STEM項目課程化的探索與思考

葉耀 柏毅

[摘 要]STEM是實施科學教育的有效方法之一。STEM教育通常以項目的形式呈現(xiàn)，從教育的實際出發(fā)，STEM項目只有實行課程化才能更大程度地為STEM人才培養(yǎng)服務。在STEM項目課程化過程中，教師需要首先考慮“學生能收獲什么？培養(yǎng)學生怎樣的素質？學生的創(chuàng)意體現(xiàn)在哪里？”，在此基礎上設計教學環(huán)節(jié)。普適性的STEM教育可以采取STEM項目的“課程化”與科學課程的“STEM化”兩種模式。

[關鍵詞]STEM；科學教育；課程化

一、STEM的科學教育特征

善于解決各種工程問題的人才被稱為STEM人才，這樣的人才代表著一個企業(yè)乃至一個國家的競爭力。一個工程問題的解決離不開STEM（科學Science、技術Technology、工程Engineering和數學Mathematics）四門核心學科。但是對于STEM教育，形式本不是主要的。從本質上看，STEM教育是為了培養(yǎng)具有“科學創(chuàng)新素養(yǎng)”的未來人而探索出的一種科學教育方法。雷朝滋在第四屆中國未來學校大會的致辭中提到，“科學教育”有兩層含義：一是科學學科的教育；二是用科學的方法進行科學的教與學。“以自然科學的范式，以自然科學手段，特別是信息科學、神經科學、生命科學與傳統(tǒng)教育科學交叉融合，研究教育科學基礎問題”，這為科學教育的發(fā)展提供了思路。其中，依據“腦的自然學習法則”[1]將成為科學教育的首要依據。

創(chuàng)造力是人腦心智能力與行為能力的綜合呈現(xiàn)[2]。創(chuàng)造能力的核心要素是人類在總結的基礎上發(fā)展起來的。原中國科學院理論所所長郝伯林在一次談話中提到：一切可以發(fā)生與發(fā)展的才是可以教育的，以物理學為例，翻開大學普通物理教材，其目錄呈現(xiàn)的就是物理學發(fā)展史。以物理為例，是因為物理學科是一門相對成熟的科學學科。按照“可以發(fā)生、發(fā)展的就是可以教育的”這一觀點，則創(chuàng)造能力的核心要素是可以培養(yǎng)的。因為人的大腦功能具有終身“重塑”特征，這樣的“重塑”依賴于“社、物、身、腦、心理”之間的一體化相互作用[3]。即：多器官共同參與學習的過程，才是腦有效“重塑”的保障。當學生面對需要解決的問題時，他們的學習或工作才是積極的。這對于學生形成科學的“概念與模型”具有決定性作用。神經教育學認為：不管是直覺決策系統(tǒng)還是推理判斷決策系統(tǒng)，掌握概念和建立模型都是決策必要的基礎，學什么概念，如何建立模型必然會影響決策判斷能力和創(chuàng)新能力[4]。

既然STEM教育直指創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，那么這樣的培養(yǎng)就應該是面向全體公民的，而不應只是小眾的專利。要開展普適于義務教育階段的STEM教育，就必須將STEM項目作課程化處理。以江蘇省太倉市第一中學與東南大學兒童發(fā)展與教育研究所的合作研究為例，該項目選擇全體初一年級學生，在一個學期中，安排每周一節(jié)（共約16節(jié)課），進行了“降落傘制作”的STEM項目課程化的實證研究。

二、STEM教育的課程化探索

1.確定課程內容要素

課程任務：制作一個降落傘，使之能攜帶100克重物，從四樓下降，達到安全的落地速度（<1m/s）。

S（科學）：在“降落傘制作”項目中，要求知道重力是使地球上物體下落時加速的原因；知道空氣對運動物體具有阻力；通過探究感知空氣阻力的大小與面積、形狀、速度有關；知道阻力能使物體減速；初步理解一定質量物體的運動速度與人體傷害程度的關系；初步理解安全下降落地速度；能運用控制變量法對降落傘的面積、形狀、傘面材料、線長、線數的選擇進行研究。

T（技術）：能依據“放樣”技術，合理裁剪、拼接材料達到節(jié)約原材料的目的；能依據材料強度選擇合適的拴線技術，即能通過拴線保證傘面展開成一個有效的形狀、更加牢固及防止纏繞；能仿制圓規(guī)原理畫較大的圓。

E（工程）：初步學習工程制圖技術；理解分工合作對于工程的意義，如小組的領導協(xié)調、資料的收集、材料的保管、討論和實驗過程的記錄、工程的設計、工具的操作、產品的制作等。

M（數學）：能依據降落傘圖片資料運用相似比估算傘面大小以縮小研究范圍；能利用位似圖形的位似比確定傘繩的長短。

2.確定創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)指標

（1）培養(yǎng)閱讀能力

降落傘課程從閱讀達·芬奇于1483年畫在一個記事薄上的人類第一個降落傘的設計圖開始。這只降落傘與現(xiàn)代降落傘不同，它包含了4個等邊三角形，每條邊長達7米，并設計了木質框架，外形看起來就像一座金字塔。在這張圖的旁邊寫著：如果有人用一大幅涂上樹膠的麻布，每邊長12碼（約10.97米），高12碼，那么不論他從多高處跳下來，都不會受傷。從這張圖開始，引發(fā)學生思考：你認為達·芬奇的設計是否可行？說出你的理由。

初一學生的回答十分有趣。包括“木頭框架要砸死人的”“涂上樹膠的麻布要被戳破的”“不可行，因為從來就沒有看見現(xiàn)代降落傘是這個樣子的”，幾乎所有學生都認為“不可行”。學生之所以作出這樣的回答，其根本原因是缺乏“科學閱讀”的基本素養(yǎng)。反觀初中數理化的學科，“讀題”是很多學生的大問題。在腦科學的研究中，眼動儀可以有效分析學生在閱讀時目光是否停留在有效信息上。為此，教師要求學生：第一步，劃出核心詞；第二步，將劃出的詞分類；第三步，引導學生將上述文字歸為 “目的”與“條件”兩類；第四步，圍繞目的與條件探索可行的方法。

（2）培養(yǎng)不怕失敗的品質

初一學生通常都急切地想展現(xiàn)自己的創(chuàng)意，從第一次制作與放飛的情況看，降落傘的結構與降落效果可謂“五花八門”。學生用各種方法呈現(xiàn)自己對于降落傘的想法與創(chuàng)意，有鍋蓋形的（用鋼絲制作一個鍋蓋底），有雨傘形的（用竹簽制作），有“子母”形的（一大多?。男Ч麃砜?，有成功的，也有失敗。而失敗才是STEM教育的開始。初一學生往往容易“勝則驕傲、敗則氣餒”，這在其他學科的學習中也很常見。在STEM活動中，失敗很常見。教師應正確引導學生面對失敗，使失敗成為促進學生探究學習和解決問題的開始。

（3）學習科學探究方法

依據放飛時出現(xiàn)的情況，要求學生就“影響降落傘下降速度與下降穩(wěn)定性”的原因進行有理論依據的科學猜想，當學生得出“降落傘的下降速度及穩(wěn)定性與傘面面積、傘面形狀、傘面材料、線的根數、線的長度諸因素有關”時，引入控制變量法與相關實驗設計，進行科學探究。比如，各小組分別選擇一個規(guī)定變量制作降落傘，這樣既增加了學生“工程目標”意識，又培養(yǎng)了組間的合作意識。即學生被要求制作一個符合設計圖紙的降落傘。如怎樣保證圓形、正方形、長方形的面積相等；怎樣根據提供的材料，通過合理的裁剪、拼接來制作傘面；怎樣估算線的長度等。

（4）培養(yǎng)數據分析的能力

通過實驗數據尋找結論，這在其他教學活動中常難以實現(xiàn)。比如，對于物理探究實驗的結論，時常出現(xiàn)教師明白而學生不明白的“信息不對稱”現(xiàn)象；在制作降落傘的STEM項目中，教師引導學生觀察現(xiàn)象并分析實驗數據，得到了合格降落傘的大致數據指標。例如：面積與配重之比的范圍是50～100cm2/g，且比值越大，落地速度越??；傘面材料密度越小越好，材料具有一定硬度更利于傘面展開；合適的線數是傘面舒展的保障；“線長/直徑=1.5”時傘的降落最穩(wěn)定。

由于這些是學生親自實驗得到的結果，所以看起來很有親切感。同時，學生也會認識到，只要多次進行控制變量法的實驗，就可以得到很多其他與降落傘有關的結論。

（5）培養(yǎng)寫作能力

撰寫自己的觀點這一科學素養(yǎng)要在不斷訓練中發(fā)展起來。要讓學生寫出自己的觀點與設想，畫出自己的設計圖，交流自己的觀點與設想，評論他人的作品（要求從開傘舒展度、落地速度、穩(wěn)定性、制作質量、藝術感幾個方面進行評價）。項目結束時要以小組為單位撰寫工程報告書，內容包括：預期目標、施工圖紙、技術數據、實驗數據、實驗結論、實驗感想、參與者任務等。如讓學生撰寫科技小論文《降落傘的科學原理》；讓學生完成一次降落傘的改進設計（包括提出改進點、改進原理、制圖、預期等）。

（6）STEM文化的熏陶

STEM文化對學生的情感、態(tài)度、價值觀有重要影響。學生在STEM活動過程中體會“辦法總比困難多”“失敗乃成功之母”“我們不應該只著眼于自己完成了什么，而應該看到還有什么需要完成”“科學家之間最常談論的話題并不是已知的研究成果，而是他們尚未解開的科學問題，以及要如何進行下一階段的實驗”“探究無止境”等，這樣的文化熏陶遷移到其他課程的學習中，將使學生受益匪淺。

三、STEM項目課程化的趨向

STEM項目與STEM課程的區(qū)別在于前者可以是孤立的、隨機的，而后者應該是系統(tǒng)的、相對成熟穩(wěn)定的。作為課程，應該具有分階段的、明確的、可以達成的教學目標。

1.碎片化與系統(tǒng)化的調和

相對于目前學科教學的系統(tǒng)化而言，STEM教學中的學科知識呈現(xiàn)出碎片化的特點。而對于某一個特定的項目，各STEM相關知識點與能力發(fā)展點又具有了系統(tǒng)化的特征。也就是說，學科教育與STEM教育是兩種不同的知識建構途徑。較之系列化的學科教學，學生在學習這些碎片化知識時，更能體現(xiàn)“從學科本質的角度”去理解，這恰恰是傳統(tǒng)學科教育過程中被忽略的。因為，學科本來就是在解決問題的過程中發(fā)展起來的。如果能將各STEM項目的設置次序與各相關學科的課程標準結合起來，也就是學界提出的“整合的STEM”，那么碎片化與系統(tǒng)化是可以調和的。而且，以STEM項目作為載體，顯然更有利于學科教育。

2.STEM“課程化”與課程“STEM化”的選擇

就目前的課程體系來看，STEM教學有兩種選擇。一是作為一門獨立的課程存在于中小學課程體系中，這樣就必須實現(xiàn)STEM項目的“課程化”。就目前的實際情況看，這就猶如在基礎教育課程外，加入STEM課程，以達到對基礎教育課程的完善與補充。但這樣的課程化也必然會受到教師學術背景的影響。二是在各科學學科中滲透STEM理念，即課程教育的“STEM化”。目前階段，實施課程教育的“STEM化”，在操作層面上看似乎更容易些。

從資料顯示來看，美國的STEM教育也是經歷了單學科的滲透STEM教育、多學科整合的滲透STEM教育、學生自主的STEM教育三個層次。由于學者在引進STEM教育時，重點介紹了第三層次的自主STEM教育，以致第一層次學科教育“STEM化”沒有得到學界的關注。

3.微課程與STEM教育的結合

受教師學術背景的限制，在實施STEM教育的過程中，必然會遇到科學（S）、技術（T）、工程（E）、數學（M）方面相關知識與學科思維的挑戰(zhàn)，而在基礎教學中被評價為“碎片化”的微課程將成為有力支撐。由此而創(chuàng)作的系列微課程，在一個具體項目的學習中，恰恰形成的是一個有機的整體教學資源。于是，制作大量的與科學、技術、工程、數學相關，乃至與人文、藝術、科技閱讀、科技寫作等方面相關的微課程資源就成為必要。比如在降落傘制作項目中的《空氣阻力》《工程制圖初步》《怎樣進行放樣》《栓線技術》等，有了這些微課程的輔助，學生的探究學習會更加有效。

4.工程與技術課程標準的制定

科學課所涉及的內容，在中小學都有課程標準作依托，便于教師把握教學難度。而STEM課程涉及到工程與技術，中小學教師通常缺乏相關學科背景，因此不易確定和把握相關的參考標準，比如處于不同學段的學生在紙工技術、木工技術、金工技術、電子技術、編程技術等方面可以達到的等級。我國新發(fā)布的《義務教育階段小學科學教育標準》中，已將“技術與工程”內容納入其中；美國《2014國家教育進展評估的技術與工程素養(yǎng)框架》中也對此有詳細描述。這些都可以為教師們提供參考。

5.課時的安排

獨立設置的STEM課程需要引導、討論、設計與制作、實驗、總結與反思等環(huán)節(jié)。按照目前一周一節(jié)的課時安排，對于制作與實驗這樣的任務，往往出現(xiàn)“思維斷鏈”，如果改為連續(xù)的兩節(jié)課，甚至三節(jié)課的時間，會給課表的安排帶來困難；如果采用“科技活動日”的方式，即在同一天，讓學生完成一個項目，又涉及同一年級沒有這么多的STEM課程教師等諸多問題。因此，在課時安排上，要綜合考慮以上問題。

6.STEM教育的出路

創(chuàng)造力對于個體發(fā)展、國家和民族發(fā)展都具有重要意義，因此學校和教師要為學生創(chuàng)造力的發(fā)展而教。但是目前，在很多學生與家長看來，創(chuàng)造力與他們眼前正面臨的升學目標沒有必然的聯(lián)系。為此，應該使家長和學生們進一步認識到STEM教育對于個體發(fā)展的重要意義，并考慮是否要將其列為學生升學時的一項參考依據。

STEM項目所呈現(xiàn)的教育功能，恰恰是目前基礎教育階段最缺乏的功能。無論是作為基礎教育的補充，還是作為今后教育發(fā)展的一種必然，在現(xiàn)階段，將STEM項目課程化，面向中小學全體學生開展STEM教育，都具有重要的現(xiàn)實意義。從STEM所呈現(xiàn)的教學方法來看，有理由相信，如果目前基礎教育課程的教師能夠理解STEM教育的理念與功能，那么任何學科，包括語文、歷史、道德與法治等沒有被STEM重點提名的課程，都具有STEM化的空間。因為STEM可以理解為一種科學的教學方法，這個方法的核心特征就是在解決問題的過程中學習知識，并跨學科地應用知識。這也正是倡導課程教育“STEM化”的依據所在。

參考文獻

[1][美]E·詹森著.基于腦的學習[M].梁平，譯.上海：華東師范大學出版社，2008.

[2][3]吳祖仁等.讓腦科學助推我國新一輪課程改革[J].基礎教育課程，2017（6）：28-33.

[4]韋鈺.以大概念的理念進行科學教育[J].人民教育，2016（1）：41-45.

（責任編輯 郭向和）