從驗(yàn)證到創(chuàng)造
——中小學(xué)STEM教育應(yīng)用模式研究

傅 騫，劉鵬飛

(北京師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，北京 100875)

從驗(yàn)證到創(chuàng)造
——中小學(xué)STEM教育應(yīng)用模式研究

傅 騫，劉鵬飛

(北京師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，北京 100875)

隨著社會(huì)對(duì)人才需求的不斷提高，以培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才的STEM教育正逐步在全球普及推廣。該文首先描述了STEM教育的概念及發(fā)展歷史，然后根據(jù)STEM教育應(yīng)用成果的不同，把STEM教育應(yīng)用模式分成了驗(yàn)證、探究、制造和創(chuàng)造四大類，每一類又可以根據(jù)應(yīng)用成果達(dá)成方式的不同可以細(xì)分為支架類和開放類，并重點(diǎn)描述了各個(gè)模式的應(yīng)用步驟及典型案例。該文進(jìn)一步指出各個(gè)模式之間并非涇渭分明，教師需要圍繞目標(biāo)，從學(xué)習(xí)者特點(diǎn)、學(xué)習(xí)環(huán)境等因素出發(fā)進(jìn)行靈活選擇和綜合應(yīng)用。

STEM教育；應(yīng)用模式；創(chuàng)客教育

隨著社會(huì)對(duì)人才需求的不斷提高，以培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才的STEM教育正逐步在全球普及推廣，多個(gè)國家都發(fā)布了本國的STEM教育發(fā)展規(guī)劃，中國的教育部也在其發(fā)布的《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》中明確提到“有效利用信息技術(shù)推進(jìn)‘眾創(chuàng)空間’建設(shè)，探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學(xué)習(xí)者具有較強(qiáng)的信息意識(shí)與創(chuàng)新意識(shí)”，其中的“STEAM教育”就是STEM教育擴(kuò)展版——將STEM加入A(Art藝術(shù))。 而創(chuàng)客教育和STEM教育有著緊密聯(lián)系， STEM教育是未來教育的重要發(fā)展方向，對(duì)于中國的傳統(tǒng)教育模式更有著重要的意義。

一、STEM教育的概念

STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)四個(gè)英文首字母的縮寫，簡言之STEM教育就是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的教育，但現(xiàn)實(shí)問題往往無法單憑STEM中的某一門學(xué)科知識(shí)來解決，必須依靠多學(xué)科的協(xié)同，因此STEM教育關(guān)于如何綜合運(yùn)用STEM知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問題的能力的教育，也就是STEM素養(yǎng)教育。

STEM教育的目標(biāo)就是提升學(xué)習(xí)者的STEM素養(yǎng)，但對(duì)于STEM教育的定義，學(xué)術(shù)界存在著三種理解：第一種認(rèn)為STEM教育是一門后設(shè)課程，即在學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)STEM相關(guān)的獨(dú)立課程之外再學(xué)習(xí)一門如何綜合運(yùn)用STEM知識(shí)的獨(dú)立課程；第二種認(rèn)為STEM教育是一門有機(jī)整合STEM知識(shí)的獨(dú)立課程，由它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的STEM所涉及的課程，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的綜合運(yùn)用各專業(yè)知識(shí)的能力[1]；第三種則將STEM教育視為一種教學(xué)策略，其核心目標(biāo)是通過靈活應(yīng)用探究性學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)方式，來培養(yǎng)學(xué)習(xí)者綜合利用STEM知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問題的能力。

本文的STEM教育將采用第三種觀點(diǎn)，從學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)目標(biāo)出發(fā)來界定STEM教育可以更好地為課程教師指明STEM教育的方向?；诖硕x，本文認(rèn)為STEM獨(dú)立學(xué)科的學(xué)習(xí)也可以是STEM教育，其關(guān)鍵在于學(xué)習(xí)者是如何學(xué)習(xí)知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)的，如通過學(xué)習(xí)者自主的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來驗(yàn)證牛頓三大定律便屬于STEM教育；利用數(shù)學(xué)知識(shí)來合理安排職工工資和社保也屬于STEM教育。STEM教育對(duì)于中國來說具有更重要的意義，中國從來不缺乏STEM所包含的各獨(dú)立學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)，但由于不注重知識(shí)的理解和應(yīng)用，學(xué)習(xí)者的STEM素養(yǎng)并不高，這一點(diǎn)必須通過加強(qiáng)STEM教育來提升。

二、各國STEM教育的發(fā)展戰(zhàn)略

STEM教育理念的提出最先來源于美國，1986年美國國家科學(xué)委員會(huì)發(fā)表了《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》的報(bào)告，首次明確提出“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)教育的集成”的綱領(lǐng)性建議，被視為美國STEM教育的里程碑。從國家的國際競爭力和國家安全角度出發(fā)，美國歷屆政府都注重STEM教育的投入。20世紀(jì)90年代美國國家科學(xué)基金會(huì)將科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)簡稱為SMET，2001年正式更名為STEM；2006年布什總統(tǒng)公布《美國競爭力計(jì)劃》，并為該計(jì)劃投資1360億美元，支持美國科技與教育的發(fā)展；2007年布什總統(tǒng)簽署了《給未來技術(shù)、教育和科學(xué)領(lǐng)域杰出成就創(chuàng)造機(jī)會(huì)》法案，將“加強(qiáng)從小學(xué)到研究生的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)綜合教育”視為21世紀(jì)教育改革的目標(biāo)；2009年奧巴馬頒布一項(xiàng)“競爭卓越”的全國性教育計(jì)劃，由政府撥款資助STEM教育；奧巴馬在2010年的一次演講中強(qiáng)調(diào)STEM教育在保持美國國家領(lǐng)導(dǎo)力與同經(jīng)濟(jì)快速增長的亞洲國家成功競爭方面的重要作用。亞洲一些國家諸如中日韓等，已經(jīng)在環(huán)保科技方面投入了大量的政府投資，讓這一領(lǐng)域在接下來幾個(gè)十年里致力于成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。奧巴馬表示，美國的國際領(lǐng)導(dǎo)力將依賴于國家如何教育我們的孩子，特別是在STEM方面。2014年奧巴馬政府簽署《2015年STEM教育預(yù)算》，繼續(xù)加大財(cái)政支持，發(fā)展美國的STEM教育，2015年12月正式頒布了STEM教育法案，從教師培訓(xùn)、社會(huì)協(xié)助、校內(nèi)外相結(jié)合等角度詳細(xì)規(guī)劃了STEM教育的新動(dòng)向[2]。

在德國，由于語言的關(guān)系，STEM 教育通常被縮寫為 MINT(Mathematik，Informatik，Naturwissenschaft und Technik)教育。而德國政府之所以引進(jìn)美國STEM教育理念，是因?yàn)樵谧鳛闅W洲主要經(jīng)濟(jì)體的德國出現(xiàn)了高質(zhì)量的綜合性勞動(dòng)力匱乏的現(xiàn)象，這是極不利于工業(yè)科技持續(xù)發(fā)展的。因此，在德國的政府報(bào)告中多次提到“需要用 MINT教育來彌補(bǔ)該缺陷”的觀點(diǎn)。德國聯(lián)邦教育與研究部在其調(diào)查報(bào)告《MINT展望——MINT事業(yè)與 推廣指南》中甚至指出“保證勞動(dòng)力的數(shù)量和質(zhì)量是聯(lián)邦政府活動(dòng)的重心”[3]。德國將專業(yè)技術(shù)人才的創(chuàng)造力視為解決當(dāng)前科技發(fā)展中遇到的問題、迎接未來挑戰(zhàn)的核心，因此中小學(xué)階段的MINT教育更關(guān)注學(xué)生在MINT職業(yè)上的興趣和發(fā)展。德國希望將MINT教育與終身教育結(jié)合起來，創(chuàng)造一種可持續(xù)發(fā)展的MINT教育，因此促進(jìn)MINT教育鏈的發(fā)展成為其教育目標(biāo)之一[4]。德國教育通過對(duì)兒童和青少年進(jìn)行MINT的興趣吸引和機(jī)制激勵(lì)，讓他們不斷沿著MINT教育鏈獲得發(fā)展。德國在多個(gè)政府報(bào)告中提及MINT教育及相關(guān)領(lǐng)域，意圖借助政府的支持推動(dòng)MINT的實(shí)施。

日本在二十世紀(jì)六七十年代實(shí)行的教育以書本知識(shí)和應(yīng)試為主，后來隨著社會(huì)發(fā)展的需要，教育的重心發(fā)生變化，以促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展和提高學(xué)習(xí)能力為目標(biāo)，在中小學(xué)推行“寬裕教育”(Yutori Education)政策，通過縮減課時(shí)、精簡知識(shí)和減少學(xué)分等措施，力圖創(chuàng)造寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境來培養(yǎng)學(xué)生的“生存能力”，然而寬裕教育并沒有提高學(xué)生的生存能力，反而導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)業(yè)的下滑，具體表現(xiàn)為日本學(xué)生在PISA測試中的表現(xiàn)不佳和TIMSS推理能力的不足。日本政府將這種后果歸結(jié)為基礎(chǔ)教育的薄弱，并開始關(guān)注美國的STEM教育，以尋求解決途徑。日本小學(xué)階段的STEM教育相對(duì)側(cè)重STEM研究型人才的培養(yǎng)，增加學(xué)生對(duì)STEM相關(guān)學(xué)科的興趣和熱情，高中階段實(shí)施STEM精英教育。不過日本至今未曾在正式的政府文件中提出STEM教育一詞，而是以一種局部的、潛在的方式實(shí)施該教育。

韓國為增強(qiáng)國家科技競爭力而引入了整合型人才教育的概念，從中小學(xué)時(shí)期就對(duì)學(xué)生進(jìn)行STEAM素養(yǎng)的教育，培養(yǎng)中小學(xué)生的知識(shí)整合應(yīng)用能力與科技創(chuàng)新能力，進(jìn)而為提升國家競爭力奠定青少年人才基礎(chǔ)。2011年韓國教育部頒布《搞活整合型人才教育(STEAM)方案》，提出實(shí)施要以數(shù)學(xué)和科學(xué)為中心，實(shí)現(xiàn)與工程技術(shù)相結(jié)合的STEAM課程，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)的具有STEAM素養(yǎng)的綜合型人才，方案同時(shí)歸納了四類STEAM課程實(shí)施方案，為各中小學(xué)實(shí)施STEAM課程提供指導(dǎo)。韓國政府指定和扶持整合型人才教育示范學(xué)校，也是推動(dòng)開展整合型人才教育的重要手段[5]。

澳大利亞從2013年起開始提高對(duì)STEM教育的重視，經(jīng)歷了從某些州(如昆士蘭州)致力于實(shí)施STEM教育到在國家層面制定發(fā)展STEM教育戰(zhàn)略的過程。2013年澳大利亞首席科學(xué)家辦公室發(fā)布了《國家利益中的STEM戰(zhàn)略》，設(shè)定了2013-2025年的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)；其中《澳大利亞提升戰(zhàn)略》對(duì)教育層次制定了以下具體政策：培養(yǎng)STEM專業(yè)教師、提高學(xué)生STEM素養(yǎng)、提高課程設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性、加強(qiáng)與國家課程標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系、保證人才培養(yǎng)模式與市場需求相適應(yīng)。2014年澳大利亞首席科學(xué)家辦公室頒布了題為《STEM：澳大利亞的未來》的文件，對(duì)STEM教育和培訓(xùn)做了詳細(xì)的規(guī)劃。2015年12月澳大利亞聯(lián)邦及各州和地區(qū)教育部長在“教育委員會(huì)”會(huì)議上簽署《STEM學(xué)校國家戰(zhàn)略2016-2026》，通過采取國家行動(dòng)，改進(jìn)澳大利亞學(xué)校的科學(xué)、數(shù)學(xué)和信息技術(shù)教學(xué)與學(xué)習(xí)[6]。

三、STEM教育的應(yīng)用模式

STEM教育作為一種教學(xué)策略，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須以解決現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際問題為目標(biāo)，以STEM知識(shí)的綜合運(yùn)用為手段。根據(jù)具體目標(biāo)的不同，本文把STEM教育分成驗(yàn)證型、探究型、制造型和創(chuàng)造型四種不同的應(yīng)用模式。驗(yàn)證型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者通過綜合運(yùn)用STEM知識(shí)驗(yàn)證一個(gè)學(xué)習(xí)者已經(jīng)明確的結(jié)果，其核心是學(xué)習(xí)者的驗(yàn)證過程和方法而非結(jié)果；探究型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者通過綜合運(yùn)用STEM知識(shí)去發(fā)現(xiàn)并解釋某些學(xué)習(xí)者未知的現(xiàn)象，其核心是學(xué)習(xí)者的探究過程及結(jié)果；制造型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者通過綜合運(yùn)用STEM知識(shí)去完成一個(gè)已有形態(tài)物品的生產(chǎn)和改良，其核心是學(xué)習(xí)者的工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)；創(chuàng)造型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者通過STEM知識(shí)的綜合運(yùn)用去完成一個(gè)創(chuàng)新物品的設(shè)計(jì)和制造，其核心是創(chuàng)新的設(shè)計(jì)。

根據(jù)教師在STEM教育應(yīng)用中給定的限定不同，各個(gè)模式又可以分為支架式和開放式，所謂的支架式就是由教師給定框架，包括目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)方式，然后由學(xué)習(xí)者在此基礎(chǔ)上實(shí)施，而開放式則更多地由學(xué)習(xí)者自行提出目標(biāo)并自行完成任務(wù)，需要學(xué)習(xí)者更多的主觀能動(dòng)性，當(dāng)然，支架式和開放式之間并無明確的界限，教師在應(yīng)用過程中可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的不同、目標(biāo)的不同靈活把握。另外，考慮到STEM教育應(yīng)用的項(xiàng)目學(xué)習(xí)屬性，下面的各類應(yīng)用都以小組協(xié)作的方式展開。

(一)驗(yàn)證型STEM教育應(yīng)用

驗(yàn)證型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是學(xué)習(xí)者完成對(duì)已知結(jié)果的驗(yàn)證，例如定律或現(xiàn)象，但這些定律或現(xiàn)象并不是此類應(yīng)用的重點(diǎn)，怎樣通過STEM知識(shí)的綜合運(yùn)用來驗(yàn)證這些結(jié)果并達(dá)到加深理解、領(lǐng)悟科學(xué)才是其關(guān)鍵，本研究總結(jié)的驗(yàn)證型STEM教育應(yīng)用基本步驟如下：

(1)明確問題。驗(yàn)證型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是完成對(duì)已知結(jié)果的驗(yàn)證，該結(jié)果既可以由老師給定，也可以由學(xué)習(xí)者提出，同時(shí)該結(jié)果既可以是某種現(xiàn)象，也可以是某條定律。

(2)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方案的第一步是必須確定要驗(yàn)證的現(xiàn)象，因?yàn)槎梢脖仨毻ㄟ^現(xiàn)象來驗(yàn)證，然后再根據(jù)現(xiàn)象設(shè)計(jì)合適的驗(yàn)證方案，其核心是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象的可觀察或可記錄性。

(3)評(píng)估方案?？紤]到方案實(shí)施的代價(jià)，實(shí)施方案必須經(jīng)過師生協(xié)同評(píng)估，評(píng)估的重點(diǎn)包括現(xiàn)象和定律之間的充分性(驗(yàn)證定律)和方案的可行性(包括安全、成本、作用等內(nèi)容)。

(4)實(shí)施方案。在完成方案的可行性評(píng)估之后，學(xué)習(xí)者可以開始驗(yàn)證計(jì)劃，本步驟的重點(diǎn)是現(xiàn)象的觀察和記錄，如果遇到無法解決的狀況一定要重新回到步驟2進(jìn)行新的設(shè)計(jì)。

(5)分析數(shù)據(jù)。通過對(duì)觀察得到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行分析，并結(jié)合必要的現(xiàn)象和定律之間的充分性得出本次驗(yàn)證的結(jié)果，如果無法驗(yàn)證，分析可能存在的原因，并回到步驟2進(jìn)行新的設(shè)計(jì)和實(shí)施。

(6)分享反思。反思本驗(yàn)證方案的有效性和可改進(jìn)性，并分享自己的驗(yàn)證過程，總結(jié)本次驗(yàn)證掌握的技能。

1.案例一

科學(xué)課探究的問題：驗(yàn)證水中溶氧量會(huì)受不同因素影響而發(fā)生變化。課程設(shè)計(jì)過程如下：

(1)明確問題：學(xué)生針對(duì)自己做出的對(duì)水中溶氧量影響因素的猜想設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過控制變量的方法驗(yàn)證猜想——水中溶氧量會(huì)受不同因素影響而改變；(2)設(shè)計(jì)方案：使用控制變量的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行控制，配合使用測量水中溶氧量的儀器，通過小組討論，確定實(shí)驗(yàn)需要開展的具體步驟及展開過程中需要注意的重要事項(xiàng)，另外確定個(gè)體分工，分別確定掌控實(shí)驗(yàn)進(jìn)度、負(fù)責(zé)操作儀器與記錄數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)過程的人；(3)評(píng)估方案：小組內(nèi)討論確定好實(shí)驗(yàn)方案后，與教師溝通，共同評(píng)估實(shí)驗(yàn)的可行性與嚴(yán)密性，教師適當(dāng)進(jìn)行指導(dǎo)與鼓勵(lì)；(4)實(shí)施方案：小組按照評(píng)估后的方案，循序開展驗(yàn)證計(jì)劃；(5)分析數(shù)據(jù)：針對(duì)學(xué)生得到的一系列數(shù)據(jù)，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自己的觀察記錄和測得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，解答學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的問題。有的學(xué)生可能得到與他們?cè)趯W(xué)校學(xué)習(xí)課程中所學(xué)(其他條件不變，水氧含量和水溫呈反比)一致的數(shù)據(jù)，有些可能沒有。教師需要解釋“這種與我們學(xué)到的不一致情況在實(shí)驗(yàn)中很常見”，鼓勵(lì)學(xué)生猜想還有哪些因素影響水氧含量(如氣壓、水壓、水深、水生植物的光合作用、水生動(dòng)物的呼吸活動(dòng)、水域的面積等等)；(6)分享反思：實(shí)驗(yàn)小組制作海報(bào)，要求呈現(xiàn)研究問題、研究過程、測量數(shù)據(jù)及結(jié)論，與同學(xué)們交流分享整個(gè)研究活動(dòng)并互相評(píng)價(jià)。教師做好指導(dǎo)和相應(yīng)的點(diǎn)評(píng)及對(duì)活動(dòng)的總結(jié)。

2.案例二

《驗(yàn)證牛頓第二定律——力使物體獲得加速度》的課程設(shè)計(jì)如下：(1)明確問題：物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變是因受到外力作用。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證牛頓第二定律——力使物體獲得加速度；(2)設(shè)計(jì)方案：根據(jù)已經(jīng)學(xué)習(xí)的運(yùn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、砝碼、小車等工具進(jìn)行驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)，通過分組討論，使用智能設(shè)備與身邊容易獲得的材料設(shè)計(jì)出一個(gè)可行的實(shí)驗(yàn)方案；(3)評(píng)估方案：小組通過反復(fù)推敲所涉及的實(shí)驗(yàn)方案后，與教師進(jìn)行交流，得到一定的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)建議，并對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，使新的實(shí)驗(yàn)方案可行性得到確定；(4)實(shí)施方案：小組按照評(píng)估后的方案，分配好小組內(nèi)組員的分工情況并開展驗(yàn)證計(jì)劃；(5)分析數(shù)據(jù)：結(jié)合實(shí)驗(yàn)中使用的智能設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，把無效數(shù)據(jù)合理剔除，并對(duì)其他數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致分析，最終得到科學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果；(6)分享反思：實(shí)驗(yàn)小組制作海報(bào)，要求呈現(xiàn)研究問題、研究過程、測量數(shù)據(jù)及結(jié)論，與同學(xué)們交流分享整個(gè)研究活動(dòng)并互相評(píng)價(jià)，并討論如何對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。教師做好指導(dǎo)和相應(yīng)的點(diǎn)評(píng)及對(duì)活動(dòng)的總結(jié)。

(二)探究型STEM教育應(yīng)用

探究型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是去發(fā)現(xiàn)并解釋學(xué)習(xí)者未知的現(xiàn)象，無論是探究過程還是解釋現(xiàn)象都將綜合運(yùn)用STEM知識(shí)，從而培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的科學(xué)探究精神和能力。探究型STEM教育應(yīng)用的本質(zhì)是探究型學(xué)習(xí)在STEM教育中的特定應(yīng)用，其應(yīng)用基本步驟如下：

(1)發(fā)現(xiàn)問題。探究型STEM教育應(yīng)用需要學(xué)習(xí)者自己去尋找需要探究的問題，根據(jù)教師限定條件的多少，學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)的問題具有一定的指向性，但絕對(duì)不能是限定的，發(fā)現(xiàn)問題的能力也是STEM素養(yǎng)的重要組成部分。

(2)收集證據(jù)。收集證據(jù)是探究型STEM教育應(yīng)用的最重要環(huán)節(jié)，根據(jù)探究問題的類型，證據(jù)收集過程可以分為三大類：一類是直接觀察類，此類過程學(xué)習(xí)者無需借助任何設(shè)備直接靠人體自身感知即可；另外一類是儀器記錄類，此類過程學(xué)習(xí)者需要借助現(xiàn)有的儀器或設(shè)計(jì)新的儀器來記錄數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律；最后一類則是設(shè)計(jì)交互類，此類過程學(xué)習(xí)者需要設(shè)計(jì)專門的交互方案，通過不斷的交互完成環(huán)境的準(zhǔn)備、問題現(xiàn)象的觸發(fā)和對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的收集工作。和驗(yàn)證型STEM教育應(yīng)用類似，探究型STEM教育應(yīng)用的收集證據(jù)過程也可以細(xì)化成設(shè)計(jì)方案、評(píng)估方案和實(shí)施方案三個(gè)階段。

(3)分析數(shù)據(jù)。對(duì)于探究型STEM教育應(yīng)用而言，數(shù)據(jù)分析的過程要比驗(yàn)證型復(fù)雜得多，驗(yàn)證型的數(shù)據(jù)分析結(jié)果是確定的，而探究型則是未知的。數(shù)據(jù)分析可以采用結(jié)論推導(dǎo)的方法，也可以采用猜想驗(yàn)證的方法，數(shù)據(jù)分析的成果是可以描述的現(xiàn)象或規(guī)律。

(4)解釋結(jié)論?？紤]到證據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜性和不確定性，學(xué)習(xí)者必須從理論的角度來解釋觀察到的現(xiàn)象和規(guī)律，否則極有可能得到錯(cuò)誤的結(jié)論?？紤]到解釋結(jié)論又可能超出學(xué)習(xí)者的能力，相互協(xié)作和教師支持是必須的。

(5)分享反思。當(dāng)學(xué)習(xí)者完成了問題的發(fā)現(xiàn)和探究以后，學(xué)習(xí)者需要反思本探究問題的可滲入性及可遷移性，培養(yǎng)更好的問題發(fā)現(xiàn)能力；歸納整個(gè)證據(jù)收集過程和數(shù)據(jù)分析過程的方法，并考慮必要的改進(jìn)；同時(shí)完成相關(guān)方法和結(jié)論的發(fā)布分享。

1.案例一[7]

美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)奧馬哈市分校信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院開設(shè)的STEM課程——安卓加速器應(yīng)用程序(Android Acceleration Application)，面向高中生開設(shè)，涉及到的學(xué)科領(lǐng)域包括數(shù)據(jù)分析與概率論、物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)。該課程的目的并不是學(xué)習(xí)如何編寫程序，而是通過編寫程序來體驗(yàn)工程設(shè)計(jì)的過程，用編寫程序這種形式開發(fā)一款A(yù)ndroid應(yīng)用設(shè)備，來探究設(shè)備的加速度與力的關(guān)系。該課程單元包括兩節(jié)課和兩項(xiàng)活動(dòng)：(1)第一節(jié)課是應(yīng)用程序設(shè)計(jì)課程，學(xué)生通過MIT(麻省理工學(xué)院)研發(fā)的APP Inventor的在線平臺(tái)學(xué)習(xí)，了解如何創(chuàng)建Android應(yīng)用程序，然后應(yīng)用學(xué)到的技能創(chuàng)建自己的應(yīng)用程序，使用該設(shè)備收集Android設(shè)備的加速度數(shù)據(jù)并且將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中；(2)第一節(jié)課后跟隨的活動(dòng)就是應(yīng)用手機(jī)內(nèi)部傳感器(特別是加速器)開發(fā)一款A(yù)ndroid應(yīng)用設(shè)備，學(xué)生將按照工程設(shè)計(jì)的步驟，找出問題，制定解決方案，實(shí)施解決方案，測試解決方案和重新設(shè)計(jì)，完成設(shè)計(jì)任務(wù)；(3)第二節(jié)課學(xué)生使用滑動(dòng)的Android設(shè)備收集速度和時(shí)間的數(shù)據(jù)，來探究加速度，學(xué)生先根據(jù)加速設(shè)備形成假設(shè)，然后根據(jù)牛頓第二定律探究設(shè)備上的力是如何變化的，引入不同類型的加速度來探究；(4)第二節(jié)課后跟隨的活動(dòng)就是使用Android設(shè)備測量加速度，利用加速度和時(shí)間的關(guān)系繪制速度時(shí)間曲線，理解加速度與施加的力的關(guān)系。

課程結(jié)束后通過測試學(xué)生對(duì)速度、加速度和力的關(guān)系來評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，通過詢問學(xué)生工程設(shè)計(jì)過程是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的這種問題來評(píng)價(jià)學(xué)生是否真正在課程中理解了物理與工程的融合。

2.案例二[8]

美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校工程學(xué)院設(shè)計(jì)了一個(gè)關(guān)于空氣污染的STEM課程，涉及的學(xué)科是物理科學(xué)、地球與空間、工程技術(shù)，面向的是小學(xué)高年級(jí)學(xué)生。課程實(shí)施的過程如下：(1)學(xué)生通過調(diào)查空氣的組成、性質(zhì)、大氣層和空氣在日常生活中的重要性來學(xué)習(xí)空氣質(zhì)量的概念，并用糖果拼圖和餅狀圖的方式將空氣成分展示出來；(2)探究有形的或無形的空氣污染的來源和影響，通過閱讀報(bào)紙上天氣預(yù)報(bào)的版面內(nèi)容、學(xué)習(xí)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的概念，創(chuàng)建AQI信息的圖表，并且解釋氣象工程師是如何使用這些AQI數(shù)據(jù)的；(3)通過學(xué)習(xí)天氣和水循環(huán)的過程來學(xué)習(xí)污染物擴(kuò)散的嚴(yán)重后果，學(xué)習(xí)諸如氣壓、濕度、飽和度、對(duì)流等氣象的基本概念，讓學(xué)生探究相對(duì)濕度對(duì)天氣的影響，了解大氣運(yùn)動(dòng)是如何影響污染物的移動(dòng)的；(4)使用簡單模型研究溫室效應(yīng)；(5)通過討論和交互式模擬探究地球臭氧空洞的成因及影響，能夠解釋工程師是如何致力于研究減少臭氧消耗的；(6)識(shí)別造成學(xué)校和家庭室內(nèi)空氣污染的來源物，探索可以減少和放置空氣污染的措施，比如應(yīng)用各類除塵器清理空氣污染；(7)通過建立和觀察可以治理空氣污染的簡單模型，使學(xué)生體驗(yàn)工程師所設(shè)計(jì)的治理和防止空氣污染的現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)。每節(jié)課最后都有評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，允許學(xué)生頭腦風(fēng)暴，提出自己的想法和建議，課后將在課程中學(xué)到的知識(shí)用在生活中，比如去調(diào)查自己的社區(qū)是否存在污染物傳輸?shù)默F(xiàn)象，并將自己的觀察和想法記錄下來與師生分享。

通過該單元課程，學(xué)生達(dá)到的目標(biāo)是掌握關(guān)于空氣的科學(xué)概念，理解水循環(huán)的模型，能解釋氣候和水循環(huán)與空氣污染的關(guān)系，而且強(qiáng)化了用工程學(xué)來解決與實(shí)際生活息息相關(guān)的空氣污染問題的認(rèn)識(shí)。

(三)制造型STEM教育應(yīng)用

制造型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者通過STEM知識(shí)的綜合運(yùn)用去完成一個(gè)已有形態(tài)物品的生產(chǎn)和改良，其核心是學(xué)習(xí)者的工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)；考慮到學(xué)習(xí)者必然經(jīng)歷一個(gè)從模仿到改進(jìn)的過程，本文總結(jié)的制造型STEM教育應(yīng)用的基本步驟如下：

(1)情境引入。制造型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是完成一個(gè)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的物品生產(chǎn)，并在生產(chǎn)過程中培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的STEM綜合能力，所以對(duì)于制造型STEM教育應(yīng)用來說，情境引入有兩方面價(jià)值：一方面是理解將要完成的物品的應(yīng)用價(jià)值，激發(fā)學(xué)習(xí)者的參與熱情；另一方面則是通過情境的介紹讓學(xué)習(xí)者更好地領(lǐng)悟物品的應(yīng)用場合，激發(fā)學(xué)習(xí)者的改進(jìn)熱情。

(2)設(shè)備培訓(xùn)。此處所指的設(shè)備包括工具、零件和材料。制造型STEM教育應(yīng)用目標(biāo)的完成離不開設(shè)備的支持，為了讓學(xué)習(xí)者更好地并且更安全地使用設(shè)備，專業(yè)的培訓(xùn)是必要的。但需要注意的是，這里的設(shè)備培訓(xùn)并不是把所有設(shè)備的使用全部講一遍，而是只針對(duì)本次將會(huì)用到的功能做一個(gè)簡單的介紹，讓學(xué)習(xí)者在后面的模仿中深入學(xué)習(xí)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)設(shè)備使用的安全規(guī)則。

(3)模仿制造。模仿制造環(huán)節(jié)的關(guān)鍵是讓學(xué)習(xí)者盡快地完成制造，感受制造帶來的快樂，所以教師在這個(gè)環(huán)節(jié)只需要描述怎么做，不需要講解其中的原理和知識(shí)要求，學(xué)習(xí)者自然地會(huì)跟著模仿，無需深入思考，從而盡快達(dá)成目標(biāo)。

(4)知識(shí)講解。當(dāng)學(xué)習(xí)者完成了既定制造目標(biāo)后，自然就會(huì)從欣賞作品過渡到思考原理，這時(shí)候教師再開始知識(shí)點(diǎn)的講解會(huì)起到更好的效果，包括工作原理、加工要點(diǎn)、設(shè)計(jì)理念等內(nèi)容。

(5)協(xié)同改進(jìn)。模仿的目標(biāo)是為了更好地改進(jìn)，當(dāng)學(xué)習(xí)者了解了自己所完成作品的工作原理和應(yīng)用情境后，就有可能激發(fā)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新意愿，通過小組之間的協(xié)作對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行合理地改進(jìn)，制造出更有價(jià)值的作品。

(6)分享反思。當(dāng)學(xué)習(xí)者完成了改進(jìn)后的作品以后，需要總結(jié)此次制造項(xiàng)目掌握的技能、設(shè)計(jì)思路以及改進(jìn)方式，并通過與不同學(xué)習(xí)者之間的分享交流，享受制造的樂趣，提升參與制造的熱情。

1.案例一

MIT動(dòng)手創(chuàng)新課程中有一節(jié)課：制作電報(bào)機(jī)，面向的是初中的學(xué)生，涉及的學(xué)科是物理學(xué)和工程學(xué)，通過該課程要達(dá)到的目標(biāo)是了解發(fā)報(bào)機(jī)的工作原理，動(dòng)手制作簡易的電報(bào)機(jī)，能用光或聲音表達(dá)，理解現(xiàn)代信息通訊技術(shù)的重要性。教學(xué)過程如下：(1)問題情境引入：從古至今人們是如何進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息傳遞的？(2)制作簡易的電報(bào)機(jī)：學(xué)生根據(jù)以下步驟進(jìn)行制作：把電池用膠布粘在硬紙板的一角；把按鍵開關(guān)用自攻螺絲固定在硬紙板的中央；把二極管用自攻螺絲固定在硬紙板的空位置上；最后把電池、開關(guān)、二極管全部串聯(lián)起來；(3)測試自制的電報(bào)機(jī)，了解發(fā)報(bào)機(jī)的工作原理：引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用電報(bào)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的信息傳遞，然后學(xué)生分組討論，設(shè)計(jì)電碼，電碼可以是二進(jìn)制，也可以是莫爾斯代碼，最后分三種形式進(jìn)行測試：第一種是同小組的兩位同學(xué)之間背對(duì)背，一個(gè)發(fā)送電報(bào)，另一個(gè)接收電報(bào)；第二種是兩個(gè)不同的小組背對(duì)背，一個(gè)發(fā)送電報(bào)，另一個(gè)接收電報(bào)；第三種是各組按照任務(wù)單向演示臺(tái)發(fā)送電碼，將最后結(jié)果顯示在大屏幕上；通過三種形式的測試，各小組分析自己制作的電報(bào)機(jī)的優(yōu)劣，并進(jìn)行改進(jìn)；(4)師生總結(jié)整個(gè)活動(dòng)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)的感受，學(xué)生自由提問，教師引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考：除了利用光之外，還可以怎樣利用其它方式進(jìn)行信息傳遞？如何保證信息的有效傳播？

通過制作電報(bào)機(jī)，學(xué)生們將物理學(xué)知識(shí)和工程學(xué)思想融合在一起，在動(dòng)手做中體會(huì)學(xué)習(xí)的樂趣，這極大地激發(fā)了學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)和探索的熱情。

2.案例二[9]

美國國防部資助的“明尼蘇達(dá)星戰(zhàn)”項(xiàng)目是一個(gè)旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)興趣的非盈利教育項(xiàng)目，該項(xiàng)目的主要活動(dòng)是讓學(xué)生以工程師的身份參與，為探索火星的模擬任務(wù)設(shè)計(jì)和建造模型火箭。隨著3D打印技術(shù)的興起，該項(xiàng)目引入了3D打印機(jī)。使用3D打印技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的過程如下：首先向?qū)W生傳授火箭的基礎(chǔ)知識(shí)，之后學(xué)會(huì)應(yīng)用CAD設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)火箭模型，然后應(yīng)用3D打印技術(shù)將設(shè)計(jì)的火箭模型的組件制作出來，以測試不同的火箭設(shè)計(jì)。之后學(xué)生會(huì)測試火箭部件并且收集火箭的落地位置以及在谷歌地圖上的位置定位等相關(guān)數(shù)據(jù)，然后分析結(jié)果，與項(xiàng)目負(fù)責(zé)工程師討論組件的設(shè)計(jì)是如何影響其飛行路徑的。

在這一項(xiàng)目課程中，3D打印技術(shù)發(fā)揮著制作飛機(jī)模型組件以及建構(gòu)學(xué)習(xí)火箭設(shè)計(jì)知識(shí)的探究情境方面發(fā)揮了重要作用，具體表現(xiàn)為：首先，3D打印技術(shù)提供了模型組塊快速生成的能力，使原來只能在電腦中存在的設(shè)計(jì)方案可以通過3D打印機(jī)制作出來，這種將理念模型實(shí)體化的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)火箭的測試和試飛提供了技術(shù)支持；其次，使用3D技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，塑造了一種真實(shí)的問題情境，通過火箭模型的制造成型和測試、試飛，學(xué)生們會(huì)真切體會(huì)到自己的設(shè)計(jì)與成果建立的真實(shí)聯(lián)系，這會(huì)極大程度地增強(qiáng)學(xué)生日后學(xué)習(xí)的熱情和進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的興趣。研究發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)在該項(xiàng)目的應(yīng)用得到師生的一致認(rèn)可，對(duì)該項(xiàng)目的順利進(jìn)展發(fā)揮了積極地推動(dòng)作用。

3.案例三[10]

美國科羅拉多大學(xué)波德分校工程學(xué)院整合教學(xué)項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的STEM課程——聲音，面向三至五年級(jí)的學(xué)生設(shè)計(jì)，涉及的學(xué)科領(lǐng)域是物理科學(xué)、科學(xué)與技術(shù)，其目標(biāo)是讓學(xué)生掌握聲音的物理學(xué)知識(shí)，并能應(yīng)用工程設(shè)計(jì)理念和所學(xué)知識(shí)完成一系列制作活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生“學(xué)以致用”的能力。課程設(shè)計(jì)如下：(1)向?qū)W生展示聲波裝置，以直觀式教學(xué)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)聲波，了解音頻工作者的工作及其工作環(huán)境，通過學(xué)習(xí)能夠?qū)⒁纛l師的工作同電影和音樂聯(lián)系起來，能夠解釋音頻工程師是如何使用聲音的科學(xué)知識(shí)操縱聲音的；理解聲波是如何傳播和變化的，特別是當(dāng)聲音穿過不同介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生哪些現(xiàn)象，以及如何根據(jù)環(huán)境控制聲音的增強(qiáng)和減弱，然后通過問題討論(為什么聲音可以以自己的方式從收音機(jī)或MP3播放器中傳出呢？)評(píng)價(jià)是否掌握了這些知識(shí)；(2)在第一個(gè)實(shí)踐活動(dòng)中學(xué)生們需要分析聲音特性的材料，建模麥克風(fēng)的位置使其產(chǎn)生一個(gè)特定的音樂形象；(3)將學(xué)生帶入一個(gè)聲音傳播的演示情境中，利用一個(gè)由金屬瓶身和PVC桿構(gòu)成的簡易傳聲裝置認(rèn)識(shí)聲波，觀察聲音在緊繃的桿上產(chǎn)生波動(dòng)，理解聲波是能量的脈沖，可以在空氣、固體、液體等介質(zhì)中傳播，聲波具有能量，通過貝爾發(fā)明電話的故事強(qiáng)化學(xué)生探索聲音科學(xué)世界的熱情；(4)在第二個(gè)實(shí)踐活動(dòng)中建模和分析一個(gè)簡易電話，所需材料是紙杯、圖釘、尼龍繩等，首先學(xué)生需要分析聲音是如何通過連接繩子的紙杯進(jìn)行傳播的，然后他們講紙杯和尼龍繩連起來制成一個(gè)簡易電話，最后，他們改變繩子的距離，重新設(shè)計(jì)簡易電話。通過制作簡易電話，使學(xué)生認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)程通訊使世界聯(lián)系更緊密的重要性；(5)向?qū)W生介紹聲音環(huán)境是如何影響房屋建筑的設(shè)計(jì)的，通過幾個(gè)實(shí)例讓學(xué)生學(xué)習(xí)聲學(xué)工程的設(shè)計(jì)，并讓學(xué)生使用不同的材料、厚厚的窗簾、吸音板等，來制造一個(gè)聲音環(huán)境良好的房屋。

將學(xué)生常見的生活現(xiàn)象——聲音，與學(xué)生不甚了解的音頻師的工作聯(lián)系起來，會(huì)充分吸引學(xué)生的興趣，通過制作簡易電話和具有良好聲音效果的房屋了解聲音工程對(duì)人類生活的重要性，讓學(xué)生體驗(yàn)小中見大的科學(xué)樂趣。將物理學(xué)科與工程學(xué)科相結(jié)合，讓學(xué)生們成為小小工程的制作者。

(四)創(chuàng)造型STEM教育應(yīng)用

創(chuàng)造型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者通過STEM知識(shí)的綜合運(yùn)用去完成一個(gè)創(chuàng)新物品的設(shè)計(jì)和制造，其核心是創(chuàng)新性的實(shí)現(xiàn)，是基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)在STEM教育中的特定應(yīng)用。當(dāng)然，在實(shí)際的應(yīng)用中，創(chuàng)新物品的方向是有指向性的，否則，學(xué)習(xí)者會(huì)出現(xiàn)因選擇太多，無從入手的情況。從基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)模式出發(fā)，創(chuàng)造型STEM教育應(yīng)用基本步驟如下：

(1)情境引入。創(chuàng)造型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是完成一個(gè)創(chuàng)新物品的設(shè)計(jì)和制造，雖然非物化作品的設(shè)計(jì)也在創(chuàng)新這列，但考慮到成果驗(yàn)證的方便性，STEM教育中的創(chuàng)新以物化成果為主。創(chuàng)新來自于生活中的問題，所以教師需要引入極具吸引力的情境激發(fā)學(xué)習(xí)者從中尋找需求并明確創(chuàng)造方向。

(2)創(chuàng)新引導(dǎo)。當(dāng)學(xué)習(xí)者有了明確的目標(biāo)以后，教師需要從兩方面對(duì)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新進(jìn)行引導(dǎo)，一方面是創(chuàng)新的方向，教師需要根據(jù)學(xué)習(xí)者確定的創(chuàng)新物化目標(biāo)提供可行的創(chuàng)新方向和思路的指導(dǎo)，具體的創(chuàng)造行為由學(xué)習(xí)者完成；另一方面則是創(chuàng)新的可行性，教師需要對(duì)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新目標(biāo)進(jìn)行可行性分析，防止學(xué)習(xí)者設(shè)定一個(gè)在當(dāng)前條件下無法實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新目標(biāo)。

(3)協(xié)同設(shè)計(jì)。當(dāng)學(xué)習(xí)者有了切實(shí)可行的創(chuàng)造目標(biāo)以后，就可以采用小組協(xié)作的方式，讓每個(gè)成員從自己的專業(yè)背景出發(fā)，完成作品的結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電子、傳動(dòng)、外觀、動(dòng)力、人機(jī)交互等方面的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行必要的評(píng)估，設(shè)計(jì)—評(píng)估—再設(shè)計(jì)是一個(gè)迭代過程，直到得到一個(gè)大家都認(rèn)可的設(shè)計(jì)方案為止。

(4)制造驗(yàn)證。有了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案以后，學(xué)習(xí)者就可以開始進(jìn)行作品的實(shí)際制造過程，考慮到設(shè)計(jì)和制造之間的差異性，一旦在制造過程中出現(xiàn)無法解決的問題，學(xué)習(xí)者必須回到步驟3進(jìn)行設(shè)計(jì)的修改。

(5)應(yīng)用改進(jìn)。當(dāng)完成了創(chuàng)新作品的制造以后，學(xué)生就可以把它放到現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行有效性的驗(yàn)證，包括自身功能和用戶體驗(yàn)兩方面，并形成改進(jìn)意見，必要時(shí)重新回到步驟3開始新一輪的設(shè)計(jì)過程。

(6)分享反思。當(dāng)學(xué)習(xí)者完成了自己認(rèn)可的創(chuàng)新作品以后，教師需要鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行必要的產(chǎn)品文稿設(shè)計(jì)和展示包裝，并進(jìn)行充分地作品分享，通過分享讓學(xué)習(xí)者喜歡上創(chuàng)新，同時(shí)通過分享中的觀眾交互，反思作品的進(jìn)一步改進(jìn)。

1.案例一[11]

澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)教育學(xué)院Lyn D English和Donna T King對(duì)工程設(shè)計(jì)中的STEM學(xué)習(xí)做了一個(gè)縱向研究，選取昆士蘭2所私立小學(xué)和3所州立小學(xué)，對(duì)四年級(jí)的學(xué)生實(shí)施培養(yǎng)學(xué)生航空航天領(lǐng)域問題解決能力的STEM課程，為老師提供詳細(xì)的課程手冊(cè)，包括額外的網(wǎng)絡(luò)資源，為學(xué)生提供工作手冊(cè)，讓學(xué)生獨(dú)立完成任務(wù)。課程是從三個(gè)水平進(jìn)行的：第一個(gè)階段是學(xué)習(xí)航空航天工程和航空動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，包括認(rèn)識(shí)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)流體力學(xué)原理、探究影響飛機(jī)飛行的影響因素；第二個(gè)階段是選擇合適的制作材料，使用恰當(dāng)?shù)臏y量方法和材料折疊的方法，使用工程設(shè)計(jì)軟件，繪制2D飛機(jī)圖紙或者設(shè)計(jì)一個(gè)3D飛機(jī)模型(注：根據(jù)學(xué)生個(gè)人能力和學(xué)習(xí)水平，可以設(shè)計(jì)不同復(fù)雜程度的作品)，該階段遇到的問題比較多樣，包括飛機(jī)材料、形狀、尺寸的確定，飛行性能的好壞等，需要學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理和工程的知識(shí)和技能解決問題，然后對(duì)初步設(shè)計(jì)的飛機(jī)進(jìn)行測試，與教師、同學(xué)交流想法和改進(jìn)意見，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)；第三個(gè)階段是對(duì)初步設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，再測試，直到產(chǎn)出滿意的作品，最后給出飛機(jī)的設(shè)計(jì)過程的書面說明和詳細(xì)的計(jì)算過程。

研究結(jié)果顯示，通過一系列STEM課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以完成初步的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行較為復(fù)雜的再設(shè)計(jì)飛機(jī)模型，而且學(xué)生在第二階段和第三階段頻繁地使用了數(shù)學(xué)思維和工程思維，能夠?qū)⑾嚓P(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)和科學(xué)知識(shí)應(yīng)用到航空工程設(shè)計(jì)中來，為飛機(jī)的飛行提出可行性的建議。

2.案例二[12]

EiE(Engineering is Elementary)項(xiàng)目是波士頓科學(xué)博物館創(chuàng)辦的項(xiàng)目，其目的是培養(yǎng)孩子們的工程和技術(shù)素養(yǎng)，EiE課程實(shí)現(xiàn)了工程、技術(shù)和科學(xué)的充分融合，是典型的STEM教育。現(xiàn)以《一個(gè)驚人的想法：報(bào)警電路的設(shè)計(jì)》的EiE單元課程為例進(jìn)行分析。

該課程單元涉及的學(xué)科領(lǐng)域包括物理學(xué)和工程學(xué)，面向的是3-5年級(jí)的學(xué)生，課程設(shè)計(jì)如下：該單元共有5節(jié)課，在準(zhǔn)備課中認(rèn)識(shí)什么是技術(shù)和工程師(不算在正式課程中)。第一節(jié)課，情境導(dǎo)入，讓學(xué)生閱讀關(guān)于Emily報(bào)警器的故事，引起學(xué)生的好奇心和進(jìn)一步探索的興趣，使學(xué)生初步了解工程設(shè)計(jì)的內(nèi)容；第二節(jié)課，學(xué)習(xí)電的基本知識(shí)，主要是理解和掌握導(dǎo)體、絕緣體、電壓、電流等科學(xué)概念，認(rèn)識(shí)常見的電力技術(shù)，認(rèn)識(shí)電能作為一種人類生活廣泛使用的能源對(duì)人類社會(huì)的重要應(yīng)用；第三節(jié)課，結(jié)合前面學(xué)的基本電學(xué)知識(shí)，進(jìn)一步學(xué)習(xí)電路，先是認(rèn)識(shí)電路的構(gòu)成，其次學(xué)習(xí)畫簡單的電路圖，然后學(xué)習(xí)不同結(jié)構(gòu)的電路圖的工作原理，最后構(gòu)建一個(gè)電路原理圖；第四節(jié)課，設(shè)計(jì)一個(gè)報(bào)警電路系統(tǒng)，運(yùn)用工程設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)報(bào)警系統(tǒng)，畫出滿足要求的電路圖，并闡明該電路的工作原理，然后在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上與教師和同學(xué)討論和提問，設(shè)想不同的解決方案，進(jìn)而完善第一階段的報(bào)警電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)；第五節(jié)課是能力提升課，利用“設(shè)計(jì)報(bào)警系統(tǒng)”這一主題將前四節(jié)課所學(xué)的內(nèi)容貫穿起來，綜合之前所學(xué)的物理學(xué)知識(shí)和工程設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行報(bào)警系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)，全方位檢驗(yàn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果?？v觀這一課程單元，前四節(jié)課屬于基礎(chǔ)課，逐步向?qū)W生傳遞知識(shí)信息和訓(xùn)練基本技能。

EiE課程的特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間比較短，適合低齡的學(xué)生學(xué)習(xí)，通過提供教學(xué)支架或加入較短的活動(dòng)來充實(shí)課程內(nèi)容。每個(gè)單元由多節(jié)課組成，每節(jié)課之間彼此相連，課堂上提供學(xué)生頭腦風(fēng)暴的機(jī)會(huì)，訓(xùn)練學(xué)生的思維能力，而且重視課堂管理和使用教學(xué)策略，幫助學(xué)生掌握優(yōu)化變量、解釋數(shù)據(jù)等技能[13]。

3.案例三[14]

世界在運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目課程依托美國國家標(biāo)準(zhǔn)，通過設(shè)計(jì)與學(xué)齡學(xué)生相適應(yīng)的教學(xué)活動(dòng)，將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)帶入生活。該項(xiàng)目面向的是K-8階段的學(xué)生。AWIM項(xiàng)目挑戰(zhàn)賽，由幾個(gè)不同的活動(dòng)組成，項(xiàng)目提供課程主題、簡單的課程計(jì)劃、教師手冊(cè)、故事書和配套工具。AWIM項(xiàng)目的設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)階段：確定挑戰(zhàn)目標(biāo)、建構(gòu)知識(shí)、設(shè)計(jì)任務(wù)、建造和測試、再設(shè)計(jì)、呈現(xiàn)作品。具體而言，確定挑戰(zhàn)目標(biāo)是在給定的虛擬情境中確定待解決的問題或任務(wù)；建構(gòu)知識(shí)是學(xué)生建構(gòu)解決問題所需要的知識(shí)和技能；設(shè)計(jì)是學(xué)生通過小組合作設(shè)計(jì)他們自己的玩具以滿足情境提出的要求；建造和測試是學(xué)生團(tuán)隊(duì)建造作品，并測試他們的設(shè)計(jì)是否符合要求；再設(shè)計(jì)是根據(jù)測試結(jié)果和師生交流的意見對(duì)初期設(shè)計(jì)的作品進(jìn)行修改完善，呈現(xiàn)是將最終設(shè)計(jì)的成果展示給大家。

下面以《油回收船的設(shè)計(jì)》為例進(jìn)行分析。油回收船挑戰(zhàn)將教師、學(xué)生及行業(yè)志愿者聚集起來共同在物理科學(xué)中探索，挑戰(zhàn)過程還將應(yīng)用到數(shù)學(xué)和科學(xué)的概念和技能。第一課，學(xué)生被引入一個(gè)挑戰(zhàn)的情境，收到一個(gè)虛構(gòu)的玩具公司向他們發(fā)出的挑戰(zhàn)——設(shè)計(jì)油回收船，然后他們將看到一個(gè)分離器原型；第二課學(xué)生加入設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，通過三步打造一個(gè)分離器。首先，他們使用分離器赫爾模型和指令建造船體，然后使用回形針支撐船體起航，最后在分離器上安裝桅桿；第三節(jié)課設(shè)計(jì)油回收船的外觀，需要確定形狀和面積；第四節(jié)課分享初步設(shè)計(jì)成果；第五節(jié)課對(duì)設(shè)計(jì)好的分離器進(jìn)行測試；第六節(jié)課測試油回收船；第七節(jié)課學(xué)生就測試的結(jié)果分析討論，制作反映結(jié)果的圖表；第八節(jié)課重新設(shè)計(jì)油回收船，滿足分離器和帆的性能要求。學(xué)生在完成任務(wù)挑戰(zhàn)的過程中，就不斷強(qiáng)化了運(yùn)用工程的方法解決實(shí)際問題的能力。

四、結(jié)束語

STEM素養(yǎng)對(duì)于一個(gè)國家的國際競爭力、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及國民素質(zhì)都有著重要的意義，這一切都需要靠STEM教育的正確開展來完成，所以說STEM教育具有及其廣泛的應(yīng)用前景。本文從不同STEM教育應(yīng)用學(xué)習(xí)成果把STEM教育應(yīng)用分成了驗(yàn)證型、探索型、制造型和創(chuàng)造型，但這樣的分類并不是絕對(duì)的，它只考慮了學(xué)習(xí)者的最終成果。若從中間過程考慮，驗(yàn)證、探究、制造和創(chuàng)造是有可能交替出現(xiàn)的，所以教師在使用時(shí)需要教師需要圍繞目標(biāo)，從學(xué)習(xí)者特點(diǎn)、學(xué)習(xí)環(huán)境等因素出發(fā)進(jìn)行靈活選擇和綜合應(yīng)用,使STEM教育的效果達(dá)到最好。

[1] Morrison, J. & Bartlett, R. STEM as a curriculum: An experiential approach[EB/OL].http://www,mheonline,com/assets/pdf/STEM/articles/stem_as_curriculum,Pdf，2009-03-04.

[2] STEM EDUCATION ACT OF 2015[DB/OL]. https://www.congress.gov/bill/114th-congress/house-bill/1020/tex,2015-10-07.

[3] 楊亞平.美國、德國與日本中小學(xué)STEM教育比較研究[J].外國中小學(xué)教育,2015,(8):23-30.

[4] W.Bertelsmann Verlag. Hauke Sturm Design, Perspektive MINT—Wegweiser fur MINT-Forderung und Karrieren in Mathematik,Informatik, Naturwissenschaften und Technik.Bundesministerium fur Bildung und Forschung[M].Berlin: Bundesministerium Fur Bildung Und Forschung,2012.

[5] 李協(xié)京.整合培養(yǎng)科技創(chuàng)新力[EB/OL]. http://www.ezhijiao.net/newmodel.asp?newsid=24493&t=221,2015-06-03.

[6] 張玉嫻. 追求公平和卓越—新世紀(jì)以來澳大利亞基礎(chǔ)教育改革研究[D].上海:華東師范大學(xué),2015.

[7] Scott Burns, Brian Sandal. Curricular Unit: Android Acceleration Application[DB/OL]. https://www.teachengineering.org/view_curricularunit.php?url=collection/uno_/curricular_units/uno_accelerometer/uno_accelerometer_unit.xml,2016-02-19.

[8] Regents of the University of Colorado，Curricular Unit: Air Pollution[DB/OL].https://www.teachengineering.org/view_curricularunit.php?url=collection/cub_/curricular_units/cub_air/cub_air_curricularunit.xml,2016-02-29.

[9] 李青,王青. 3D打印:一種新興的學(xué)習(xí)技術(shù)[DB/OL]. http://www.doc88.com/p-1436193127708.html,2016-02-29.

[10] Regents of the University of Colorado, Curricular Unit: Sound[DB/OL].https://www.teachengineering.org/view_curricularunit.php?url=collection/cub_/curricular_units/cub_sound/cub_sound_curricularunit.xml,2016-02-19.

[11] Lyn D English, Donna T King. STEM learning through engineering design: fourth-grade students’ investigations in aerospace[DB/OL].http://www.doc88.com/p-7018943203601.html,2016-02-19.

[12] EiE. An Alarming Idea: Designing Alarm Circuits [DB/OL].http://www.eie.org/eie-curriculum/curriculum-units/alarming-ideadesigning-alarm-circuits,2016-02-19.

[13] 王玲玲. 基于STEM的小學(xué)科學(xué)課程設(shè)計(jì)研究[D].上海:華東師范大學(xué),2015.

[14] SAE International, A World in Motion: skimmer challenge[DB/OL].http://awim.sae.org/curriculum/skimmer/,2016-02-19.

責(zé)任編輯：宋靈青

From Verification to Creation—A Research on STEM Education Performance Models in Middle and Primary Schools

Fu Qian, Liu Pengfei
(School of Educational Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875)

With the social requirement of talents is on the rise, STEM Education aiming at cultivating creative inter-disciplinary talents has popularized all around the world. This paper firstly describe concept and historical development of STEM Education,then classifies the STEM Education’s performance models based on the different outcomes into four parts: verification, exploration,fabrication and creation. Every model can be implemented with scaffolding or open-ended, the procedures and typical cases will be prominently figured in the paper. Furthermore, the distinction among these models is not clear-cut, so teachers should choose feasibly and apply comprehensively in the consideration of program objectives, learners’ features, learning environment and other factors.

STEM Education; Performance Model; Maker Education

G434

：A

1006—9860(2016)04—0071—08

傅騫：副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)教育應(yīng)用(fredqian@bnu.edu.cn)。

劉鵬飛：在讀碩士，研究方向?yàn)閿?shù)字化科普。

2016年3月1日