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从“学科人”到“素养人”——走向融合的STEM教育

[日期:2018-05-23] 来源:《基础教育课程》2018年第4期(上)  作者:陈晓萍 [字体: ]

本文强调了发端于美国的STEM教育在课堂教学实践中的一些特点:通过创设学习情境,让孩子们像科学家一样地探究,像工程师一样地解决问题。提出要关注形成聚焦真实世界的核心问题、经历实践性知识的生成过程并利用技术支持STEM的学习等教育关键问题。


在21世纪的今天,科学、技术、工程和数学领域的发展越来越精细、深入,并且迅速改变着我们的生活。同时,这四个领域的联系又越来越紧密,解决任何一个领域的问题都会涉及其他三个领域;任何一个领域的发展都将为其他领域打开进步的空间;任何一个领域的素质都是未来公民的基本素质。由此,发端于美国的STEM教育,正越来越多地出现在不同国家的教育改革中,并且成为教育研究、教育实践变革的热点。

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科学·技术·工程·数学教育

S T E M 是科学、技术、工程和数学(Science, Technology, Engineering and Mathematics)的英文单词首字母缩写。我们可以这样来认识STEM:


第一,STEM是分科的,它代表着科学、技术、工程和数学四门独立的学科领域;


第二、STEM是整合的,这或许是今天强调和重视STEM教育时最为大家所关注和看重的;


第三,STEM教育是延伸和扩展的。


就分科而言,几乎在所有国家中,科学、技术、工程和数学都作为独立的学科与课程形态存在于学校教育中。并且,每一个领域的发展,正越来越精细化、专业化与体系化。即使在同一个领域,也可以细化出许多不同的分支。越来越多的岗位与职业,要求其工作者具备相应的科学、技术、工程和数学领域的专业素养。每一个领域的核心知识体系,是我们理解科学、技术、工程和数学作为各自相对独立的学科的基础,并成为高等教育中专业人才培养的要求。


作为集成战略的STEM教育并不局限于四门各自独立的学科,特别是在中小学教育及学前教育中,STEM教育更关注其“整合”的意义和价值。美国国家科学院出版社出版的《K-12年级STEM整合教育:现状、前景和研究议程》指出,“STEM教育远不是单独的、定义明确的经验,它包括一系列不同的体验,涉及一定程度的联系。这些体验可能发生在一个或几个课时内,贯穿整个课程,体现在单一学科或整个学校中,也包含于校外活动中”。美国“项目引路”(Project Lead The Way, PLTW)教育机构的观点更明确了STEM教育的整合特点及其现实意义:STEM教育课程计划旨在使学生参与以活动、项目和问题解决为基础的学习,它提供了一种动手做的课堂体验。学生在应用所学到的数学和科学知识来应对世界重大挑战时,他们创造、设计、建构、发现、合作并解决问题。


就目前的发展看,STEM教育正不断地获得扩展和延伸。从其内容来说,STEM+x(如STEAM)的形式不断涌现;从其范围来说,全球正在兴起STEM教育。


2012年美国国家研究理事会(NRC)颁布《K-12年级科学教育框架》,它描述了科学家和工程师的工作,如图1所示。不论是科学家还是工程师,他们的主要活动是调查和探究;其本质是建构解释或利用推理、创造性思维和模型进行设计,形成解决方案;并通过分析、论证和评价使科学和工程学研究获得认可。在这些活动和论证中,科学家和工程师都尝试使用最合适的方法和工具来完成任务,它们都是创造性的过程,都不只使用一种方法,都具有重复性和系统性。由此,STEM教育,通过创设学习情境,让孩子们像科学家一样地探究,像工程师一样地解决问题,获得STEM素养。它不仅包括科学素养、技术素养、工程素养和数学素养,更包括与人合作创造性地解决问题的素养(图1)。

 

图1 科学家和工程师的工作

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融合科学、技术、工程和数学的教学


综观STEM教育的课堂实践,融合科学、技术、工程和数学的教学关注以下三个重要的方面。


 1.形成聚焦真实世界的核心问题


在中小学教育中开展STEM教学活动,创设一个聚焦真实世界的核心问题为重中之重。


首先,这个问题来源于真实世界,与学生的日常生活密切相关。聚焦真实世界的问题有利于引起学生的好奇心,激发学生持久的学习兴趣,并且将知识的形成过程与真实的生活联系起来。例如,在《车辆限制设计》这一堂课中,来自美国麦迪逊小学(Madison Elementary School)的Kim老师创设的情境是:展示孩子们玩碰碰车的场面,引出对“如何保护碰碰车上的乘客不受伤害”这一问题的讨论。《声音工厂》这堂课中,教师首先展示的是几种不同的乐器的声音,并让学生描述不同的乐器发出的声音的特点,从而引出问题“乐器为什么能够发出声音呢”。但是这两个问题只是情境性问题,教师需要引导学生形成STEM学习活动的核心问题:如何设计车辆的安全座椅;如何制作一件可以演奏《小星星》的乐器。


聚焦真实世界的核心问题通常是开放的、多元的,具有统摄性,有利于挑战性项目的生成。不同于教师在每堂课中步步为营设计的精细化教学活动,学生的学习通常是碎片化、割裂的过程,在STEM单元学习中,学生需要围绕着挑战性问题形成一系列子问题与子任务,投入大量的时间和资源,进行长时间的探究。例如,Kim老师的《车辆限制设计》是PLTW公司针对低段学生(1-5年级)设计的《能量:碰撞》中的一个任务,其他的先行任务包括《设计与制作一辆车》、《碰撞与数据的记录》等。在《声音工厂》中,围绕着“如何利用身边的材料去制作一个可以演奏《小星星》的乐器”这一贯穿整个课程单元的核心问题,学生可以形成系列探究问题:乐器发生的原理是怎样的,选择什么材料制作乐器,如何来调节音高的变化,如何确定声音的音高,小星星需要多少个音符,等等。这个大问题和这一些小问题群,就构成了STEM学习单元,或者STEM项目课程的框架。


 2.经历实践性知识的生成过程


在以往的教学中,我们强调知识的获得,但是这种知识通常是静态的,较多地通过倾听教师讲课的方式获得,当需要迁移并应用到真实的生活中时,学生会茫然不知所措,他们没有经历过高阶的思维与解决问题的过程。


STEM教学活动聚焦某个真实性问题,这一问题模仿专业工作(像科学家一样地探索,像工程师一样地解决问题)的过程,通过一个个实践性活动的完成,获得和运用知识,经历知识的发现、形成、运用和迁移的过程。这一“真实”学习包括多个层面的真实,学生面对的问题或任务是真实的,解决这一真实性问题,学生需要超越识记与理解,运用高阶思维的技能,例如分析、综合、设计、制作、评价等。在《声音工厂》和《车辆限制设计》等设计类制作活动中,学生需要以情境性问题为起点重新定义问题(设计性问题),结合科学原理和生活经验探索可行的产品设计方案、制作产品、检测产品、优化设计、展示与讨论等过程。这是一个完整的工程设计的过程。在《美丽的分形》活动中,教师搭建脚手架,让孩子们经历认识分形、理解分形、绘制分形、创造分形的过程。这些学习环境和学习过程的真实性,体现在学生使用的资源、工具、材料的真实性,以及问题的复杂性、开放性和需要运用高阶思维的要求,由此产生一个真实的学习结果(完成某项任务/形成某个产品)。


这些活动中,学生成为学习活动的主体,需要呈现设计与探究过程中的提案、细节、问题以及解决方案。因此,教师关注的是学生解决问题中所遇到的困难,以及他们是如何解决的,解决的方法和程度如何;学生关注的问题是如何完成任务挑战而非一个正确的答案。关注学生的主动性和开放性,能够促进学生批判性思维和创造性思维的发展,能够促进学生对所学知识与生活实践关联的理解。


在解决真实问题的实践性学习中,合作是必需的过程。科学问题的探索和工程问题的解决,每一个环节都离不开团队合作,学生需要共同交流讨论出问题、方案细节和评估标准,合作完成工程流程设计、实验操作、数据检验、模型构建和修复等环节。几乎所有的STEM案例都采用小组合作的方式展开教学,并且将合作渗透到课程的多个环节,完成任务、交流、研讨、调查多种方式也通过合作的形式进行。团队合作使课堂更加生动、有趣,促进了学生的参与、交流和共享,也促进了课程的动态生成。通过合作,把多个学生的智慧和创造力集合在一起,使得STEM的学习活动中通常会有“意外的惊喜”发生,展现出一个动态的、活跃的知识生成和习得的过程。


3.利用技术支持STEM的学习


STEM教育的实施正越来越多地与教育信息与通信技术(ICT)结合,而后者的引入为STEM教育的实施提供了更为丰富的方式和途径。美国科学技术与技术研究联盟(ASTRA)于2013年7-11月连续发布了《2013教育技术》报告,对教育技术革命及其对教育领域的影响进行了全面的阐述,认为“教育技术革命正在为学生创造出更为有效的学习方式,让他们理解学习如何与真实世界相联系,并向他们提供有助于其更为彻底、深入进行学习所必需的工具”;“教育技术正在变革着K-12教育的面貌。随着技术延伸至课堂,学生不再是信息的被动接受者。当学生已经拥有智能手机或iPad时,很少有人能够静静地坐在课桌后面”。比如在《声音工厂》这节课里,教师不仅结合了线上学习和线下学习,而且运用iPad里面的一个软件来测试声音,让孩子直接把声波的特性通过非常直观的展示方式看到,使得声音的物理特性“振幅”和“频率”这两个对小学生来讲非常抽象的概念可视化了。在《美丽的分形》的分形这堂课中,教师利用计算机向学生展示了生活与大自然界缤纷多彩的分形图案,将学生引入到一个美妙的数学世界中。


在利用技术来支持和促进STEM的教学活动时,一方面,技术的设计需要与课堂教学情境和学习内容相匹配,结合学生认知心理的特点和学习理论来设计技术支持,并不是将技术简单地“添加”到原有的课堂教学情境中;另一方面,硬件的学习技术与软件的学习技术之间,应该具有技术功能的匹配性和基于数据交流的匹配性。一般来说,移动学习技术,不仅能在野外考察中帮助学习者实时查询相关信息, 还可以通过声音、文本以及多媒体来记录观察情况。增强现实技术,能使学习者与虚拟的事物进行交互,帮助他们理解生活中隐形的规律,从而形成对事物的科学认识。基于手势的计算技术,可以在不同的情境中为学习者提供基于探索的学习体验。


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STEM教育的评价观念


STEM教育要求对评价的意义要有全新的认识。作为必要的组成部分,评价使STEM学习活动的各个部分结合为一个整体,维持学生的学习动机,就每个学生的学习情况给教师和学生提供有用的信息。在STEM教学活动中,教师要把注意力从终结性评价转移到形成性评价。当关注的重点是实践性知识的生成过程时:


①评价不仅仅被视为对产品的量化,而更关注学习的过程;


②学生对自己的学习过程有清晰的认识和体验。形成性评价重点强调对学生深度学习和素养形成的评价,例如,沟通与合作,批判性思维与问题解决,创造力与想象力等。


来自美国国际技术与工程教育协会的STEM教学中心在《融合的STEM教育焦点》一文中指出,在具体的教学活动实施过程中,教师应该在四个方面为评价做出准备:


①可迁移的知识——学生能够迁移到不同现实情境中的关键概念、原则、理论和流程;


②关键问题——来自可迁移的知识准备,用于建立课程的目标和深度;


③行为预期——向学生详细表述他们应该如何展示对于学习目标的理解,这是评价的基础;


④行为要素——对学生的行为预期,偏向于使用量表、行为观察和产品成果等。


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结语


STEM教育作为当前全球兴起的一种理念与热潮,以其鲜明的学科融合的特征并由此而带来的聚焦真实世界的问题解决和经历实践性知识的生成过程,受到教师、教育研究者、教育界以及政府的行政管理者、家长的关注,并且有越来越多的行动投入。从STEM教育的需求来说,当前的系统性、连贯性STEM课程开发是远远不够的,对教师的重要挑战是课程的开发与设计。教师在过去从来没有参与这样的学习活动,也很少将这样的实践活动融入他们以往的教学活动中。学习活动所涉及的知识具有复杂性、广泛性和不确定性,而且,学生与问题(任务)、知识、他人、学习材料与资源等多个要素之间有交互作用,这些都给如何更好地开展STEM教育带来了挑战,需要有更多的教育研究的引领,更多的教育实践的尝试,更多的社会资源的支持。


作者:陈晓萍,浙江外国语学院副教授;潘瑶珍,浙江外国语学院 博士。

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