皮亚杰儿童认知发展理论视角下的小学低年级STEM教育
[摘 要]为了在小学低年级阶段更高效地开展STEM教育，可依据皮亚杰的儿童认知发展理论，在STEM教学活动中，激发并培养儿童对科学和工程技术的兴趣和探究热情，引导儿童在实践探索活动中了解科学知识和实验方法，鼓励合作学习，关注思维过程，重视过程性评价。
[关键词]STEM教育；认知发展理论；小学低年级；实验；过程性评价
STEM是指科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）多门学科交叉融合的教育。20世纪80年代，随着社会经济的不断发展，美国认识到跨学科教育是培养未来人才尤其是科技人才的重要方式，因此颁布了一系列的法案和计划以确保STEM教育的顺利开展。我国STEM教育虽然起步较晚，但也已经被纳入国家发展战略，进入了蓬勃发展阶段。2016年，在教育部发布的《教育信息化“十三五”规划》中明确提出，有条件的地区要积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用[1]。《义务教育小学科学课程标准（2017年版）》也开始倡导跨学科学习方式，建议教师可以在教学实践中尝试STEM教育[2]。
与幼儿相比，小学低年级儿童（通常在6至8岁之间）的心理和智力发育进入了一个全新的阶段。在小学低年级阶段高效开展STEM教育，应遵循儿童认知发展的规律。在此，将结合瑞士心理学家皮亚杰的儿童认知发展理论，对小学低年级阶段的STEM教育进行讨论。
一、皮亚杰儿童认知发展理论视角下的STEM教育的特点
1.激发并发展儿童对科学和工程技术的兴趣和探究热情
皮亚杰儿童认知发展理论认为，一切有成果的活动都应以兴趣为前提。儿童是具有主动性的存在，他们会受兴趣或需求的支配。如果他们对于某种活动的自发的积极性没有得到激发，活动的效果就无法发挥到极致[3]。儿童对于周围的事物有强烈的好奇心，表现出浓厚的求知欲。小学低年级的STEM教育就是要从儿童身边的事物和问题出发，引导儿童通过应用科学、工程、技术等启蒙知识和概念来解决问题，完成任务，激发他们对应用科学和工程技术解决问题的好奇心和求知欲，为日后STEM教育的顺利开展奠定基础。
2.引导儿童在实践探索活动中了解科学知识和实验方法
皮亚杰认为，要培养能够独立创新、推动未来社会进步的个体，引导主动探索真理的教育比那种拾人牙慧、照本宣科的教育要更上乘[4]。在皮亚杰看来，知识的获得是一个积极主动的建构过程，是儿童主动探索和操纵环境的结果。STEM教育提供了一种以科学知识为基础的跨学科融合式的实践学习方式，使儿童可以通过实践探索去获得知识，“做中学”正是STEM教育的核心特点。
孩子的活动在皮亚杰的认知发展理论中处于中心位置[5]。作为一种以项目式学习、问题解决为导向的课程组织方式，STEM教育采用项目式实践活动，引导儿童通过观察、实验、思考、讨论等途径去锻炼和培养解决问题的创新能力。因此，要设计能够激发儿童兴趣并与生活紧密联系的活动。教师通过设置任务，让儿童通过实践探索获得相关知识后，运用工程的思想、技术的方法与技能、数学的思维来解决实际问题。
3.重视交流与合作，培养团队精神
皮亚杰很重视社会交往对儿童认知发展的作用。他认为，儿童间合作的重要性丝毫不亚于成人。从智力角度看，这种合作最能够促进思想的真正交流，引发带有批判性、客观性及含有推论和反思的讨论[6]。他认为与同伴一起学习，相互讨论，对儿童去自我中心化具有重要意义。STEM教育也强调培养学生的合作能力，鼓励小组学习，让学生有相互交流和相互学习的机会。低年级儿童通过合作完成任务，对于去自我中心、培养合作能力具有积极的意义。
4.关注思维过程，注重过程性评价
皮亚杰认为，不能只关注儿童思维的结果，还要关注他们思维的过程。思维包括分析、综合、比较、抽象、概括判断和推理等基本过程。以解决问题为导向的STEM教育能够帮助儿童认识问题、分析问题、判断问题并解决问题，逐渐培养儿童的逻辑思维能力。
思维过程的关注和培养要体现在过程评价中。对于STEM教学而言，教师更应该注重过程性评价，而不是仅关注结果。小学低年级阶段的儿童特别重视教师对他们的评价，因此，在STEM教学中，教师应对儿童具有创造性的想法予以肯定，注重他们解决问题时的思维过程，尊重他们在观察或实验过程中得出的描述和结论，合理引导他们利用所获得的信息对事物作出科学的解释。
二、小学低年级STEM项目的设计
依据皮亚杰儿童认知发展理论以及STEM教育的特点，可将小学低年级STEM项目的设计分为引入、体验实验、讨论交流和创意实验四个环节。其中，引入环节是通过图片和问题激发儿童对项目的探究兴趣和热情。之后进入体验实验环节，目的是帮助儿童了解项目或掌握解决某个问题所需要的科学知识，以及学习基本的实验方法和操作技能。体验实验是在教师的指导下由儿童合作操作完成的。体验实验后进入讨论交流环节。在讨论交流中，儿童发展了解他人观点的能力，逐步去自我中心化。在最后解决实际问题的创意实验环节，将以解决实际问题为导向，让儿童能够利用在体验实验环节中学到的相关知识，进行设计、选材、动手制作和检验等实践活动。
三、小学低年级STEM教学实例
以小学低年级浮力项目的设计和教学为例。日常生活中有很多与浮力相关的现象，如漂浮在水面的树叶、航行在海上的船只等。这一项目主要是让小学低年级儿童感知浮力的存在，了解生活中的物体在水中的沉浮情况以及浮力的应用。浮力项目的知识目标如下。
科学目标（S）：感知水中浮力的存在及浮力是向上的；知道水对物体会施加浮力；当浮力大于物体的重量时，物体就能浮在水面上，而当浮力小于物体的重量时，物体就沉入水中；能说出生活中与浮力相关的其他例子。
技术目标（T）：通过使用所给材料完成与浮力相关的探究小实验，了解实验的基本操作和方法，能选择合适的材料，并会使用工具完成装置的制作。
工程目标（E）：会依据浮力相关实验知识，针对任务选择合适的材料，使用类推方法，设计和制作一个交通工具帮助小兔子过河。
数学目标（M）：根据物体的沉浮情况，了解大于、等于、小于等数学概念。
在引入部分的教学中，教师给儿童展示浮在水面的小黄鸭、浮在水面的树叶等图片，启发儿童思考：是否所有的物体都可以浮在水面上以及物体可以浮在水面上的原因。在体验实验教学中，教师通过四个活动（见图1至图5），引导儿童感受浮力，认识浮力。
体验实验结束后，教师组织学生就体验实验的发现和实验结果进行交流，并引导他们思考生活中还有哪些与浮力相关的现象。
讨论交流结束后进入创意实验，这是STEM教学的核心。通过设置“小兔子过河”的问题（见图6），分析怎样制作一个交通工具。学生首先需要根据在体验实验中掌握的浮力相关知识进行设计，然后选择合适的材料制作出来，接着再检验自己制作的工具是否能让小兔子浮在水面上。如果不成功，就需要分析原因，再重新设计和制作，直到成功为止。最后教师会引导学生对完成的作品进行评价。
在教学过程中，教师要鼓励学生通过合作完成项目，相互学习，相互交流。学生之间存在客观差异，不是每个人都能成功地完成作品，因此教师应注重过程性评价，通过不断鼓励，保护学生探究的热情。
总之，在小学低年级STEM教育中，结合皮亚杰的儿童认知发展理论，有利于设计出更符合低龄学生认知发展特点的活动，实现本阶段跨学科教育的目标。
参考文献
[1]教育部关于印发《教育信息化“十三五规划”》的通知[EB/OL].
[2]教育部关于印发《义务教育小学科学课程标准》的通知[EB/OL].
[3][4][5][6]让·皮亚杰.科学技术与儿童心理学[M].杜一雄，钱心婷，译.北京：教育科学出版社，2018.
作者肖化 谭伟红
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