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STEM教育的核心
吕立晨 | 随笔反思 | 2018-10-11 16:19:33  |  收藏  |  阅读33次


一、STEM综合素养:

STEM教育目标的核心

20世纪80年代,STEM教育的出现源于美国对科技人才缺失的反思。他们试图通过STEM教育使中小学生具有STEM素养,为他们有志于从事科技创新,具备科技创新素养奠定基础。所以,美国政府的STEM计划实际上是为了应对国际社会的日益竞争,提升美国的科技实力而实施的一种科技战略。他们的目标是鼓励学生主修科学、技术、工程和数学领域,“增加追求STEM领域的高学位或投身STEM相关职业的学生数量”,加大科学、技术、工程和数学教育的投入,“增加具备STEM能力的劳动力”。STEM教育成为培养科技人才,提升国民科技素质,应对国际竞争的关键。因此,世界各国把STEM都提高到国家战略的地位,开始积极推动和实施STEM教育。

科技人才的缺乏在我国同样存在,甚至更为严重。“根据2013年麦肯锡全球研究所研究报告估算,2020年的中国将面临2200万人的工程技术人才缺口。这其中很大部分属于懂得计算机、网络的高端人才”。我们不仅面临科技人才匮乏的现实,而且也缺少科技人才的后备力量和持续发展的力量。我们大量的高中毕业生在高考填报志愿时,选择的是金融、经济、法律、管理等面向第三产业的专业,而除了计算机技术之外,选择理工科专业的大大减少。一些优秀学生因为工科专业又苦又累而不愿选择。科技人才匮乏的危机在学校,希望也在学校。所以,能否为未来社会培养出大批高水平的科技人才,关键在我们的基础教育是否能够培养中小学生的STEM素养。培养他们对科学和技术的兴趣,为他们成为科技人才和具有STEM素养的技术工人奠定基础。

基础教育阶段培养中小学生的STEM素养。STEM素养是一种综合性素养。其素养的综合性有两个方面的体现:一是体现为内容上的综合,二是体现为形式上的综合。

在内容上,STEM是科学、技术、工程和数学四个领域的综合。不同于以往的四个学科,STEM是四个学科的综合,这种综合不是简单的集合和拼凑,而是围绕一个问题或项目,运用多学科知识解决问题,因此是一种综合性的项目学习。在这样一种综合性的项目学习中,通过运用科学、技术、工程和数学四个学科的知识,综合形成学生的STEM素养。第一,科学素养。科学是技术的基础,为技术发明和运用提供依据。因此,科学素养是旨在使学生掌握科学知识、科学规律,形成科学精神。第二,技术素养。技术是科学的运用,是科学的具体化。技术素养指向学生掌握、运用、评价和发明技术的能力。第三,工程素养。工程是技术的实际运用。技术素养指对技术的工程设计与开发过程的理解、技术的评价与反思。第四,数学素养。无论是科学、技术和工程都离不开数学,数学是掌握科学、技术和工程设计的工具。在这个意义上,数学素养是根基。它要求学生掌握数学知识、数学定理,能够进行数学运算,具有数学推算的能力。STEM素养包含科学、技术、工程和数学四个方面的素养,这四个方面是环环相扣的,科学是根基,技术和工程分别是科学和技术的运用,数学作为工具运用在科学、技术和工程之中。STEM素养是综合运用科学、技术、工程和数学领域的知识解决实际问题的能力。

在形式上,STEM是知识、方法、技能、能力、态度等多元素的综合。没有科学知识为基础就不会有技术的创新。技术的创新没有态度和情感的引导,缺少创新的动力和创新的价值。所以,STEM素养既不单指知识,也不单指创新能力,而是知识、技能、能力、情感等因素的综合。当然,每个因素又是多种因素的综合,如科学技术知识涉及数学、物理、化学、生物、地球、信息等,技能包括学习与创新技能、媒介数字素养技能、职业和生活技能。能力包括思考与问题解决能力、探索学习能力、科技实践能力、创意革新能力。STEM因培养科技人才,应对国际科技竞争而兴起,因此,最初STEM指向科学技术教育和创造、运用。但鉴于科技的两面性,科技需要人文加以引导,因此,STEM就增加了Art,变为STEAM。这里的A,最早是韩国提出的,指的是艺术。后来美国把"A"也吸纳进去,赋予了它更广泛的含义,不仅仅指艺术,还包括人文、语言、文化、社会学等十多门学科。A的加入,不仅培养学生对科技的向往和热爱的情感,对STEM领域的态度和兴趣,而且引导学生形成正确的科技观、科技运用观,防止人在创造技术之时,又被技术所异化,成为只有技术而无人性的单面人。

二、整合性:

STEM课程的核心精神

与分科课程相对,STEM是一种综合性课程,这是毫无疑问的。它与分科课程的关系有两种认识,一种是以STEM课程取代传统的数学、物理、化学、生物等分科课程,对其内容进行充分整合,组成一门新的STEM课程。另一种是把STEM课程作为一种后设课程,即在分科课程之后设置的课程,指学习者在学习分科课程之后再学习STEM课程。前者以STEM课程取代与科学、技术相关的分科课程;后者则是在分科课程的基础上,综合运用STEM的知识,研究和解决工程问题。笔者更倾向于把STEM作为分科课程之后的后设课程,是对分科课程知识的综合运用,进行科技创新,解决实践中的问题。笔者不主张用STEM课程取代分科课程,因为分科课程以学科知识本身的逻辑来组织,它使学生能够集中、快速有效地获取系统的基础知识,其劣势就在于没有任何一个现实问题是能够运用一门学科的知识解决的。STEM课程在于综合运用各门学科的知识解决现实问题,这是它的优势,但劣势在于各门学科都用到,但却无法获得系统的学科知识。如果没有分科课程保证学生获得系统的知识,仅靠STEM课程不可能有效地掌握系统的知识。如果没有系统学科知识,也谈不上综合运用知识进行科技创新和解决实践问题。所以,笔者主张STEM课程成为分科课程的后设综合课程,分科课程是学习STEM的基础,STEM是对分科课程知识的综合运用和深化发展。学生对分科知识掌握得越系统,解决实践问题时综合运用知识的能力就越强。所以,STEM的综合是建立在学科基础上以及学科与社会、学科与个人之间的联系上。

STEM是科学、技术、工程和数学的综合,之所以综合它们,不仅是因为它们是解决科技问题的需要,而且因为这四门学科具有相通性和渗透性,它们本身在解决现实科技问题时是一个整体。整合是STEM的最突出特征和要求。整合不是四门学科的汇集,它强调对知识的综合应用和对学科之间关系的关注。“将重心放在特定问题上,强调利用科学、技术、工程和数学等学科相互关联的知识解决问题,试图从多学科知识综合应用的角度提高学生解决实际问题的能力”。

STEM课程是通过对科学、技术、工程和数学四个领域的整合而形成的综合课程。其综合的程度不同,形成相关课程、融合课程和核心课程。

第一,STEM相关课程。相关课程是在保留原先分科课程的基础上,寻求四个学科之间的共同点和交叉点,使这些学科能够按照互相照应的顺序进行。这样的课程不改变原先的课程,需要四个学科的老师一起备课,看看哪些主题具有相关性,按照相关的主题进行教学。在教学中,以其中的一门课程为主,其他课程是辅助式的。比如学习物理学,需要相应的数学为基础,同时,把物理的结论应用于工程技术实践之中。这样的课程只需要四个学科的老师协调,不改变课程本身。

第二,STEM融合课程。融合课程要消除分科的界限,将四门学科的知识整合为一个新的领域。这样的课程依托于科学、技术、工程与数学,内容具有高度的整合性。融合课程涉及到多个学科,它需要一个大的主题单元才能把相关的内容纳入其中。因此,也称为广域课程。融合课程、广域课程更多地是强调在一个相对广阔的主题下融合各个学科,如同前面分析的,仅靠STEM融合课程难以保证学生获得相应学科的基础知识。

第三,STEM核心课程。融合课程更多地是整合科学、技术、工程与数学的知识,核心课程则是以科技或工程问题为核心,根据解决问题的需要,让学生通过活动,组织所需要的科学、技术、工程与数学的知识,形成连贯、有组织的课程结构。STEM核心课程偏重于知识的综合运用,适宜于在学习分科课程之后进行,它主要是检验知识的运用,培养学生综合运用知识解决问题的能力。

相关课程、融合课程是基于学科知识不同程度的综合,相关课程通过寻找分科课程中知识之间的交叉点和共同点,对原有的学科课程知识进行重组,通过序列化串起这些学科的知识。相关课程依托分科课程,它不主张取消分科课程。而融合课程则主张打破原有的分科课程的界限,按照跨学科的逻辑,将各学科的内容改造为以问题为中心组织课程。虽然相关课程与融合课程都以知识为取向,但相关课程更偏于获得系统的基础知识,融合课程更强调通过学生探究,自主解决问题,促进学生对知识的理解和建构,培养学生的科学探究精神、掌握科学探究的方法,形成解决问题的技能和自主创新的能力。

核心课程不是知识取向,它围绕着重大社会问题而组织。如何选取核心课程的问题,也有社会本位和儿童本位两种不同认识。社会本位的核心课程以当前社会值得关注的、重要的社会问题,诸如环境污染、生态危机、人口增长、可持续发展等,来组织和编排不同学科的知识内容,使学生通过这些问题的探索不仅学得相应的知识,而且增强社会责任感。学习者(儿童)本位的核心课程,是充分考虑到学习者(儿童)的需要,以学习者(儿童)当下的生活与经验为核心,通过相应的活动,在经验中寻找各学科整合的模式。核心课程“一般采用基于项目的学习模式(project-based learning),以实践性的项目完成为核心,将跨学科的内容、高级思维能力发展与真实生活环境联系起来”。

就STEM而言,相关课程、融合课程的知识整合取向和核心课程的社会本位、儿童本位取向侧重点不同。但就设计STEM课程的初衷而言,主要是强化学习者创新实践能力,所以,笔者认为社会取向的核心课程更为适合STEM课程。

社会取向的核心课程,第一,必须包含数学和科学。数学和科学是STEM的基础学科。没有数学和科学的基础,STEM就可能成为创造发明课,甚至是低级的项目设计活动。因为离开了系统的科学知识,创造发明就成为无源之水、无本之木。虽然STEM不能局限于知识学习,但必须基于知识学习,而且是知识的综合学习。其知识学习以科学和数学为基础,且强调学科间的联系。第二,以工程设计作为STEM课程的架构。数学和科学是STEM的暗线,工程是STEM的明线。STEM就是要利用工程设计的整合作用,“所谓‘工程设计’是工程师用于解决工程问题的方法,通常是指为了让某种设备或过程服务于某种特定目的的最佳方案。”基于工程设计的项目可以有多种选择:任务项目、学科项目、问题项目。通过项目学习,激发学生对科学和技术的兴趣,发展综合运用知识和整合知识的能力。第三,STEM的课程要基于真实的情景。STEM工程设计面向生活,尤其是学生能够接触到的日常生活、社会生活,所要解决的问题必须是真实问题,做到真问题、真探究。

三、探究性:

STEM教学策略的核心

STEM固然是一种融科学、技术、工程与数学为一体的课程,但如果这个课程不能够运用恰当的方法进行教学,也构不成一个STEM课程。STEM课程其实施策略也有特定的要求。如同前面所述,STEM暗线是科学和数学,明线是技术和工程。科学和数学是技术和工程的原理和基础,技术体现在工程之中。STEM课程基于工程设计的项目为架构,利用工程设计整合课程内容,产生具体项目,把科学、数学的基础知识和技术能力融合在工程项目之中。所以,STEM课程的学习要求一种基于问题的探究性学习,强调实践探究与工程设计。这也是STEM中E(工程)的含义与要求。

根据综合运用科学、数学和技术的知识解决工程中问题的要求,STEM的教学主要步骤有:

(一)发现问题

STEM学习是探究性学习,探究必须从问题开始。STEM的问题是基于生活情景的真实问题,这个问题可以由教师给定,也可以学习者自己发现。教师给定的,属于验证某个结论的,这样的探究具有模拟性。学习者发现的问题,如果没有一定的限定条件,与科学家发现问题完全一样,本身不是学生的学习。因此,STEM的问题既需要开放和创造,也需要一定的限定。教师要在一定的条件下引导学生发现问题,发现问题是STEM的开端。

(二)提出假设或设计方案

科学假设是科学理论的一种可能表达。科学研究之所以不是盲目的尝试,就在于它是有根据的,是一个提出假设、求证假设的过程。科学假设是根据已有的科学知识和观察到的事实,对所研究的问题提出的一种猜测性陈述、一种可能性的解答。假说是一种猜想,但不同于无端的猜想,它是基于已有的科学知识和新的科学事实作出的一种科学假定,因此,假说是科学性和假定性的统一。提出假设固然要基于科学原理和事实,但假说的提出更需要思维的提炼。对于工程问题而言,提出假设的过程也是制定方案的过程。

(三)科学求证或实施方案

假说是否是真理,需要科学验证。这种验证需要收集证据,需要对证据进行分析和验证,需要科学实验,也需要逻辑思维。证据收集是科学求证的第一步。证据可以来自于观察,也可以来自于实验,还可以基于科学原理的逻辑推理。求证过程中,需要对证据进行验证,显示其科学性。对于工程问题而言,就是要把设计的方案付诸实施,从而验证方案。如果无法验证或者验证不成功,就需要返回到步骤2,重新提出假说。因此,STEM是一种基于证据的学习。

(四)得出结论或评估方案

科学假设通过科学求证和数据分析,对假设进行验证:假设是否成立,是否需要修正,等等,都需要通过科学验证后得出定论。由于科学研究的复杂性,一次实验求证不一定都能得出确定的结论。因此,它需要不断修正方案,不断进行验证,进而不断地修正结论。对于科学研究来说,这个过程看中的是结果,但对于STEM的学习而言,过程比结果重要,因为在过程中培养了学生的探索精神和解决问题的能力。对于工程问题而言,就是要根据方案的实施情况对方案进行评估,验证其效果,进而进行修正和完善。


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