非正規(guī)教育環(huán)境下青少年STEM教育活動的設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究

葉兆寧 郝瑞輝 王 蓓

?

非正規(guī)教育環(huán)境下青少年STEM教育活動的設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究

葉兆寧 郝瑞輝 王 蓓①

STEM 教育日益成為美國教育發(fā)展戰(zhàn)略的重中之重，也吸引了世界許多國家的關(guān)注和重視。如何在校外科學(xué)場館等非正規(guī)科學(xué)教育環(huán)境下，將科學(xué)教育、技術(shù)教育、工程教育和數(shù)學(xué)教育融合起來，成為新的研究熱點(diǎn)。本研究借鑒國外先進(jìn)的科學(xué)教育模式和經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合中國目前的科學(xué)教育實(shí)際，開發(fā)適合青少年開展的非正規(guī)教育環(huán)境下的STEM課程。本文重點(diǎn)介紹切實(shí)可行的三個(gè)活動方案和5E教學(xué)策略，用于培養(yǎng)青少年的探究技能和綜合解決問題的能力。

非正規(guī)教育環(huán)境；STEM；5E教學(xué)策略

一、 非正規(guī)教育環(huán)境與STEM教育

青少年對世界充滿好奇心，善于發(fā)現(xiàn)生活中的問題，喜歡探索。保護(hù)他們的好奇心，并引導(dǎo)他們正確地探究問題，提高解決問題能力，是科學(xué)教育的一個(gè)重點(diǎn)。研究表明，兒童生而具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，他們?nèi)狈Φ氖侵R和經(jīng)驗(yàn)，而并不缺乏推理能力[1]，可以在有效的引導(dǎo)下，學(xué)習(xí)更多的基本知識和技能[2]。

然而，學(xué)校的科學(xué)課由于時(shí)間和場地限制，只選取一些簡單、易操作的內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)，而學(xué)校外的科學(xué)教育機(jī)構(gòu)，如博物館、科學(xué)中心和課外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，可以為孩子們提供更廣闊的課外活動場所和豐富的活動內(nèi)容，主題也能更貼近青少年的日常生活，用科學(xué)探索解決生活中的問題。研究表明，在這些非正規(guī)教育環(huán)境下開展的科學(xué)教育，采取的方式更加多樣化，在提高公眾對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的興趣和理解上，起到非常重要的作用[3]。

如今在國際上盛行的STEM教育正是與青少年的生活緊密相關(guān)，以解決實(shí)際問題為導(dǎo)向，結(jié)合科學(xué)(Science)教育、技術(shù)(Technology)教育、工程(Engineering)教育和數(shù)學(xué)(Mathematics)教育，把學(xué)生學(xué)習(xí)到的零碎知識與機(jī)械過程轉(zhuǎn)變成一個(gè)探究世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的過程[4]。STEM活動有如下特點(diǎn)：

1. 綜合性——STEM 教育將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)相結(jié)合，以整體、聯(lián)系的思維模式解決各種現(xiàn)實(shí)問題的挑戰(zhàn)，體現(xiàn)出學(xué)科的綜合型[5]。

2. 實(shí)踐性——非正式教育環(huán)境下開展的STEM活動大多以場館資源為依托，通過互動體驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的邏輯思維能力，弱化學(xué)習(xí)者對于知識的記憶，注重內(nèi)容的拓展與深化，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建知識體系。

3. 靈活性——STEM活動大多是以小組的形式有序開展，學(xué)習(xí)者可自主選擇學(xué)習(xí)時(shí)間、地點(diǎn)、學(xué)習(xí)內(nèi)容，選擇的自由度較大[5]。

博物館、科技館等非正規(guī)教育環(huán)境可以依據(jù)豐富的場館資源，開展相關(guān)主題的STEM活動，一則可以提高青少年對科學(xué)、場館的興趣，對展品的興趣，二則可以培養(yǎng)和發(fā)展青少年解決問題的能力、探究精神和綜合實(shí)踐能力，為國家培養(yǎng)創(chuàng)新人才奠定基礎(chǔ)。在國家大力倡導(dǎo)創(chuàng)新教育的今天，非正規(guī)教育環(huán)境作為學(xué)校教育的補(bǔ)充，同樣有著為中小學(xué)?？破战逃?wù)的義務(wù)與責(zé)任。

為了探索如何在非正規(guī)教育環(huán)境下，通過整合課內(nèi)外資源，進(jìn)行面向青少年的系統(tǒng)性的STEM教育實(shí)踐。我們借鑒美國、法國、英國等國家先進(jìn)的科學(xué)教育模式和經(jīng)驗(yàn)，遵循科學(xué)教育的原則，結(jié)合中國目前的科學(xué)教育實(shí)際，采用基于動手動腦的探究式學(xué)習(xí)模式，針對青少年開展非正規(guī)教育環(huán)境下的科學(xué)教育項(xiàng)目，探索適合非正規(guī)環(huán)境下開展STEM活動課程。旨在以青少年日常生活為出發(fā)點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)讓孩子們在親自參與過程中動手、動腦，從小培養(yǎng)青少年綜合解決問題的能力和各方面探究技能。

二、 非正規(guī)教育環(huán)境下的STEM活動實(shí)例

活動實(shí)例一：搭建高塔

“搭建高塔”是一項(xiàng)以挑戰(zhàn)結(jié)構(gòu)高度和穩(wěn)定性為主要任務(wù)的活動。其中需要考慮的核心問題包括：什么樣的結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定？用什么樣的材料？材料之間如何連接？

低難度版(7～10歲)

活動任務(wù)：用條形意大利面和棉花糖為材料搭建一個(gè)又高又穩(wěn)的塔，棉花糖用于意大利面的連接，塔的頂端也要固定一顆棉花糖。

活動材料：意大利面、棉花糖

限制條件：每組意大利面20根，棉花糖數(shù)量不限

高難度版(11歲以上)

活動任務(wù)：用條形意大利面搭建一個(gè)又高又穩(wěn)的塔，其頂部必須能安穩(wěn)地放置一顆棉花糖。用棉線和標(biāo)簽貼作為連接材料。制作前要先繪制好設(shè)計(jì)圖，明確結(jié)構(gòu)原理。高塔可以不斷測試改進(jìn)，以求最佳效果。

活動材料：意大利面、棉花糖、棉線、標(biāo)簽貼

限制條件：每組20根意大利面、1顆棉花糖、1卷棉線、20個(gè)標(biāo)簽貼。不得任意彎折或剪斷意面。

活動設(shè)計(jì)思路

該活動將科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)相結(jié)合，以搭建高塔這一工程任務(wù)為切入點(diǎn)，其中需要學(xué)生學(xué)習(xí)影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素：支撐面積、重心、結(jié)構(gòu)的幾何形狀、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等科學(xué)知識，并在高塔搭建時(shí)運(yùn)用這些知識；還需要學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中，考慮到材料數(shù)量有限，計(jì)算材料的分配；在制作過程中考慮到連接技術(shù)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

活動特點(diǎn)

在組織這個(gè)活動時(shí)，學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的形狀和鏈接的方法，教師不需要給學(xué)生提供樣本或制作的步驟，只需要幫助他們完成他們所想的，當(dāng)他們遇到困難的時(shí)候協(xié)助他們解決。因此，學(xué)生通過理解任務(wù)和限制條件，開展設(shè)計(jì)、制作、測試和改進(jìn)等環(huán)節(jié)，同時(shí)學(xué)生能在制作的過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題；在和學(xué)生的交流過程中相互學(xué)習(xí)；在測試和改進(jìn)中學(xué)習(xí)影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素。在活動的最后，教師將看到每一個(gè)小組的作品是不同的，都有著各自的特點(diǎn)。

在這樣的活動中，教師所關(guān)注的不再是固定的流程和制作步驟，而是學(xué)生的創(chuàng)造性和解決問題的能力，這也是STEM教育的核心要旨。

活動實(shí)例二：LED穿戴式設(shè)備

“LED穿戴式設(shè)備”是一個(gè)以電路設(shè)計(jì)為主要任務(wù)的STEM活動內(nèi)容，適合于四年級以上的學(xué)生，因?yàn)樗哪昙壍膶W(xué)生已經(jīng)通過科學(xué)課程學(xué)習(xí)了相關(guān)的電學(xué)知識，具備一定的知識基礎(chǔ)。且中高年級的學(xué)生已經(jīng)掌握了一定的操作技能。該活動中需要考慮的核心問題包括：如何用電源、導(dǎo)線和LED燈搭建一個(gè)電路？如何設(shè)計(jì)穿戴式設(shè)備上的電路？它的作用是什么？如何連接電路？如何推銷我們的產(chǎn)品？

小學(xué)生版

活動任務(wù)：用電池、導(dǎo)線、LED和開關(guān)為鏈接電路的材料，設(shè)計(jì)和制作一個(gè)可穿戴的物品，再將電路安裝在該物品上，制作成一個(gè)獨(dú)特的可穿戴式LED作品。

活動材料：每組一份塑料眼鏡、發(fā)箍、LED燈、紐扣電池、開關(guān)、導(dǎo)線、透明膠、雙面膠、剪刀、工具刀、彩色卡紙、裝飾材料等。

初中生版

活動任務(wù)：設(shè)計(jì)和制作一個(gè)能實(shí)現(xiàn)一定功能的可穿戴LED作品，以電池、導(dǎo)線、LED、蜂鳴器、開關(guān)等電路元件為鏈接電路的材料。該作品要能實(shí)現(xiàn)一定的功能，并能解決生活中的現(xiàn)實(shí)問題。要求完成詳細(xì)的設(shè)計(jì)圖、產(chǎn)品說明書，列出材料情況并提交合理的產(chǎn)品預(yù)算。

活動材料：每組一份塑料眼鏡、發(fā)箍、LED燈、蜂鳴器、紐扣電池、開關(guān)、導(dǎo)線、透明膠、雙面膠、剪刀、工具刀、彩色卡紙、裝飾材料等。

活動設(shè)計(jì)思路

本活動將科學(xué)、工程與技術(shù)相結(jié)合。學(xué)生需要先了解LED發(fā)光原理和基本的電學(xué)知識，掌握連接簡單電路的基本方法，并將其運(yùn)用于LED可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)和制作這項(xiàng)工程任務(wù)中，在制作過程中還要解決電路連接、外觀設(shè)計(jì)、功能配比、設(shè)計(jì)圖、產(chǎn)品說明書等工程與技術(shù)問題。本活動中學(xué)生將經(jīng)歷尋找設(shè)計(jì)機(jī)會、設(shè)計(jì)、選材、制作、測試、改進(jìn)、再設(shè)計(jì)、再制作、再測試、再改進(jìn)、交流分享等活動環(huán)節(jié)。

活動特點(diǎn)

組織該活動時(shí)，需要給學(xué)生提供豐富的材料，讓學(xué)生設(shè)計(jì)能穿戴在身上的物品，這是一個(gè)非常開放的任務(wù)，因而也沒有好壞之分，教師鼓勵學(xué)生做出各種各樣不同的物品，不僅激發(fā)了學(xué)生的熱情，同時(shí)也體現(xiàn)了STEM活動的多樣性和開放性。對于初中生，活動提出了更高的要求，不僅要設(shè)計(jì)和制作出作品，還要求該作品具備一定的功能、能解決生活中的問題，并要求他們能繪制設(shè)計(jì)圖、計(jì)算產(chǎn)品預(yù)算、撰寫產(chǎn)品說明書。

活動中學(xué)生的技能可以得到快速發(fā)展，因?yàn)閷W(xué)生不僅要根據(jù)自己的想法設(shè)計(jì)作品，還要設(shè)法將LED的電路安裝在作品上，這對學(xué)生的設(shè)計(jì)和動手操作能力都是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。在解決問題的同時(shí)，促進(jìn)了學(xué)生思維和動手能力的提升。

活動實(shí)例三：快遞薯片

“快遞薯片”是以設(shè)計(jì)和制作易碎品保護(hù)裝置為主要任務(wù)的活動。該活動幫助學(xué)生了解碰撞和緩沖的原理，認(rèn)識常見的緩沖材料，探索能夠保護(hù)易碎品的包裝方式。同時(shí)體驗(yàn)設(shè)計(jì)、制作、測試、改進(jìn)等工程設(shè)計(jì)過程。

活動材料

每組一份報(bào)紙、一次性塑料袋、泡沫片、泡沫板、氣泡紙、海綿、塑料直尺、硬卡紙、彩色水筆。公共材料：大紙箱。

活動內(nèi)容

教師現(xiàn)提出問題情境：薯片在快遞過程中極易破損，請同學(xué)們想想辦法，運(yùn)用什么材料改善快遞包裝，可以解決這個(gè)問題？

學(xué)生探索有關(guān)碰撞、緩沖等基礎(chǔ)知識。

討論對最終包裝成果的評價(jià)方式，制定評價(jià)表。

每組學(xué)生利用各種緩沖材料，制作薯片的快遞包裝。通過測試最終選定某種包裝方式，并完成對三片薯片的包裝制作。

教師將各組的包裝都放進(jìn)同一個(gè)大紙箱，全班同學(xué)一起模擬快遞運(yùn)輸?shù)倪^程。最后開箱檢測各組薯片完整情況。

各組匯報(bào)設(shè)計(jì)方法，交流經(jīng)驗(yàn)；運(yùn)用評價(jià)表給予評價(jià)。

活動設(shè)計(jì)思路

該活動幫助學(xué)生了解物體碰撞和緩沖的基本原理，并運(yùn)用到設(shè)計(jì)、制作薯片的快遞包裝這個(gè)工程問題上，還需要解決緩沖材料選擇、固定等技術(shù)問題。該活動還可以結(jié)合數(shù)學(xué)，添加緩沖材料價(jià)格和兌換幣環(huán)節(jié)，給每組一定量的兌換幣，讓學(xué)生用兌換幣來買材料，因此學(xué)生要學(xué)會計(jì)算材料成本。成本最低、效果最好的小組獲勝。

活動特點(diǎn)

該活動具備STEM活動的諸多特點(diǎn)，如情境的設(shè)置、多樣性的作品、STEM各個(gè)領(lǐng)域的結(jié)合等。同時(shí)該活動還體現(xiàn)出另外兩個(gè)特點(diǎn)：模擬活動的設(shè)置；評價(jià)表的設(shè)計(jì)與討論。

三、 STEM活動教學(xué)策略[6]

STEM活動教學(xué)遵循5E教學(xué)模式，該模式體現(xiàn)了以學(xué)生為學(xué)習(xí)中心的教學(xué)方式。體現(xiàn)了STEM活動的綜合性、實(shí)踐性和靈活性的特點(diǎn)。5E教學(xué)模式分為以下五個(gè)階段：

1. 參與(Engagement)——此階段的活動設(shè)計(jì)用于吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)他們思考，幫助學(xué)生獲取記憶中的已有知識。由教師或?qū)W生提出一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的問題、復(fù)雜的問題或者全球性問題。然后學(xué)生頭腦風(fēng)暴產(chǎn)生可能性方案或構(gòu)建對問題的解釋。

2. 探索(Exploration)——此階段主要給學(xué)生時(shí)間去思考、設(shè)計(jì)、調(diào)查和組織收集到的信息。在這一階段中,學(xué)生可以通過探索建立起科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和其他學(xué)科之間的聯(lián)系。鼓勵學(xué)生選擇和應(yīng)用恰當(dāng)?shù)南到y(tǒng)方法回答復(fù)雜問題,調(diào)查全球性問題,開發(fā)解決方案應(yīng)對挑戰(zhàn)和真實(shí)世界的問題。

3. 解釋(Explanation)——此階段學(xué)生將對他們的探索和探究進(jìn)行分析和解釋。他們澄清自己的理解發(fā)現(xiàn)，以多種方式交流。

4. 闡釋或延伸(Elaboration or Extension)——此階段學(xué)生有機(jī)會擴(kuò)大和鞏固他們對概念的理解。在STEM活動中，學(xué)生制作好模型，可以根據(jù)其他組的分享發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而改進(jìn)自己的設(shè)計(jì)。

5. 評價(jià)(Evaluation)——評價(jià)貫穿于5E模式中。教師和學(xué)生開發(fā)了評估標(biāo)準(zhǔn)確定學(xué)生必須知道什么和做什么。在評估中，學(xué)生反映了他們應(yīng)對復(fù)雜事物、問題和挑戰(zhàn)的方案，參與同行評議，通過基于績效的任務(wù)來展示理解。在每個(gè)STEM活動中，都配有記錄單，教師和學(xué)生可以根據(jù)記錄單的評分點(diǎn)，對各小組進(jìn)行評分。

四、 總結(jié)

在非正規(guī)教育環(huán)境下開展STEM活動，可以有效彌補(bǔ)課內(nèi)科學(xué)教育中動手做活動缺乏、班容量大、科學(xué)探究機(jī)會少等不足，為青少年搭建起廣泛的科學(xué)學(xué)習(xí)的平臺，提高孩子們主動學(xué)習(xí)的能力，同時(shí)青少年的觀察能力、記錄能力，創(chuàng)造能力和社會情緒能力也可以得以發(fā)展。

STEM教學(xué)實(shí)踐現(xiàn)在仍在進(jìn)行中，學(xué)生的認(rèn)知水平在不斷進(jìn)步，課程也要不斷更迭出新，以滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)展需求。中國的STEM教育仍處在引進(jìn)理念和課程設(shè)計(jì)探索之中，也需要更多的小學(xué)科學(xué)教師和校外科學(xué)機(jī)構(gòu)、科技場館教師一起加入，豐富課程，切實(shí)發(fā)揮STEM的精髓，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為國家培養(yǎng)創(chuàng)新人才的好苗子。

與注釋

[1]Wellington, J. 1990. Formal and informal learning in science: The role of the interactive science centres[J].PhysicsEducation. 25, 247-252.

[2]劉文利. 科學(xué)教育的重要途徑—非正規(guī)學(xué)習(xí)[J]. 教育科學(xué)，2007 23(1).

[3]National Research Council. January 2009. “Learning Science in Informal Environments: People, Places, and Pursuits.” Committee on Learning Science in Informal Environments. Washington, DC: The National Academies Press. http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=12190.

[4]Darci J. Harland. STEM: Student Research Handbook. National Science Teachers Association Press. 2011.

[5]鄭巍，黃慧，孫琪琳. STEM教育在科技館教育活動中的實(shí)現(xiàn)方式[C]. 全球科學(xué)教育改革背景下的館校結(jié)合——第七屆館校結(jié)合科學(xué)教育研討會論文集，2015.

[6]5E Model for Integrated STEM Education [EB/OL].http://mdkl2.org/instruction/curriculum/stem/pdf/6-8/Middle School Integrated 5E Model for STEM Education.pdf.

Research of Designing and Practice STEM Teaching Activities for Teenagers in Informal Education Environment

Ye Zhaoning Hao Ruihui Wang Bei

In recent years, developing STEM Education is getting close to the top priority for all of the National Education Strategy in USA. It also attracted high attention of many countries in the world. In this field, the new hotspot of research is how to integrate science, technology, engineering and mathematics together in informal education. Based on international advanced teaching mode and experience in science education, while combined the real situation of compulsory education in China, this issue explored how to develop STEM activities for teenagers in informal educational environment. And three valuable activities were introduced to illustrate the 5E teaching strategies in order to cultivate teenagers’ skills of inquiry and solving problems.

informal education, STEM, 5E teaching strategies

①葉兆寧：東南大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心副教授；研究方向：“做中學(xué)”科學(xué)教育培訓(xùn)；通訊地址：江蘇省南京市四牌樓2號，東南大學(xué)李文正樓3樓；郵編：210096；Email：ye_zhaoning@263.net。

郝瑞輝：中國科協(xié)“做中學(xué)”科學(xué)教育改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)中心講師；研究方向：科學(xué)教育。

王 蓓：中國科協(xié)“做中學(xué)”科學(xué)教育改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)中心講師；研究方向：科學(xué)教育。