我今天要跟大家分享的內(nèi)容是我們?cè)陂_(kāi)展UTC的STEM案例本土化過(guò)程中的思考和關(guān)于課程建設(shè)、教學(xué)方面的經(jīng)驗(yàn)。

什么是STEM

STEM教育是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育的統(tǒng)稱(chēng)，它本身絕對(duì)不是分立學(xué)科的統(tǒng)稱(chēng)，而是具有集成性的。也就是說(shuō)它應(yīng)該是一個(gè)能夠?yàn)閷W(xué)生提供整體認(rèn)識(shí)世界機(jī)會(huì)的橋梁，讓學(xué)生能夠把他們學(xué)習(xí)到的零散知識(shí)，變成一個(gè)互相聯(lián)系的統(tǒng)一的整體，以消除傳統(tǒng)教學(xué)中各學(xué)科知識(shí)割裂、不利于學(xué)生綜合解決實(shí)際問(wèn)題的障礙，是一種跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方法。

在教育項(xiàng)目中更多地整合STEM，有利于教學(xué)更好地符合工作崗位和研究機(jī)構(gòu)中的實(shí)際情況，更能吸引學(xué)生的興趣和參與。同時(shí)也指出認(rèn)知科學(xué)的研究也支持了綜合課程的做法。通過(guò)跨學(xué)科綜合課程培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，讓他們成為知情的決策者，這體現(xiàn)了STEM教育重要的社會(huì)價(jià)值與教育價(jià)值。

什么是集成式STEM

集成式STEM的觀(guān)點(diǎn)闡述了STEM教育核心的教育思想與理念——集成與融合。集成與融合的方式并不是把各個(gè)領(lǐng)域的內(nèi)容簡(jiǎn)單地拼湊在一起，而是要進(jìn)行有目的、有方法、有系統(tǒng)的組合?？茖W(xué)與工程問(wèn)題往往是課程的主要線(xiàn)索，通過(guò)其創(chuàng)造出一個(gè)多維的空間，從而為學(xué)生提供一系列具有一定程度關(guān)聯(lián)性的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。

集成式STEM的框架顯示出它的目標(biāo)、成果、集成的本質(zhì)與范圍，以及實(shí)施的具體內(nèi)容。其中的目標(biāo)包括為了學(xué)生的目標(biāo)和為了教育者的目標(biāo)。集成式STEM要能培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)、21世紀(jì)技能、STEM工作愿景、興趣與參與性，以及鏈接STEM學(xué)科的能力；同時(shí)也要能提升教師對(duì)STEM內(nèi)容知識(shí)的理解，以及對(duì)STEM教育教學(xué)知識(shí)的理解。對(duì)具體目標(biāo)內(nèi)容的深入分析（如圖1），讓我們發(fā)現(xiàn)STEM教育有著比單一學(xué)科更深入的教育目標(biāo)。它能夠促進(jìn)學(xué)生與教師的共同發(fā)展，能夠真正促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)和提升。

圖1 集成式STEM具體目標(biāo)內(nèi)容的深入分析

美國(guó)優(yōu)秀STEM課例評(píng)析

2015年，在中國(guó)友好和平發(fā)展基金會(huì)和美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司UTC的支持下，美國(guó)康涅狄格科學(xué)中心向中國(guó)青少年科技輔導(dǎo)員協(xié)會(huì)提供了其開(kāi)發(fā)和編寫(xiě)的3本STEM案例集——《航空器》、《升降機(jī)》和《橋世界》，這是3個(gè)系列的STEM教育活動(dòng)課程，注重科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的集成，并面向中小學(xué)及校外科學(xué)教育機(jī)構(gòu)和科技場(chǎng)館。該系列案例在康涅狄格州得到廣泛運(yùn)用并獲得好評(píng)。

下面，我們以《升降機(jī)》的框架為例，分析該課例如何達(dá)成STEM的4個(gè)領(lǐng)域的融合與集成。該框架分為以下5個(gè)部分。

1. 標(biāo)準(zhǔn)：課程中給出教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)行美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》、《州共同核心標(biāo)準(zhǔn)》的關(guān)聯(lián)。從標(biāo)準(zhǔn)的角度分析課程中各個(gè)學(xué)科的內(nèi)容、對(duì)實(shí)踐的要求與跨領(lǐng)域的要求。由此體現(xiàn)出課程如何集成相關(guān)科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)和工程之間的具體內(nèi)容。

   
   

2. 單元評(píng)價(jià)：課程中給出了詳細(xì)的評(píng)價(jià)，尤其是包括工程過(guò)程的量規(guī)表，幫助教師評(píng)價(jià)在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)生的發(fā)展與進(jìn)步。

   
   

3. 工程過(guò)程：其中的工程過(guò)程流程圖幫助教師和學(xué)生理解工程的基本過(guò)程和主要環(huán)節(jié)，通過(guò)預(yù)備活動(dòng)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)工程過(guò)程，為他們后面解決實(shí)際問(wèn)題打下基礎(chǔ)。

   
   

4. 工程問(wèn)題：這是課程的主體。首先通過(guò)情景創(chuàng)設(shè)給出問(wèn)題簡(jiǎn)介，即任務(wù)或項(xiàng)目的簡(jiǎn)介，同時(shí)提出相關(guān)的探索問(wèn)題。在分析問(wèn)題的基礎(chǔ)上，為學(xué)生提供更多的背景經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)，以支撐他學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)、積累必備的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這些知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)會(huì)幫助他在后續(xù)的活動(dòng)中有能力解決工程問(wèn)題。當(dāng)然，背景經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)的選擇是有策略的，這些活動(dòng)不是拼湊而是有目的、有系統(tǒng)地結(jié)合。

   
   

5. 運(yùn)用工程過(guò)程解決問(wèn)題：當(dāng)學(xué)生有了一定的經(jīng)驗(yàn)、具備一定的能力之后，課程將進(jìn)入工程過(guò)程解決問(wèn)題的環(huán)節(jié)。這個(gè)問(wèn)題并不是一個(gè)新的問(wèn)題，而是在課程開(kāi)始就提出來(lái)的問(wèn)題，比如教師和學(xué)生一起重申“制作升降機(jī)”的問(wèn)題和任務(wù)、重新定義問(wèn)題，然后再進(jìn)入工程設(shè)計(jì)的具體環(huán)節(jié)中，開(kāi)展設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試、改進(jìn)、交流等各個(gè)環(huán)節(jié)。

這便是UTC的STEM課程的整體思路。它形成了獨(dú)特的、以工程問(wèn)題為主線(xiàn)的STEM教學(xué)模式（圖2），從問(wèn)題的引入，到背景經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，再到解決工程問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生將不斷在背景經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)和解決工程問(wèn)題中循環(huán)，最終找到可行的解決方案。

圖2 STEM教學(xué)模式

在《升降機(jī)》課例中，首先以實(shí)際問(wèn)題為引入，結(jié)合學(xué)校的需求展開(kāi)，即要求學(xué)生幫助學(xué)校設(shè)計(jì)一個(gè)能提升到3層樓高度的能搬運(yùn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的升降機(jī)。這是在課程一開(kāi)始引入的真實(shí)問(wèn)題，它把學(xué)生帶入幫助學(xué)校解決實(shí)際問(wèn)題的場(chǎng)景中。同時(shí)《升降機(jī)》課例以工程設(shè)計(jì)為主線(xiàn)，結(jié)合了與之相結(jié)合的物理與工程的基本原理，如力、運(yùn)動(dòng)、能量、機(jī)械等。

對(duì)于這一點(diǎn)，與初中物理教師的討論使我們發(fā)現(xiàn)：《升降機(jī)》中所結(jié)合的學(xué)習(xí)內(nèi)容，正是學(xué)生在初中物理中需要學(xué)習(xí)的科學(xué)知識(shí)和原理。也就是說(shuō)實(shí)際上通過(guò)這個(gè)課程我們完全可以打通STEM教育和初中物理教育的關(guān)聯(lián)。

同時(shí)，在《升降機(jī)》中學(xué)生參與了設(shè)計(jì)、搭建、測(cè)試、改進(jìn)的工程過(guò)程，通過(guò)這些過(guò)程，學(xué)生真切地感受到物理知識(shí)是如何被應(yīng)用到解決實(shí)際問(wèn)題中的，這一過(guò)程同時(shí)促進(jìn)了學(xué)生體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的環(huán)節(jié)。已達(dá)成真正提高學(xué)生解決工程問(wèn)題的各項(xiàng)綜合能力和素質(zhì)，體現(xiàn)了集成式STEM的跨學(xué)科集成與融合。

探究STEM教學(xué)實(shí)踐中的關(guān)鍵問(wèn)題

在開(kāi)展UTC的STEM課例本土化的過(guò)程中，我們探索了關(guān)于STEM教學(xué)實(shí)踐中的關(guān)鍵問(wèn)題，這里與大家分享其中的4個(gè)問(wèn)題。

如何達(dá)成4個(gè)領(lǐng)域的集成

如何達(dá)成4個(gè)領(lǐng)域的有機(jī)融合，是課程開(kāi)發(fā)時(shí)會(huì)遇到的首要問(wèn)題。UTC案例是怎么做的呢？答案是采用了以工程問(wèn)題為主線(xiàn)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式。正如在上述教學(xué)模式中，通過(guò)背景經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)把工程問(wèn)題與相關(guān)聯(lián)的科學(xué)原理、科學(xué)探究、工程實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，例如在解決制作升降機(jī)的問(wèn)題中，需要用到哪些原理或知識(shí)，課程內(nèi)容就結(jié)合進(jìn)哪些原理或知識(shí)，這樣就形成了一個(gè)有機(jī)整體。學(xué)生在開(kāi)展探究與實(shí)踐的過(guò)程中，他們就能意識(shí)到，學(xué)習(xí)知識(shí)與技能最終目標(biāo)是為了用于解決制作升降機(jī)的工程問(wèn)題，即達(dá)成4個(gè)領(lǐng)域的集成與融合。

如何將知識(shí)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐相聯(lián)系

美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》提出了8個(gè)科學(xué)與工程的實(shí)踐。不管是在科學(xué)探究中，還是在工程設(shè)計(jì)中，實(shí)際上我們都需要學(xué)生圍繞問(wèn)題、圍繞模型、圍繞方案、圍繞實(shí)證，并且通過(guò)證據(jù)的運(yùn)用形成一定的思維能力，形成一定的概念系統(tǒng)。所以我們?cè)谶M(jìn)行課程實(shí)踐的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)有很多的教學(xué)策略、很多的方法是圍繞著這樣一個(gè)實(shí)踐過(guò)程展開(kāi)的。這是把知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)踐融合在一起的有效策略。

如何提高學(xué)生的問(wèn)題解決能力

為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們同樣需要回到圖2所示的教學(xué)模式當(dāng)中。我們發(fā)現(xiàn)其中問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)最終落腳在解決工程問(wèn)題的層面上。問(wèn)題的重申、任務(wù)的重新定義、測(cè)試與改進(jìn)的過(guò)程中，都給學(xué)生提供了相當(dāng)多的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的機(jī)會(huì)，通過(guò)課程和教師都將促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)地分析和理解問(wèn)題，作出推理和決策，排除疑難或困難，找到解決問(wèn)題的方法。這個(gè)過(guò)程是真正提高學(xué)生問(wèn)題解決能力的有效途徑。

如何開(kāi)展STEM教學(xué)中的評(píng)價(jià)

UTC的STEM案例很好地把我們從總結(jié)性評(píng)價(jià)拉回到形成性評(píng)價(jià)中。例如課程中給出了2個(gè)具體的評(píng)價(jià)工具，一個(gè)是工程過(guò)程評(píng)價(jià)的量規(guī)表；另一個(gè)是工程建議書(shū)項(xiàng)目清單。工程過(guò)程評(píng)價(jià)的量規(guī)表把學(xué)生分成不同層次，教師根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；工程建議書(shū)的項(xiàng)目清單中給出了評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的各項(xiàng)指標(biāo)和要求，使課程的形成性評(píng)價(jià)有了切實(shí)的抓手。

UTC STEM課例的本土化實(shí)踐

近一年來(lái)，我們以開(kāi)放、合作、融合的思想開(kāi)展STEM課例的本土化。教學(xué)實(shí)踐的過(guò)程給我們帶來(lái)了很多驚喜，學(xué)生們積極地參與討論與辯論，能按照設(shè)計(jì)完成一項(xiàng)作品，能通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并不斷嘗試解決問(wèn)題，這些點(diǎn)點(diǎn)滴滴的變化告訴我們STEM教育是如何有效培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)的。

如今，我們已經(jīng)完成了《橋世界》課例的本土化，后期我們將陸續(xù)完成其余2個(gè)案例的本土化工作，同時(shí)全國(guó)范圍內(nèi)的教師培訓(xùn)也在順利開(kāi)展，希望通過(guò)教師培訓(xùn)有更多的教師可以真正地把這些資源運(yùn)用下去。

最后我們還希望在學(xué)習(xí)UTC案例的基礎(chǔ)上，能夠自主地研發(fā)更多的適用于我國(guó)中小學(xué)的STEM教育資源，也希望有更多的教師能夠參與我們的工作。

本文原載于《中國(guó)科技教育》2016年第11期“專(zhuān)題”欄目，演講人葉兆寧，有刪減。