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从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究  

2016-12-05 13:13:47|  分类: 推荐阅读 |  标签: |举报 |字号 订阅

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内容提要:随着社会对人才需求的不断提高,以培养创新型复合人才的STEM教育正逐步在全球普及推广。该文首先描述了STEM教育的概念及发展历史,然后根据STEM教育应用成果的不同,把STEM教育应用模式分成了验证、探究、制造和创造四大类,每一类又可以根据应用成果达成方式的不同可以细分为支架类和开放类,并重点描述了各个模式的应用步骤及典型案例。该文进一步指出各个模式之间并非泾渭分明,教师需要围绕目标,从学习者特点、学习环境等因素出发进行灵活选择和综合应用。

关键词:STEM教育 应用模式 创客教育

随着社会对人才需求的不断提高,以培养创新型复合人才的STEM教育正逐步在全球普及推广,多个国家都发布了本国的STEM教育发展规划,中国的教育部也在其发布的《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见(征求意见稿)》中明确提到“有效利用信息技术推进‘众创空间’建设,探索STEAM教育、创客教育等新教育模式,使学习者具有较强的信息意识与创新意识”,其中的“STEAM教育”就是STEM教育扩展版——将A(Art艺术)加入STEM。而创客教育和STEM教育有着紧密联系,STEM教育是未来教育的重要发展方向,对于中国的传统教育模式更有着重要的意义。

一、STEM教育的概念

STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四个英文首字母的缩写,简言之STEM教育就是科学、技术、工程、数学的教育,但现实问题往往无法单凭STEM中的某一门学科知识来解决,必须依靠多学科的协同,因此STEM教育是关于如何综合运用STEM知识解决现实问题的能力的教育,也就是STEM素养教育。

STEM教育的目标就是提升学习者的STEM素养,但对于STEM教育的定义,学术界存在着三种理解:第一种认为STEM教育是一门后设课程,即在学习者学习STEM相关的独立课程之外再学习一门如何综合运用STEM知识的独立课程;第二种认为STEM教育是一门有机整合STEM知识的独立课程,由它代替传统的STEM所涉及的课程,培养学习者的综合运用各专业知识的能力[1];第三种则将STEM教育视为一种教学策略,其核心目标是通过灵活应用探究性学习、基于项目的学习和基于设计的学习等学习方式,来培养学习者综合利用STEM知识解决现实问题的能力。

本文的STEM教育将采用第三种观点,从学习方式和学习目标出发来界定STEM教育可以更好地为课程教师指明STEM教育的方向。基于此定义,本文认为STEM独立学科的学习也可以是STEM教育,其关键在于学习者是如何学习知识和运用知识的,如通过学习者自主的实验设计来验证牛顿三大定律便属于STEM教育;利用数学知识来合理安排职工工资和社保也属于STEM教育。STEM教育对于中国来说具有更重要的意义,中国从来不缺乏STEM所包含的各独立学科知识的学习,但由于不注重知识的理解和应用,学习者的STEM素养并不高,这一点必须通过加强STEM教育来提升。

二、STEM教育的应用模式

STEM教育作为一种教学策略,在实际应用时必须以解决现实中的实际问题为目标,以STEM知识的综合运用为手段。根据具体目标的不同,本文把STEM教育分成验证型、探究型、制造型和创造型四种不同的应用模式。

根据教师在STEM教育应用中给定的限定不同,各个模式又可以分为支架式和开放式,所谓的支架式就是由教师给定框架,包括目标和实现方式,然后由学习者在此基础上实施;而开放式则更多地由学习者自行提出目标并自行完成任务,需要学习者更多的主观能动性。当然,支架式和开放式之间并无明确的界限,教师在应用过程中可以根据学习者的不同、目标的不同灵活把握。另外,考虑到STEM教育应用的项目学习属性,下面的各类应用都以小组协作的方式展开。

(一)验证型STEM教育应用

验证型STEM教育应用的目标是学习者完成对已知结果的验证,例如定律或现象,但这些定律或现象并不是此类应用的重点,怎样通过STEM知识的综合运用来验证这些结果并达到加深理解、领悟科学才是其关键,本研究总结的验证型STEM教育应用基本步骤如下:

(1)明确问题。验证型STEM教育应用的目标是完成对已知结果的验证,该结果既可以由老师给定,也可以由学习者提出,同时该结果既可以是某种现象,也可以是某条定律。

(2)设计方案。设计方案的第一步是必须确定要验证的现象,因为定律也必须通过现象来验证,然后再根据现象设计合适的验证方案,其核心是实现现象的可观察或可记录性。

(3)评估方案。考虑到方案实施的代价,实施方案必须经过师生协同评估,评估的重点包括现象和定律之间的充分性(验证定律)和方案的可行性(包括安全、成本、作用等内容)。

(4)实施方案。在完成方案的可行性评估之后,学习者可以开始验证计划,本步骤的重点是现象的观察和记录,如果遇到无法解决的状况一定要重新回到步骤2进行新的设计。

(5)分析数据。通过对观察得到的数据和现象进行分析,并结合必要的现象和定律之间的充分性得出本次验证的结果,如果无法验证,分析可能存在的原因,并回到步骤2进行新的设计和实施。

(6)分享反思。反思本验证方案的有效性和可改进性,并分享自己的验证过程,总结本次验证掌握的技能。

(二)探究型STEM教育应用

探究型STEM教育应用的目标是去发现并解释学习者未知的现象,无论是探究过程还是解释现象都将综合运用STEM知识,从而培养学习者的科学探究精神和能力。探究型STEM教育应用的本质是探究型学习在STEM教育中的特定应用,其应用基本步骤如下:

(1)发现问题。探究型STEM教育应用需要学习者自己去寻找需要探究的问题,根据教师限定条件的多少,学习者发现的问题具有一定的指向性,但绝对不能是限定的,发现问题的能力也是STEM素养的重要组成部分。

(2)收集证据。收集证据是探究型STEM教育应用的最重要环节,根据探究问题的类型,证据收集过程可以分为三大类:一类是直接观察类,此类过程学习者无需借助任何设备直接靠人体自身感知即可;另外一类是仪器记录类,此类过程学习者需要借助现有的仪器或设计新的仪器来记录数据,发现规律;最后一类则是设计交互类,此类过程学习者需要设计专门的交互方案,通过不断的交互完成环境的准备、问题现象的触发和对应数据的收集工作。与验证型STEM教育应用类似,探究型STEM教育应用的收集证据过程也可以细化成设计方案、评估方案和实施方案三个阶段。

(3)分析数据。对于探究型STEM教育应用而言,数据分析的过程要比验证型复杂得多,验证型的数据分析结果是确定的,而探究型则是未知的。数据分析可以采用结论推导的方法,也可以采用猜想验证的方法,数据分析的成果是可以描述的现象或规律。

(4)解释结论。考虑到证据收集和数据分析的复杂性和不确定性,学习者必须从理论的角度来解释观察到的现象和规律,否则极有可能得到错误的结论。考虑到解释结论又可能超出学习者的能力,相互协作和教师支持是必需的。

(5)分享反思。当学习者完成了问题的发现和探究以后,学习者需要反思本探究问题的可渗入性及可迁移性,培养更好的问题发现能力;归纳整个证据收集过程和数据分析过程的方法,并考虑必要的改进;同时完成相关方法和结论的发布分享。

(三)制造型STEM教育应用

制造型STEM教育应用的目标是让学习者通过STEM知识的综合运用去完成一个已有形态物品的生产和改良,其核心是学习者的工程实践能力的培养。考虑到学习者必然经历一个从模仿到改进的过程,本文总结的制造型STEM教育应用的基本步骤如下:

(1)情境引入。制造型STEM教育应用的目标是完成一个具有实际应用价值的物品生产,并在生产过程中培养学习者的STEM综合能力,所以对于制造型STEM教育应用来说,情境引入有两方面价值:一方面是理解将要完成的物品的应用价值,激发学习者的参与热情;另一方面则是通过情境的介绍让学习者更好地领悟物品的应用场合,激发学习者的改进热情。

(2)设备培训。此处所指的设备包括工具、零件和材料。制造型STEM教育应用目标的完成离不开设备的支持,为了让学习者更好地并且更安全地使用设备,专业的培训是必要的。但需要注意的是,这里的设备培训并不是把所有设备的使用全部讲一遍,而是只针对本次将会用到的功能做一个简单的介绍,让学习者在后面的模仿中深入学习,重点强调设备使用的安全规则。

(3)模仿制造。模仿制造环节的关键是让学习者尽快地完成制造,感受制造带来的快乐,所以教师在这个环节只需要描述怎么做,不需要讲解其中的原理和知识要求,学习者自然会跟着模仿,无需深入思考,从而尽快达成目标。

(4)知识讲解。当学习者完成了既定制造目标后,自然就会从欣赏作品过渡到思考原理,这时候教师再开始知识点的讲解会起到更好的效果,包括工作原理、加工要点、设计理念等内容。

(5)协同改进。模仿的目标是为了更好地改进,当学习者了解了自己所完成作品的工作原理和应用情境后,就有可能激发学习者的创新意愿,通过小组之间的协作对原有设计进行合理地改进,制造出更有价值的作品。

(6)分享反思。当学习者完成了改进后的作品以后,需要总结此次制造项目掌握的技能、设计思路以及改进方式,并通过与不同学习者之间的分享交流,享受制造的乐趣,提升参与制造的热情。

(四)创造型STEM教育应用

创造型STEM教育应用的目标是让学习者通过STEM知识的综合运用去完成一个创新物品的设计和制造,其核心是创新性的实现,是基于设计的学习在STEM教育中的特定应用。当然,在实际的应用中,创新物品的方向是有指向性的,否则,学习者会出现因选择太多,无从入手的情况。从基于设计的学习模式出发,创造型STEM教育应用基本步骤如下:

(1)情境引入。创造型STEM教育应用的目标是完成一个创新物品的设计和制造,虽然非物化作品的设计也在创新这列,但考虑到成果验证的方便性,STEM教育中的创新以物化成果为主。创新来自于生活中的问题,所以教师需要引入极具吸引力的情境激发学习者从中寻找需求并明确创造方向。

(2)创新引导。当学习者有了明确的目标以后,教师需要从两方面对学习者的创新进行引导,一方面是创新的方向,教师需要根据学习者确定的创新物化目标提供可行的创新方向和思路指导,具体的创造行为由学习者完成;另一方面则是创新的可行性,教师需要对学习者的创新目标进行可行性分析,防止学习者设定一个在当前条件下无法实现的创新目标。

(3)协同设计。当学习者有了切实可行的创造目标以后,就可以采用小组协作的方式,让每个成员从自己的专业背景出发,完成作品的结构、机械、电子、传动、外观、动力、人机交互等方面的设计,并进行必要的评估,设计—评估—再设计是一个迭代过程,直到得到一个大家都认可的设计方案为止。

(4)制造验证。有了详细的设计方案以后,学习者就可以开始进行作品的实际制造过程,考虑到设计和制造之间的差异性,一旦在制造过程中出现无法解决的问题,学习者必须回到步骤3进行设计的修改。

(5)应用改进。当完成了创新作品的制造以后,学生就可以把它放到现实的环境中进行有效性的验证,包括自身功能和用户体验两方面,并形成改进意见,必要时重新回到步骤3开始新一轮的设计过程。

(6)分享反思。当学习者完成了自己认可的创新作品以后,教师需要鼓励学习者进行必要的产品文稿设计和展示包装,并进行充分地作品分享,通过分享让学习者喜欢上创新,同时通过分享中的观众交互,反思作品的进一步改进。

三、结束语

STEM素养对于一个国家的国际竞争力、经济发展水平以及国民素质都有着重要的意义,这一切都需要靠STEM教育的正确开展来完成,所以说STEM教育具有极其广泛的应用前景。本文从不同STEM教育应用学习成果把STEM教育应用分成了验证型、探索型、制造型和创造型,但这样的分类并不是绝对的,它只考虑了学习者的最终成果。若从中间过程考虑,验证、探究、制造和创造是有可能交替出现的,所以教师在使用时需要围绕目标,从学习者特点、学习环境等因素出发进行灵活选择和综合应用,使STEM教育的效果达到最好。

作者:傅骞 刘鹏飞  来源:《中国电化教育》

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