中小學(xué)STEM課程教學(xué)設(shè)計(jì)案例一、案例背景與教育價(jià)值在新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的背景下，STEM教育通過(guò)科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）的跨學(xué)科整合，引導(dǎo)學(xué)生以真實(shí)問(wèn)題為導(dǎo)向開(kāi)展探究與實(shí)踐，成為提升創(chuàng)新能力與社會(huì)責(zé)任感的重要路徑。本案例聚焦校園雨季積水問(wèn)題，以“雨水花園設(shè)計(jì)與建造”為項(xiàng)目載體，讓學(xué)生在解決“如何通過(guò)生態(tài)景觀緩解校園積水”的真實(shí)問(wèn)題中，融合水循環(huán)原理（科學(xué)）、測(cè)量與繪圖技術(shù)（技術(shù)）、景觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（工程）、幾何與數(shù)據(jù)分析（數(shù)學(xué)），實(shí)現(xiàn)知識(shí)的深度應(yīng)用與素養(yǎng)的綜合發(fā)展。二、教學(xué)目標(biāo)與學(xué)情分析（一）教學(xué)目標(biāo)1.學(xué)科知識(shí)目標(biāo)科學(xué)：理解水循環(huán)（地表徑流、下滲）與植物生態(tài)（耐澇植物特性）；技術(shù)：掌握實(shí)地測(cè)量（皮尺、水準(zhǔn)儀）與CAD繪圖（比例縮放、圖層設(shè)計(jì)）；工程：設(shè)計(jì)雨水花園的滲濾結(jié)構(gòu)（碎石層、植被層），優(yōu)化空間布局；數(shù)學(xué)：運(yùn)用比例尺計(jì)算花園尺寸，分析匯水面積與滲濾效率的數(shù)學(xué)關(guān)系。2.核心素養(yǎng)目標(biāo)問(wèn)題解決：通過(guò)調(diào)研、設(shè)計(jì)、施工的全流程，提升復(fù)雜問(wèn)題的拆解與解決能力；創(chuàng)新實(shí)踐：鼓勵(lì)對(duì)滲濾材料、植物搭配的創(chuàng)新嘗試，培養(yǎng)工程思維；協(xié)作溝通：以小組為單位完成任務(wù)，學(xué)會(huì)跨角色分工與成果表達(dá)。（二）學(xué)情分析（以初中七年級(jí)為例）學(xué)生已具備水循環(huán)的基礎(chǔ)認(rèn)知（科學(xué)）、簡(jiǎn)單幾何計(jì)算能力（數(shù)學(xué)），但對(duì)“跨學(xué)科知識(shí)整合解決真實(shí)問(wèn)題”缺乏經(jīng)驗(yàn)。在工程實(shí)踐中，可能面臨“設(shè)計(jì)方案可行性不足”（如忽略土壤滲透性）、“技術(shù)工具操作不熟練”（如CAD繪圖比例錯(cuò)誤）等挑戰(zhàn)。需通過(guò)階梯式任務(wù)設(shè)計(jì)（從模擬到實(shí)踐）、多學(xué)科教師協(xié)同指導(dǎo)（科學(xué)、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)教師分工支持）降低難度。三、教學(xué)準(zhǔn)備與資源整合（一）教具與學(xué)具實(shí)地調(diào)研：校園地形圖（1:200）、皮尺、水準(zhǔn)儀、土壤滲水測(cè)試裝置（量筒、濾紙、不同土壤樣本）；設(shè)計(jì)階段：CAD軟件（學(xué)生端簡(jiǎn)化版）、手繪圖紙、植物標(biāo)本（鳶尾、千屈菜等耐澇植物）、滲濾材料樣本（碎石、粗砂、種植土）；施工階段：小型挖掘工具、種植土、植物幼苗、測(cè)量繩、安全防護(hù)裝備。（二）資源支持專家資源：邀請(qǐng)校園園藝師講解植物養(yǎng)護(hù)，市政工程師分析城市雨水管理案例；數(shù)字化資源：雨水花園案例庫(kù)（如海綿城市示范項(xiàng)目）、3D建模軟件（輔助設(shè)計(jì)可視化）；場(chǎng)地規(guī)劃：劃分“調(diào)研區(qū)”（積水點(diǎn)標(biāo)記）、“創(chuàng)客空間”（設(shè)計(jì)與模型制作）、“實(shí)踐區(qū)”（校園閑置空地改造）。四、教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)（分階段實(shí)施）（一）情境導(dǎo)入：?jiǎn)栴}驅(qū)動(dòng)，喚醒需求活動(dòng)：“校園積水大偵探”教師展示雨季校園積水照片（如操場(chǎng)低洼處、教學(xué)樓門口積水），引導(dǎo)學(xué)生分組調(diào)研：①用皮尺測(cè)量積水區(qū)域面積、深度；②觀察積水時(shí)長(zhǎng)與周邊植被/硬化地面的關(guān)系。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比（如硬化地面積水2小時(shí)，草地僅0.5小時(shí)），引發(fā)思考：“如何通過(guò)景觀改造減少積水？”順勢(shì)引出“雨水花園”概念——一種通過(guò)生態(tài)滲濾、植物滯留緩解地表徑流的景觀設(shè)計(jì)。（二）知識(shí)探究：跨學(xué)科模塊，構(gòu)建認(rèn)知1.科學(xué)模塊：水循環(huán)與植物生態(tài)實(shí)驗(yàn)：“土壤滲水大比拼”——學(xué)生分組測(cè)試不同土壤（黏土、砂土、混合土）的滲水速率，結(jié)合水循環(huán)知識(shí)，理解“下滲”對(duì)減少?gòu)搅鞯淖饔?；調(diào)研：查閱耐澇植物資料，實(shí)地觀察校園現(xiàn)有植物（如麥冬、菖蒲）的生長(zhǎng)環(huán)境，總結(jié)“根系發(fā)達(dá)、葉片蠟質(zhì)層厚”等耐澇特征。2.技術(shù)模塊：測(cè)量與數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)踐：用皮尺、水準(zhǔn)儀測(cè)量實(shí)踐區(qū)地形（坡度、高程），學(xué)習(xí)“等高線”繪制；軟件操作：在CAD中導(dǎo)入地形圖，按1:100比例繪制雨水花園邊界，標(biāo)注匯水區(qū)域（數(shù)學(xué)：比例尺應(yīng)用）。3.工程模塊：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化案例分析：拆解海綿城市“滲、滯、蓄”技術(shù)，討論雨水花園的分層結(jié)構(gòu)（碎石層→砂層→種植土→植被層）；方案設(shè)計(jì)：小組繪制“分層剖面圖”，計(jì)算各層厚度（數(shù)學(xué)：體積=面積×厚度），并考慮“溢流口”設(shè)計(jì)（預(yù)防暴雨時(shí)積水）。（三）項(xiàng)目實(shí)踐：從設(shè)計(jì)到建造的迭代1.方案論證：“頭腦風(fēng)暴+可行性評(píng)估”小組展示設(shè)計(jì)草圖，教師引導(dǎo)質(zhì)疑：“碎石層厚度30cm是否會(huì)導(dǎo)致土壤流失？”“匯水面積計(jì)算是否包含周邊硬化路面？”學(xué)生通過(guò)二次調(diào)研（如查閱滲濾材料規(guī)范、重新測(cè)量匯水范圍）優(yōu)化方案，形成“最終施工藍(lán)圖”。2.模型驗(yàn)證：“縮小版雨水花園”用3D打印或手工材料（塑料盒、砂石、綠植）制作1:20模型，模擬降雨（噴壺灑水），觀察滲濾效果。若發(fā)現(xiàn)“種植土流失”，則調(diào)整碎石層孔隙率（工程優(yōu)化），或更換黏性土壤（科學(xué)調(diào)整）。3.實(shí)地建造：“問(wèn)題解決式施工”土方工程：按等高線平整土地，挖掘滲濾溝（數(shù)學(xué)：勾股定理計(jì)算溝深）；材料鋪設(shè)：分層鋪設(shè)碎石（15cm）、粗砂（10cm）、種植土（20cm），同步測(cè)量厚度（技術(shù)：水準(zhǔn)儀校準(zhǔn)）；植物種植：按“喬-灌-草”搭配原則（科學(xué)：群落結(jié)構(gòu)），種植鳶尾、千屈菜等，記錄株距（數(shù)學(xué)：面積÷株數(shù)）。突發(fā)問(wèn)題處理：施工中發(fā)現(xiàn)土壤黏性大、滲水慢，學(xué)生通過(guò)“土壤改良實(shí)驗(yàn)”（添加腐葉土、珍珠巖）調(diào)整配比，體現(xiàn)STEM的動(dòng)態(tài)優(yōu)化思維。（四）成果展示與反思：多元評(píng)價(jià)，深化認(rèn)知1.成果展示：小組以“雨水花園解說(shuō)員”身份，從“設(shè)計(jì)理念（科學(xué)）、技術(shù)創(chuàng)新（CAD繪圖）、工程亮點(diǎn)（滲濾結(jié)構(gòu)）、數(shù)學(xué)支撐（數(shù)據(jù)計(jì)算）”四維度匯報(bào)成果，展示實(shí)景照片、滲濾數(shù)據(jù)（如降雨后積水時(shí)長(zhǎng)從2小時(shí)縮短至0.5小時(shí)）。2.反思改進(jìn)：自評(píng)：“如果重來(lái)，我會(huì)在碎石層加土工布防止土壤流失”（工程反思）；互評(píng)：“某組的植物搭配色彩豐富，但匯水面積計(jì)算偏小，暴雨時(shí)可能溢流”（跨學(xué)科批判）；教師總結(jié)：肯定“真實(shí)問(wèn)題解決”的價(jià)值，提出“長(zhǎng)期維護(hù)方案”（如定期清理落葉、監(jiān)測(cè)滲水速率）的拓展任務(wù)。五、教學(xué)評(píng)價(jià)與素養(yǎng)發(fā)展（一）評(píng)價(jià)維度（多元化、過(guò)程性）評(píng)價(jià)類型具體指標(biāo)示例證據(jù)------------------------------知識(shí)應(yīng)用水循環(huán)原理解釋、CAD繪圖規(guī)范性設(shè)計(jì)圖中標(biāo)注的滲濾層厚度計(jì)算過(guò)程實(shí)踐能力工具操作熟練度、問(wèn)題解決策略土壤改良實(shí)驗(yàn)報(bào)告、施工日志協(xié)作創(chuàng)新小組分工合理性、方案創(chuàng)新性模型制作視頻、植物搭配創(chuàng)意說(shuō)明（二）素養(yǎng)發(fā)展體現(xiàn)學(xué)生在項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)“從知識(shí)到能力”的躍遷：如通過(guò)“滲濾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”，理解工程與科學(xué)的共生關(guān)系（科學(xué)原理指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，工程實(shí)踐驗(yàn)證科學(xué)假設(shè)）；通過(guò)“匯水面積計(jì)算”，體會(huì)數(shù)學(xué)作為工具的服務(wù)性（數(shù)據(jù)支撐設(shè)計(jì)優(yōu)化）。六、教學(xué)反思與拓展建議（一）經(jīng)驗(yàn)與不足成功點(diǎn)：真實(shí)情境驅(qū)動(dòng)激發(fā)了學(xué)生的探究欲，跨學(xué)科教師協(xié)同（科學(xué)、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)教師每周聯(lián)合備課）保障了知識(shí)整合的深度；不足：施工階段耗時(shí)較長(zhǎng)（需協(xié)調(diào)校園施工時(shí)間），部分學(xué)生因CAD操作不熟練影響設(shè)計(jì)效率（后續(xù)可開(kāi)發(fā)“手繪+實(shí)物模型”的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)路徑）。（二）拓展建議校社聯(lián)動(dòng)：與社區(qū)公園合作，將雨水花園設(shè)計(jì)拓展為“城市微生態(tài)改造”項(xiàng)目；長(zhǎng)期觀測(cè)：建立“雨水花園生態(tài)日志”，記錄植物生長(zhǎng)、滲水速率變化，融入科學(xué)探究的持續(xù)性；學(xué)段延伸：小學(xué)可簡(jiǎn)化為“花盆雨水花園”（側(cè)重觀察植物生長(zhǎng)），高中可結(jié)合“雨水回收系統(tǒng)”（融入物