，自主实验组的得分均显著高于演示实验组（p<0.01；p<0.05），这说明在自主实验教学条件下学生可以获得更好的课程体验，以及更高的自我监控能力；而在参与维度上，虽然两种教学方法不存在显著差异，但自主实验组的平均值略高于演示实验组，说明两组学生都能较好地参与课堂活动，而自主实验组的学生可能表现得更为投入。整体来说，自主实验组学生在较好地参与课堂活动的同时，还能够更好地享受课堂活动，也表现出了更高水平的自我监控。这表明，科学课的自主实验教学法更能寓教于乐，使学生更享受课堂，并产生了更强的学习动力和学习自觉性。

　　四、结论

　　在基于STEAM理念的科学课程的设计与实施过程中，体现了真实情境体验、合作及以学生为中心等特点。相比于演示实验法，采用自主实验法的课堂在保障课堂教学效果的同时，使学生获得了更高的课堂享受度，并在活动中表现出更高的自我监控水平。这表明，在科学课堂中引入自主实验，并基于STEAM理念设计的教学更有利于提高学生的参与度，使学生成为学习的主体，更好地掌握科学知识与技能，更享受科学课堂。因此，科学教师可以通过设计更多基于STEAM理念的自主实验课程，让学生参与到课堂中来，提高科学教学的有效性，提升学生的科学素养。