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STEM教育视野下的综合课程建设

时间:2016-12-09 23:30来源:知行网www.zhixing123.cn 编辑:麦田守望者

自20世纪80年代起,美国政府及社会组织面对科技人才的缺失问题,开始反思科技人才培养的制度和模式,提出基于科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)教育的跨学科的STEM教育。近年来,我国科技教育工作者也开始在STEM教育视野下开展科学教育和技术教育。结合在美国访问期间的观察与思考,笔者试图对STEM教育的内涵及课程建设等情况进行初步探讨,希望能为国人理解与推进科学与技术教育提供某些参考。

一、STEM教育的内涵:指向创新型人才培养

STEM教育关注对科学知识的解释、科学探究的实践以及与工程设计的结合,其目标是整合各领域知识、技能,将知识的学习与师生生活实践结合起来,解决真实世界中的实际问题,培养创新型人才。

在国际上,美国是实施STEM教育的代表。目前美国已经进行了多项立法来推动STEM教育;联邦及各州政府对STEM教育的实施给予高额经费支持;学术、科学和商业组织纷纷参与调研及实施。美国教育管理部门认为,STEM教育提高了学生的学习兴趣及主动性,表现在学生出勤率提高,辍学率降低,学困生显著减少,学生的成绩有明显提高。目前STEM教育存在问题主要是教师数量严重短缺,课程资源比较缺乏。

在国内,上海市自2014年起依托上海STEM云中心(政府机构)及上海STEM国际科学教育研究中心(民办机构),开发精品课程和优秀课题供学生课外学习,同时引进和借鉴国外一些课程资源,对实验学校的学科教师进行培训及实施试点课程。北京、江苏等省市也陆续开展教师培训试点工作。

笔者仅以2015年在美国观摩的两节比较有代表性的课为例,阐释STEM教育的内涵。

其中一节是小学四年级的科学课,教学内容是“看云识天气”。首先,教师安排学生分组阅读教材。之后,教师在白板上贴出三张简图,简单介绍自然界中三种不同的云:积云、层云、卷云。随后,她拿出纸板、胶水、棉花等材料,给出了简单的任务单,让学生做出三种云的模型。其中,对学生具有挑战的项目、也是教师安排学生探究的项目是如何立体地呈现层云和卷云。经过努力,孩子们完成了三种云的模型,并按照任务单要求把模型系在木棒上在教室里跑动,欣赏三种云浮在空中的样子。

在大家沉浸在完成任务的欢乐中时,一个学生提出:“老师,我没有看到三种云同时出现在天空中。”教师意识到这个问题的价值,她马上招呼学生安静下来,请他们回忆在天空中见到不同云时的情景。学生的发言既踊跃又生动,有学生回忆户外野餐遇雨时云的样子,有学生回忆在球场上运动时云的样子等。学生边描述,老师边总结如何看云识天气。

另一节是高中物理课,内容是赛车项目由几个步骤组成。首先,学生徒手设计自己喜欢的赛车,并将自己的设计用计算机软件进行处理;然后,学生开始做锯木头、打磨、喷漆等工作,制成赛车模型;接着,学生用自己设计、制造的赛车模型参加比赛;最后,大家一起分析影响赛车运动快慢的因素,学习加速度概念及牛顿运动定律、伯努利方程等物理知识。

从上述两个课例可见,在不同学段,STEM教育的形式有很大差异。在低龄学段,STEM教育追求简单、有趣,注重提高学生的学习兴趣和对语言、文字的理解能力;在高中阶段,STEM教育追求应用、整合教学内容以及作品(产品)的高品质。但无论在哪个学段,STEM教育都希望能够涵盖学习科学知识、运用科学方法及动手操作三个层面。即便是小学四年级的课程,也会有设计的要求(如卷云和层云的模型呈现)。正如美国《新一代科学教育标准》(Next Generation Science Standards)提出,科学教育的目标是能够反映出现实世界中实践和经验的结合。

二、STEM教育实施:需要重点思考四个问题

无论是理论层面还是实践层面,STEM教育对于科学教育工作者都有一定的吸引力。如何设计课程、开发案例,以推动科学教育改革?我们需要思考并解决以下四个问题。

1.明确STEM教育的育人本质

有学者认为,美国的STEM教育具有明显的功利性,其研究动力是培养以制造产品并为市场服务的人,其最终目的是提高国家竞争力;教育以“为社会发展服务”为目的,一定有其功利性的一面,但不应忽略人的发展的一面,甚至应将人的发展置于核心位置。笔者认为,STEM教育在育人方面的内涵是将学习放在一定的情境中,让学生在制作产品(作品)的过程中,体会科学、技术、工程、数学之间,相互依赖、相互支撑、相互补充的意义,实现深层次学习和理解性学习;其外延是在活动中带给孩子自信,帮助孩子获得应对未来挑战的技能和信心,学会尊重他人并赢得他人的尊重,实现全面成长。这也是STEM教育与分科课程的本质区别。

2.确保综合课程与分科课程恰当互补

目前,我国在基础教育尤其是中等教育阶段,仍以分科教学为主。STEM教育提倡整合各领域的知识、技能,强调实践探究与工程设计。可以肯定,分科课程在系统、高效学习学科的基础知识和基本方法方面,有不可替代的优势;STEM教育在综合运用知识解决实际问题,提高应对未来社会挑战的能力方面,有显而易见的发展前景。在学校课程中,确保综合课程与分科课程恰当互补,充分发挥各自的优势,是实施STEM教育的前提。

3.兼顾项目的真实性与内容的基础性

在实际教学活动中,设计一个与生活紧密联系的真实项目,不仅涉及多学科的基础知识、基本技能,还需要近现代科学技术的支持;而以分科为主的课程目标,要求学生掌握终身发展和应对社会挑战必备的基本知识和方法,形成基本的科学观念。项目的真实性和知识的基础性形成了一对矛盾,照顾到教学内容的基础性,往往会损失项目的真实性;选择真实的项目(如移动设备信号的发射与接收项目),往往又无法兼顾学习内容的基础性。因此,在项目的真实性与教学内容的基础性之间找到平衡,是实施STEM教育的基础。

4.平衡教学内容的系统性与研究过程的随机性

在STEM项目实施的过程中,研究任何一个真实项目,获取知识、方法的过程往往是随机的,不会按照学科教学进度编排的顺序进行。前述美国高中物理课的案例中,教师也反映其设计项目的初衷是通过不同车的质量不同,研究车的质量和速度变化的关系(即牛顿第二定律);但在完成项目的过程中,学生的关注点非常丰富,有学生研究车的形状与速度变化的关系,有学生研究喷漆问题,还有学生研究动力问题等,解决这些问题涉及物理、化学等学科知识,这些知识也分设在不同的学习阶段中。因此,在学科教学内容的系统性与项目研究中获取知识的随机性之间找到平衡,是实施STEM教育的关键。

三、STEM课程设计:真项目、真探究

1.教师是实施STEM教育的关键

无论是课程建设还是课程实施,教师都是关键因素。在美国的STEM教育实践过程中,缺乏合格的教师也是困扰STEM教育的难题。合格的教师应该兼具学科素养及综合素养。舒尔曼教授认为,一个教师的学科素养越强,其对学科的转化或翻译能力就会相应增强。如果教师缺乏深厚的学科素养,必然导致STEM教育平庸、粗浅。综合素养指教师立足于本学科的特殊性,建立学科之间及学科与社会、学科与个人发展之间联系的能力。如果教师缺乏综合素养,STEM课程就会变成简单的拼盘,失去其应有的价值。

2.精准设计项目,提高选择性

STEM课程既可以利用三周左右的时间完成一个项目(如上述高中物理课),也可以是以STEM理念设计的一节课(如上述小学四年级科学课)。无论如何安排课程时间,只有精准设计项目,才能充分发挥STEM教育的价值。

下面以设计三周的STEM项目为例进行说明。在笔者访美期间走访的20多所学校中,设计STEM项目多采用以下方式。首先,几个学科教师根据课程标准、教材的教学内容及学生的认知特点,共同研究提出10~30个问题。其次,由学生在这些问题中选择自己最感兴趣的问题,再经过学生论证、协调形成研究小组,一般会聚焦三至五个研究项目。再次,在三周内,学生在自己组织的小组内,通过查询资料、调查研究、寻求帮助等方式,完成设计任务,制造最终产品。最后,教师安排一个正规的、仪式感很强(请校长、家长、社区代表等参加)的活动,由学生通过书面及口头报告的形式,集中汇报展示产品的特点及生成过程。

这样的设计既可以涵盖课程标准要求的教学内容,同时为学生提供自主选择、个性化学习的空间。在笔者访问的学校中,如果教学内容有适合开发STEM教育的主题(如物理学科的教学内容为机械能、生物学科的教学内容为光合作用、化学学科的教学内容为电化学,均涉及能量),那么教师一般每个学期安排一至两次这样的学习。

3.联系实际生活,突出真探究

目前,科学类课程教学过于强调知识的传授与解题技巧,弱化实验、实践;技术类课程教学偏向设计和制作,忽略探究。笔者建议在STEM教育实施过程中,利用工程设计方法,把科学课程中需要学生掌握的科学知识和方法集合成具体项目,通过开展解决核心问题的活动,使学生经历科学探究和工程设计过程。

科学探究与工程设计的切入点不同,科学探究一般是从假设出发,利用多种工具和方法,证实或证伪;工程设计是从产品出发,需要设计者对多种类型知识进行获取、加工、处理、集成、转化、交流、融合和传递。我们的科学教育长期从科学探究出发,学生会认为科学理论已经被证实,探究是虚伪、不真实的,因此这种探究没有发挥实践应有的作用。我们应该从工程设计切入,以实践为明线,以各学科核心概念、核心知识为暗线,以学习进阶认知能力为逻辑,让学生在实践中探究,突出探究在理解知识中的作用,实现真实践、真探究。

4.整合资源,形成STEM学习生态系统

集综合、实践、实际为一身的STEM教育,需要课内外、校内外多种力量的支持,需要整合课后项目、假期项目、科学中心、博物馆等资源,形成一个具有整体性、开放性、动态平衡性、自组织和可持续发展的系统。其关键是整个社会以开放的态度去认识科技教育,为促进STEM教育发展提供良好的环境。

来源:《中小学管理》 作者:冯华

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