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STEM课程的内涵与案例设计

作者: 来源: 日期:2021/6/19 20:50:57 人气:30 加入收藏 评论:0 标签:

         STEM课程的内涵与案例设计

何仕阳

【摘 要】STEM教育的兴起和“众创空间”的建设,着力于培养学生具有较强的信息意识与创新意识,养成数字化学习习惯。作为一名未来的教育工作者,应主动认知STEM教育的内涵,提高开展STEM课程教育的能力。本文重点从全面认识STEM教育的内涵、有效开展STEM课程教学、尝试设计STEM课程的案例三个方面来浅谈自己学习和实践的观点。

【关键词】STEM;教育;技能;素养

从课程角度讲,我们的知识是综合的,培养的能力是开放的。2016年教育部出台的《教育信息化“十三五”规划》中明确指出有效利用信息技术推进“众创空间”建设,探索STEM教育、创客教育等新教育模式,使学生具有较强的信息意识与创新意识,养成数字化学习习惯,具备重视信息安全、遵守信息社会伦理道德与法律法规的素养。对于一个未来教育工作者来说,理解、学习STEM,培养STEM教育素养是一门必修课。

全面认知STEM教育的内涵

对于教育工作者来说,开展STEM教育很难,它涵盖的学科都有各自的空间,现从四个方面来谈STEM教育内涵。

S(Science)是科学,解释存在、物体、事件,以及物体和事件的原理和原则,解释它们之间的关系,解释自然界(物理、化学、生物)、地球及空间科学,需要寻找实证性数据去证明和推出论点。

T(Technology)是技术,对工具、机器、技术、手工、组织体系和方法的制作、使用和了解掌握,其目的是解决问题或者执行具体的功能。技术包涵农业技术、工业技术、信息技术、交通技术等,使用恰当的技术不仅能够沟通、解决问题,还能获取、管理、整合、评估、设计和创造信息,从而助力其他学科领域的学习。

E(Engineering)是工程,基于应用数学、科学和技术领域的概念进行科学项目的研究和发展,目的是生产出特定的产品以解决问题。如小到电动牙刷的设计制造,大到高铁、大飞机,都是针对创新活动所开展的工程。

M(Mathematics)是数学,研究数学、形状、结构、变化这些概念之间关系的一种抽象性代表体系。基于算术、代数、函数、几何、统计、概率等,通过假设的逻辑论证证明论点。

STEM教育融合了手工、3D打印、机器人、编程、单片机、AI 、VR、科学教育、科学实验、科普等学习活动;旨在打破学科领域的界限,整合课程,倡导基于项目的学习方式,强调体验性和实践性,是一种新的教育理念和学习方法。

有效开展STEM课程教学

1.制定分解课程目标

如果要了解STEM课程,尤其是了解它们之间的关系,就不能孤立其中任何一个部分,只有在交互中,在相互的碰撞中,才能实现理解性的学习,深层次的学习。针对某一内容的STEM教学应在课程的综合联系中制定教学总目标,分解各内容阶段性具体目标。

下面以初中科学“物体热传导的综合性探究”为例来谈谈如何制定并分解课程目标。“现有100℃的水200g,20℃的铝200g,水的比热是铝的五倍,问:能否得到90℃的铝块(铝块不能分割并要整体受热)?”针对这一问题,科学知识是比热、热能,技术层面是实验过程保持物体初态温度的恒温,工程层面是用一定的方法实现热传导,数学层面是计算具体的操作量。为此,制定的教学总目标为:能运用比热、热能及物体间热能传递的知识,通过精确计算,巧妙实施,掌握物体间热能充分交换的科学方法。阶段性目标是:掌握比热和热能的知识;了解物体热能交换的方法;开展物体热传导的实验;能够利用物理公式和数学计算进行总结论证。

可见,当教师在考虑如何将STEM教育引入中小学课堂时,可按照“分解—整合—再整合”的方法去制定课程教学目标。

2.选择教学内容

首先,内容选择上要有“拓展点”。STEM课程应以培养学生核心科学素养为导向,尊重差异,为不同层次的学生提供合适的基础内容。在开展课堂活动时,积极引导和鼓励学生在已知的基础上作“未知领域”的延伸与拓展,让学生学有所宽;若教学内容是基于创新与挑战的,就要联系教学总目标筛选与提炼,将教学内容分层,让学生学者有所获,能者有所长,体现STEM课程主动学习、因材施教的“立意”。

其次,课堂模型构建要有“生长点”。围绕教学总目标进行课堂模型设计,从另一个角度讲就是STEM课堂的各个环节设计。以提出问题环节来说,针对教学内容预设一个学习问题,就学习问题进行建模,可以将问题作为学生学习的种子,学生的认知作为枝叶,让学生的知识有个“生长点”。课堂模型体现结构的逻辑性、认知的规律性、内容的整合性。STEM课程的四方面内容是并列关系的,把握“梯度”进行层级排列,不能前后颠倒。

3.注重学习方法

STEM教育并不是固定的某一门学科或者某一类课程,它的核心是一种理念,即“探索式学习”。它融入到中小学教育中的体现就是:学科老师不再进行单方面的知识输出,简单地告诉学生们理论知识,而是带领学生结合科学、技术、工程、数学知识,进行自我探索,提出疑惑、探寻结论。在STEM教育开展前,引用LU-HSSSE高中学生投入度调查数据:每三个学生中有两个感到课程很无聊;85%的学生不得不学,15%的学生拥有内在动力。在STEM教育开展后,美国2011年NAEP项目报告显示,在课堂上动手做项目的学生分数更高,在科学项目上有合作的学生成绩更高。清华附中每天泡在实验室里的STEM迷高考平均分数为685.37分。从众多的例子中说明,开展STEM教育的学生通过真实性的科学探究,更能理解科学概念和原理,掌握科学研究方法,锻炼科学思维,发展科学精神,从而全面提升科学素养。

STEM课程案例设计

1.挖掘STEM课程案例设计的内容

图1 “挑战一张A4纸的极限载重”案例

STEM课程强调以学生为中心,强调学习经历和结果的开放性,强调对学生设计能力和解决问题能力的培养。由于实际问题具有复杂性,并不是用单一学科的知识就可以解决的,这就需要我们用STEM课程去解决。在中小学教材中有许多内容适合设计STEM课程,值得我们去挖掘。如人教版小学科学五(上)“光是怎样传播的”一课,就适合开展STEM教育。该课的问题引入点是“设想光的传播可能”,让学生就光的传播展开丰富的想像,在学习前设想诸多的可能性,提出诸如“光是发散传播的,理由是我们看到教室的灯一开,整间教室都亮了”“光是一团,还是一条线”等问题。为验证“光是沿直线传播的”这一观点,可以建构涉及光源、材料、视觉感知等的知识,设计并完成诸如“如何将光源发出的光聚集成一条光线”“设想证明光线直线传播的实验”“制作一个光传播路径演示器”等探究活动项目。在课堂上,学生用激光笔照射有着大小、位置相同的小孔的四张卡纸。第一次照射时,让四张卡纸排成一条直线;第二次照射时,让四张卡纸的排列不成一条直线。结果会发现,第一次实验中激光笔的光线能通过,第二次实验中激光笔的光线不能通过,从而验证光是沿直线传播的这一观点。像“光是沿直线传播的”这样的教学内容,就可以利用STEM课程实践操作式的问题解决方法,通过完成项目,让学生了解到与之相关联的科学、技术和数学等领域的各类知识,并思考如何将这些知识连接起来。

2.构建项目链设计STEM课程案例

STEM教育打破了“坐着不动的课堂”,鼓励学生做中学、玩中学,形成以主动、探索、体验、创作为特征的新型学习方式,基于问题或项目的教学设计模式逐渐健全。在选择合适的案例内容后,先制定教学目标,然后将教学目标分解为项目模块,再将模块组合成链,形成教学模型。其基本形式可归纳为:问题提出—知识构建—项目设计—问题解决。其中,项目设计为主线,要能让学生在学习过程中完成一个或几个项目,将工程和技术的原理、方法融入完成项目的整个过程中。例如,设计“挑战一张A4纸的极限载重”案例链式模型如图1所示。

3.预设多样的学习方式提高STEM课程的活性

开展STEM课程教学时,应重视教学活动的组织形式,活跃课堂气氛。在STEM课程案例设计时预设多样的学习方式可为课程的教学做好铺垫。模拟实验、项目式学习、动手制作、小组协同等视为STEM课程学习方式的常见形式,学生在这些学习方式的助力下挖掘和利用资料进行问题探讨和专题研究,不仅活跃了课堂气氛,更能使学生在实践探索中掌握科学知识和科学方法,形成科学精神。

总之,作为一名未来的教育工作者,应积极培养和提高自身进行STEM课程教学和设计的能力,提炼科学、技术、工程、数学之间存在的相互支撑、相互补充、共同发展的关系,致力于培养能够面向世界、面向未来的新一代。


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