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)