STEM教育理念如何“落地”教學(xué)實(shí)踐

STEM教育理念如何“落地”教學(xué)實(shí)踐推進(jìn)跨學(xué)科知識(shí)融合的STEM教育，在幫助學(xué)生打好扎實(shí)的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)之上，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，促進(jìn)創(chuàng)新型、創(chuàng)業(yè)型人才的成長(zhǎng)。我們看到：創(chuàng)客教育是否能良性發(fā)展的核心是STEM教育理念是否能被重視及應(yīng)用;而STEM教育是否能真正起到作用的核心是如何能在教學(xué)及實(shí)踐中真正推進(jìn)跨學(xué)科的融合。為此，這期STEM欄目將重點(diǎn)展現(xiàn)STEM教育理念是如何通過項(xiàng)目設(shè)計(jì)把各個(gè)學(xué)科真正融合起來;如何通過學(xué)科融合培養(yǎng)學(xué)生真正的綜合素質(zhì)。讀者們?nèi)缧枇私釹TEM概念、核心特征等具體內(nèi)容，可以翻看前幾期欄目。概念簡(jiǎn)介STEMScience、Technology、Engineering、Maths這四個(gè)詞的開頭字母的組合，STEM教育就是科學(xué)，技術(shù)，工程，數(shù)學(xué)的教育。2011年，美國佛吉尼理工學(xué)院暨州立大學(xué)學(xué)者Georgette Yakman提出STEAM。STEM教育的過程不僅是把科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加，而是特別強(qiáng)調(diào)將本來分散的四門學(xué)科自然地組合形成新的整體?？傊?不論是STEM教育還是STEAM教育,都是為了更好地幫助學(xué)生不被單一學(xué)科的知識(shí)體系所束縛,促進(jìn)教師在教學(xué)過程中更好地進(jìn)行跨學(xué)科融合,鼓勵(lì)學(xué)生跨學(xué)科解決問題。STEM教育的核心特征簡(jiǎn)介STEM教育中四門學(xué)科的教學(xué)必須緊密相連，以整合的教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生掌握知識(shí)和技能，并能進(jìn)行靈活遷移應(yīng)用解決真實(shí)世界的問題。融合的STEM教育具備新的核心特征：跨學(xué)科、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計(jì)性、藝術(shù)性、實(shí)證性和技術(shù)增強(qiáng)性等。STEM課程的跨學(xué)科整合跨學(xué)科整合的模式針對(duì)STEM教育整合的課程設(shè)計(jì)，美國馬里蘭大學(xué)赫希巴奇(Herschbach，2011)提出兩種最基本的課程模式：相關(guān)課程(the correlated curriculum)模式和廣域課程(the broad fields curriculum)模式?？鐚W(xué)科整合的基本取向STEM教育要求四門學(xué)科在教學(xué)過程中必須緊密相連，以整合的教學(xué)方式使得學(xué)生掌握概念和技能，并運(yùn)用技能解決真實(shí)世界中的問題。如何將四門獨(dú)立學(xué)科知識(shí)緊密關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)整合，有三種取向：學(xué)科知識(shí)整合取向;生活經(jīng)驗(yàn)整合取向;學(xué)習(xí)者中心整合取向;三種整合取向的共性問題及應(yīng)對(duì)?？鐚W(xué)科整合的項(xiàng)目設(shè)計(jì)STEM跨學(xué)科整合最核心、最重要的工作是項(xiàng)目或問題的設(shè)計(jì)，如果沒有良好的結(jié)構(gòu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)困難、效率不高、挫折感強(qiáng)、學(xué)習(xí)收獲不大等系列問題。STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)將知識(shí)蘊(yùn)含于情境化的真實(shí)問題中，強(qiáng)調(diào)調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)積極地利用各學(xué)科的相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)解決方案，跨越學(xué)科界限提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。STEM教育建立在建構(gòu)主義和認(rèn)知科學(xué)的研究成果之上(Sanders，2009)。布魯因(Bruning，2004)等人指出，STEM教育與認(rèn)知科學(xué)的主張一致：1)學(xué)習(xí)是建構(gòu)而不是接受的過程;2)動(dòng)機(jī)和信念在認(rèn)知過程中至關(guān)重要;3)社會(huì)性互動(dòng)是認(rèn)知發(fā)展的基礎(chǔ);4)知識(shí)、策略和專門技術(shù)是情境化的。由此可見，STEM教育是一種典型的建構(gòu)主義教學(xué)實(shí)踐：為學(xué)習(xí)者提供學(xué)習(xí)情境，讓他們積極地建構(gòu)知識(shí)，從而強(qiáng)化對(duì)知識(shí)的記憶和促進(jìn)遷移;以小組為單位進(jìn)行活動(dòng)，為知識(shí)的社會(huì)建構(gòu)提供優(yōu)越條件(Sanders，2009)。因此，實(shí)踐STEM教學(xué)模式首先要符合建構(gòu)性學(xué)習(xí)所強(qiáng)調(diào)的探究、發(fā)現(xiàn)、協(xié)助等基本要求?？梢哉f，STEM教育是一種典型的建構(gòu)主義教學(xué)實(shí)踐，本文參照基于建構(gòu)主義的教學(xué)設(shè)計(jì)模式(余勝泉等，2000)嘗試提出一種STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)模式。本模式在“教學(xué)分析”的基礎(chǔ)上，以“項(xiàng)目或問題”為核心立足點(diǎn)，設(shè)計(jì)項(xiàng)目完成或問題解決過程中的學(xué)習(xí)資源與工具、學(xué)習(xí)活動(dòng)過程、學(xué)習(xí)支架、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)關(guān)注項(xiàng)目完成后，學(xué)生獲得知識(shí)的系統(tǒng)化與結(jié)構(gòu)化遷移，并有相應(yīng)的強(qiáng)化練習(xí)與總結(jié)提升。圖STEM課程的跨學(xué)科整合模式1.教學(xué)分析在教學(xué)設(shè)計(jì)前期，教師需要對(duì)以下三個(gè)方面進(jìn)行細(xì)致分析：1)教學(xué)目標(biāo);2)學(xué)習(xí)者特征;3)跨學(xué)科知識(shí)地圖(學(xué)習(xí)內(nèi)容)。分析教學(xué)目標(biāo)是為了確定學(xué)習(xí)主題，對(duì)課程的三維目標(biāo)做具體描述。分析學(xué)習(xí)者特征是為了確保項(xiàng)目設(shè)計(jì)適合學(xué)生的能力與知識(shí)水平，對(duì)學(xué)習(xí)者的智力因素和非智力因素進(jìn)行充分分析。STEM教育強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)要完成真實(shí)情境中的任務(wù)，而要確保任務(wù)中包含教學(xué)目標(biāo)，就需要對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行深入分析，明確所需學(xué)習(xí)的知識(shí)內(nèi)容、知識(shí)內(nèi)容間的結(jié)構(gòu)關(guān)系和知識(shí)內(nèi)容的類型。這可以通過繪制學(xué)習(xí)內(nèi)容的知識(shí)地圖，展示跨學(xué)科知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)，為整個(gè)課程知識(shí)均衡覆蓋提供基礎(chǔ)。2.學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)是整個(gè)STEM教學(xué)設(shè)計(jì)模式的核心和立足點(diǎn)。STEM教學(xué)是基于現(xiàn)實(shí)情境的，需要學(xué)習(xí)者置身于真實(shí)、非良構(gòu)的學(xué)習(xí)任務(wù)中。學(xué)生學(xué)習(xí)的過程就是解決實(shí)際問題和完成實(shí)際項(xiàng)目的過程，問題或項(xiàng)目構(gòu)成了驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)的核心，而不像教師講授那樣充當(dāng)概念、原理的例子。學(xué)習(xí)任務(wù)可以是問題或項(xiàng)目：它們均代表連續(xù)性的復(fù)雜問題，并要求學(xué)習(xí)者采取主動(dòng)、建構(gòu)、真實(shí)情境下的學(xué)習(xí)方式。學(xué)習(xí)任務(wù)一定要放在特定情境中呈現(xiàn)，需要將設(shè)計(jì)的問題在特定情境中具體化。由于教科書中的知識(shí)是對(duì)現(xiàn)實(shí)生活的抽象和提煉，所以設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)情景就要還原知識(shí)的背景，恢復(fù)其原來的生動(dòng)性、豐富性，有時(shí)同一問題在不同情景中(不同的工作環(huán)境、社會(huì)背景)的表現(xiàn)是不同的。STEM教學(xué)要基于前面的教學(xué)分析結(jié)果，對(duì)學(xué)習(xí)情境進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得學(xué)習(xí)問題能夠與真實(shí)學(xué)習(xí)情境相融合，不處于分離或勉強(qiáng)合成的狀態(tài)。3.工具與資源設(shè)計(jì)問題解決或項(xiàng)目完成需要學(xué)習(xí)者在大量信息基礎(chǔ)上進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、意義建構(gòu)，因此設(shè)計(jì)適宜的學(xué)習(xí)環(huán)境和豐富的學(xué)習(xí)資源與工具是STEM教學(xué)設(shè)計(jì)必不可少的環(huán)節(jié)。學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)主要包括教學(xué)中需要用到的設(shè)備、器材和各種信息化工具，如目前廣受關(guān)注的3D打印機(jī)、開源電路板等，還需要一些用來支持或指引擴(kuò)充思維過程的認(rèn)知工具，如Scratch可視化程序設(shè)計(jì)工具、概念圖工具、SPSS數(shù)據(jù)分析工具、網(wǎng)絡(luò)溝通工具、三維建模工具等。學(xué)習(xí)資源方面教師需要設(shè)計(jì)：1)了解有關(guān)學(xué)習(xí)問題的詳細(xì)信息和必要的預(yù)備知識(shí);2)學(xué)生在解決學(xué)習(xí)問題過程中可能需要查閱的信息(為了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)更好地提供指導(dǎo));3)強(qiáng)化練習(xí)材料(用于學(xué)習(xí)者在教學(xué)活動(dòng)實(shí)施后進(jìn)行強(qiáng)化練習(xí)，從而檢測(cè)、鞏固、擴(kuò)展所學(xué)知識(shí))。4.學(xué)習(xí)支架設(shè)計(jì)STEM教育重視學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)主體地位的同時(shí)，也不忽視教師的指導(dǎo)作用。STEM教師既需要保持對(duì)各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的控制、管理、幫助和指導(dǎo)，又需要從課堂主角變?yōu)槟缓髮?dǎo)演，成為學(xué)生意義建構(gòu)的幫助者、促進(jìn)者。學(xué)生在問題解決過程中，不同學(xué)生所采用的學(xué)習(xí)路徑、遇到的困難也不相同，教師需針對(duì)不同情況給予及時(shí)反饋和幫助，指導(dǎo)學(xué)生開展獨(dú)立探索或協(xié)作，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與的主動(dòng)性;學(xué)生在自主學(xué)習(xí)中，面對(duì)豐富的信息資源易出現(xiàn)學(xué)習(xí)行為與學(xué)習(xí)目標(biāo)的偏離，對(duì)此教師要在問題解決過程中設(shè)置關(guān)鍵的控制點(diǎn)，規(guī)范學(xué)生學(xué)習(xí)，同時(shí)也有利于學(xué)生反思、深化所學(xué)知識(shí)。因此，針對(duì)學(xué)生問題解決過程中可能遇到的困難，教師提供起支撐、承載、聯(lián)結(jié)等作用的支架，是確保學(xué)生在最臨近發(fā)展區(qū)內(nèi)進(jìn)行學(xué)習(xí)并解決問題的關(guān)鍵。在STEM教育項(xiàng)目中，支架可以保證學(xué)生在不能獨(dú)立完成任務(wù)時(shí)獲得成功，提高能力水平以達(dá)到任務(wù)要求，幫助他們認(rèn)識(shí)到潛在發(fā)展空間。支架讓學(xué)生經(jīng)歷一些有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)者(如教師)所經(jīng)歷的思維過程，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)特別是隱性知識(shí)的體悟與理解。學(xué)生通過內(nèi)化支架，可以獲得獨(dú)立完成任務(wù)的技能。支架還可以展示學(xué)習(xí)任務(wù)的真實(shí)情境，讓學(xué)習(xí)者感受、體驗(yàn)和進(jìn)入復(fù)雜的真實(shí)情境。典型的支架包括(閆寒冰，2003)：情境型支架，設(shè)置情境幫助進(jìn)入學(xué)習(xí);問題型支架，創(chuàng)設(shè)問題情境，引發(fā)思維;實(shí)驗(yàn)型支架，演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)、家庭實(shí)驗(yàn)等;信息型支架，包括教師已有知識(shí)、網(wǎng)絡(luò)知識(shí)、材料等;知識(shí)型支架，主要是提供評(píng)價(jià)和產(chǎn)生新的經(jīng)驗(yàn)和信息的框架;程序型支架，是指做事的順序;策略型支架，指在不同教學(xué)條件下，為達(dá)到不同教學(xué)效果所采用的手段和謀略;范例型支架指典型事例和范例;訓(xùn)練性支架指通過指導(dǎo)和練習(xí)強(qiáng)化學(xué)生認(rèn)知理解，提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力。5.學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)學(xué)生是在完成STEM教育項(xiàng)目過程中獲取知識(shí)、認(rèn)識(shí)客觀世界的，不是直接從書本或教師處獲得知識(shí)的，認(rèn)知與學(xué)習(xí)發(fā)生在完成任務(wù)和解決問題的過程中，是通過學(xué)習(xí)活動(dòng)這一中介體完成的。因此，有效的STEM教育項(xiàng)目設(shè)計(jì)，必須以有效的學(xué)習(xí)活動(dòng)為中介，促進(jìn)知識(shí)的內(nèi)化，只有這樣才能真正提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的發(fā)生。STEM學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)，就是教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)情境靈活選擇和設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)，讓學(xué)生通過參與活動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。不同教學(xué)模式往往從不同教學(xué)環(huán)節(jié)和程序安排上顯示其特征，每種教學(xué)模式都有其自身相對(duì)固定的活動(dòng)邏輯步驟和每階段應(yīng)完成的教學(xué)任務(wù)。不同活動(dòng)序列組合自然形成不同的教學(xué)模式。6.學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)教學(xué)評(píng)價(jià)包括形成性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)。為了在教學(xué)活動(dòng)過程中更好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，教師需要在教學(xué)過程中不斷進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)。形成性評(píng)價(jià)偏向于使用量表、行為觀察和知識(shí)測(cè)驗(yàn)等形式了解階段性的教學(xué)成果和存在問題，及時(shí)對(duì)教學(xué)實(shí)施方案進(jìn)行修改、完善。總結(jié)性評(píng)價(jià)一般安排在教學(xué)活動(dòng)告一段落后，為檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果是否達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)而進(jìn)行的評(píng)價(jià)。STEM教學(xué)側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者解決實(shí)際問題的能力，比傳統(tǒng)的紙筆測(cè)試更加靈活多樣并關(guān)注學(xué)習(xí)者的真實(shí)能力。例如，它可以對(duì)小組合作完成的作品按事先制定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由教師或小組間進(jìn)行評(píng)價(jià)。形成性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)服務(wù)于不同目的，沒有孰輕孰重之分，兩者均起著舉足輕重的作用。評(píng)價(jià)過程要改變以往單一的評(píng)價(jià)方式，強(qiáng)調(diào)多元評(píng)價(jià)主體、形成性評(píng)價(jià)、面向?qū)W習(xí)過程的評(píng)價(jià)，由學(xué)生本人、同伴、教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的態(tài)度、興趣、參與程度、任務(wù)完成情況以及學(xué)習(xí)過程中形成的作品等進(jìn)行評(píng)估。7.總結(jié)與強(qiáng)化練習(xí)項(xiàng)目結(jié)束后需要適時(shí)進(jìn)行教學(xué)總結(jié)，促進(jìn)學(xué)習(xí)者將零散的知識(shí)系統(tǒng)化。STEM教學(xué)關(guān)注現(xiàn)實(shí)問題，著力跨學(xué)科運(yùn)用知識(shí)，因此更需要對(duì)涉及的知識(shí)進(jìn)行總結(jié)，將STEM學(xué)習(xí)的產(chǎn)出從現(xiàn)實(shí)問題解決延伸到抽象的知識(shí)層面，讓學(xué)生形成一定的知識(shí)體系和結(jié)構(gòu)。教學(xué)總結(jié)可以由教師獨(dú)立進(jìn)行，也可以采取教師指導(dǎo)下學(xué)生小組合作匯報(bào)等形式進(jìn)行。完成教學(xué)總結(jié)后，教師應(yīng)根據(jù)小組評(píng)價(jià)和自我評(píng)價(jià)結(jié)果，為學(xué)生設(shè)計(jì)一套可供選擇并有針對(duì)性的補(bǔ)充學(xué)習(xí)材料和強(qiáng)化練習(xí)。這類材料和練習(xí)應(yīng)精心挑選，既要反映基本概念、基本原理又能適應(yīng)不同學(xué)生的要求，以便通過強(qiáng)化練習(xí)糾正原有的錯(cuò)誤理解或片面認(rèn)識(shí)，最終達(dá)到符合要求的意義建構(gòu)。8.項(xiàng)目方案試用與改進(jìn)項(xiàng)目實(shí)施過程中，一方面要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的方