把握“三條主線”助力STEM教育實(shí)踐

蔣雄超

[摘 要] STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）教育的簡(jiǎn)稱。在教育部新頒布《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》的大背景下，以“設(shè)計(jì)制作”為主體的活動(dòng)為開(kāi)展STEM學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)了平臺(tái)?；赟TEM理念的設(shè)計(jì)制作學(xué)習(xí)圍繞“情境問(wèn)題、項(xiàng)目學(xué)習(xí)、知識(shí)運(yùn)用”三條主線開(kāi)展活動(dòng)，在實(shí)踐中幫助學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)形成有力而真實(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]綜合實(shí)踐課程;STEM學(xué)習(xí);設(shè)計(jì)制作

2017年9月，教育部發(fā)布了新版《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》，其學(xué)習(xí)領(lǐng)域由原來(lái)的研究性學(xué)習(xí)、社區(qū)服務(wù)與社會(huì)實(shí)踐、勞動(dòng)與技術(shù)教育、信息技術(shù)教育四個(gè)方面，轉(zhuǎn)變?yōu)榭疾焯骄?、社?huì)服務(wù)、設(shè)計(jì)制作、職業(yè)體驗(yàn)四大基本活動(dòng)方式。

其中，以“設(shè)計(jì)制作”為主體的活動(dòng)主要圍繞工程技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)意創(chuàng)新，在學(xué)習(xí)方式上強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決一個(gè)真實(shí)情境下的真實(shí)問(wèn)題或完成一個(gè)現(xiàn)實(shí)的任務(wù)。既包含工程技術(shù)與科學(xué)探究，又需要數(shù)學(xué)知識(shí)的支撐，其跨學(xué)科的特點(diǎn)使之成為開(kāi)展STEM學(xué)習(xí)的有利平臺(tái)。在開(kāi)展基于STEM理念的設(shè)計(jì)制作學(xué)習(xí)中，教師要把握好情境問(wèn)題、項(xiàng)目學(xué)習(xí)和知識(shí)運(yùn)用“三條主線”，并將其滲透于STEM學(xué)習(xí)的各個(gè)環(huán)節(jié)，使之成為STEM教育的有效助力器。

一、情境問(wèn)題線——基于STEM理念的設(shè)計(jì)制作學(xué)習(xí)紐帶

“在STEM教育中，不再將重點(diǎn)放在某個(gè)特定學(xué)科或者過(guò)于關(guān)注學(xué)科界限，而是將重心放在特定問(wèn)題上，強(qiáng)調(diào)利用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科、從多學(xué)科知識(shí)綜合應(yīng)用的角度提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力?！币虼耍谠O(shè)計(jì)制作的STEM學(xué)習(xí)要以問(wèn)題為紐帶，在情境中呈現(xiàn)問(wèn)題，還原問(wèn)題的真實(shí)性、趣味性和探究性等特點(diǎn)，鏈接學(xué)科知識(shí)，驅(qū)動(dòng)STEM活動(dòng)開(kāi)展。

（一）真實(shí)性

STEM教育認(rèn)為，知識(shí)是蘊(yùn)含在真實(shí)的問(wèn)題情境中的。在真實(shí)問(wèn)題情境中，學(xué)生利用多學(xué)科、跨學(xué)科知識(shí)積極探索、解決問(wèn)題，以此助力學(xué)生理解所學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題背后蘊(yùn)含的信息，加深知識(shí)的理解與運(yùn)用。

“橋梁模型”是針對(duì)學(xué)校將要建設(shè)的進(jìn)校橋梁而提出的問(wèn)題。在課上，老師帶著同學(xué)們一起來(lái)到新建的校門(mén)口：“以后我們要從這個(gè)校門(mén)進(jìn)出，但是還缺少一座橋，同學(xué)們能否幫助設(shè)計(jì)一下？”同學(xué)們情緒高漲，“這是我上學(xué)的必經(jīng)之路，我要想出好的設(shè)計(jì)！”在這樣一個(gè)與學(xué)生密切相關(guān)的真實(shí)情境問(wèn)題下，學(xué)生產(chǎn)生了主動(dòng)學(xué)習(xí)的意愿，繼而轉(zhuǎn)化為開(kāi)展STEM學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力。

（二）趣味性

基于STEM學(xué)習(xí)跨學(xué)科的本質(zhì)，強(qiáng)調(diào)從多維視角來(lái)研究問(wèn)題，以滿足學(xué)生的需要和興趣。由此，教師應(yīng)密切學(xué)生與生活、學(xué)校與社會(huì)的聯(lián)系，以學(xué)生的直接經(jīng)驗(yàn)、需要、興趣為基礎(chǔ)，關(guān)注自然、社會(huì)和生活中富有趣味性的問(wèn)題，讓學(xué)生在愉悅的氛圍中體驗(yàn)STEM學(xué)習(xí)。

“水火箭”是為解決水火箭降落傘無(wú)法打開(kāi)的問(wèn)題而開(kāi)展的活動(dòng)。這個(gè)項(xiàng)目來(lái)自于學(xué)生的興趣，因?yàn)樵谒鸺l(fā)射競(jìng)賽中，大部分同學(xué)的水火箭升空后降落傘無(wú)法打開(kāi)，導(dǎo)致水火箭直接落地?fù)p壞。為什么有的能打開(kāi)？發(fā)射、制作中存在著哪些不足？這些學(xué)生感興趣的問(wèn)題引領(lǐng)著學(xué)生開(kāi)展實(shí)踐，STEM學(xué)習(xí)之旅也由此展開(kāi)。

（三）探究性

STEM教育鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手活動(dòng)，針對(duì)問(wèn)題探究知識(shí)與方法的應(yīng)用，故而，基于STEM理念的設(shè)計(jì)制作要體現(xiàn)技術(shù)工程概念的探究性。在問(wèn)題解決中，學(xué)生不僅通過(guò)自主學(xué)習(xí)或教師講授獲取文本性知識(shí)，還在動(dòng)手動(dòng)腦參與學(xué)習(xí)的探究中獲取結(jié)果性知識(shí)以及蘊(yùn)含在問(wèn)題解決中的過(guò)程性知識(shí)。

“自動(dòng)散熱扇”STEM活動(dòng)來(lái)自于學(xué)?；攫B(yǎng)護(hù)活動(dòng)中的問(wèn)題。暑假天氣炎熱，校園玻璃花房的散熱成了大麻煩，學(xué)生由此產(chǎn)生了為花房設(shè)計(jì)“自動(dòng)散熱扇”的想法，而這種極具實(shí)用性和探究性的問(wèn)題，有力促進(jìn)了學(xué)生開(kāi)展STEM學(xué)習(xí)的積極性。

二、項(xiàng)目學(xué)習(xí)線——基于STEM理念的設(shè)計(jì)制作學(xué)習(xí)載體

從整體上看，基于STEM理念的設(shè)計(jì)制作學(xué)習(xí)以工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，融合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)來(lái)解決真實(shí)世界中有意義的問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)運(yùn)用各種工具、工藝進(jìn)行實(shí)踐，將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)物，以完整的作品考量學(xué)生對(duì)STEM所涉及的學(xué)科知識(shí)的掌握，體現(xiàn)的是以項(xiàng)目為基本單位的基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（PBL，Project-Based Learning），強(qiáng)調(diào)技術(shù)規(guī)范與創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力培養(yǎng)，關(guān)注科學(xué)原理與技術(shù)方法的理解與探究，注重對(duì)項(xiàng)目作品的設(shè)計(jì)與創(chuàng)造。

（一）識(shí)別問(wèn)題要求，確定項(xiàng)目

在基于真實(shí)情境的問(wèn)題提出后，學(xué)生需進(jìn)一步對(duì)問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別，既引導(dǎo)學(xué)習(xí)過(guò)程，也指導(dǎo)探索該問(wèn)題所需的活動(dòng)，不斷明晰設(shè)計(jì)制作的方向。

例如，在圍繞解決衣架使用中的問(wèn)題時(shí)，學(xué)生通過(guò)頭腦風(fēng)暴，清楚地識(shí)別出解決問(wèn)題需要依托的項(xiàng)目，并在項(xiàng)目的目標(biāo)和范圍方面達(dá)成共識(shí)，提出了“防纏繞衣架”“快速干衣架”“防皺衣架”“折疊衣架”等多個(gè)探究項(xiàng)目。通過(guò)問(wèn)題識(shí)別，一方面可以讓學(xué)生確定項(xiàng)目的實(shí)施要求，激發(fā)參與熱情;另一方面則是讓學(xué)生更好地領(lǐng)悟作品的價(jià)值，激發(fā)創(chuàng)作熱情。

（二）厘清制約因素，設(shè)計(jì)方案

除了問(wèn)題識(shí)別，在基于STEM理念的設(shè)計(jì)制作學(xué)習(xí)中，學(xué)生小組還需厘清完成項(xiàng)目所有的制約因素和標(biāo)準(zhǔn)，包括時(shí)間和資源的獲得以及作品所具備的外觀、質(zhì)量、效用等特征。在此基礎(chǔ)上，教師要引導(dǎo)學(xué)生從作品的結(jié)構(gòu)、功能、材料的利用等方面構(gòu)思、嘗試設(shè)計(jì)，提出解決問(wèn)題的多個(gè)設(shè)想。

如在“環(huán)保小臺(tái)燈”活動(dòng)中，首先，學(xué)生根據(jù)前期臺(tái)燈的調(diào)查使用情況，對(duì)大家的需要、小臺(tái)燈的技術(shù)與外觀等基本要素進(jìn)行分析，明確設(shè)計(jì)方向，確立設(shè)計(jì)定位是環(huán)保與節(jié)能;其次，在學(xué)生小組中發(fā)揮個(gè)人特長(zhǎng)，分工協(xié)作，相互啟發(fā)，提出多種小臺(tái)燈的創(chuàng)意構(gòu)思，并繪制設(shè)計(jì)草圖;最后，根據(jù)個(gè)人所設(shè)計(jì)的小臺(tái)燈的可實(shí)現(xiàn)性、美觀性、創(chuàng)造性、工藝性和安全性等評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、比較、綜合和優(yōu)化，在組內(nèi)選出最佳創(chuàng)意方案。

（三）選擇工具材料，合作探究

開(kāi)展基于STEM理念的設(shè)計(jì)制作學(xué)習(xí)，選擇合適的工具材料，以合作的形式開(kāi)展學(xué)習(xí)是驗(yàn)證設(shè)計(jì)、完成項(xiàng)目的重要保障。一方面，通過(guò)傳統(tǒng)與現(xiàn)代工具的使用，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)成果的可視化，提升學(xué)生創(chuàng)造性;另一方面，通過(guò)小組分工、同伴合作實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程任務(wù)化，體驗(yàn)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的過(guò)程。在制作中，要考慮作品制作成本，采用學(xué)生機(jī)床、激光雕刻機(jī)、3D打印機(jī)及傳統(tǒng)工具等多種工具或材料，選擇多樣化、低成本、高效率且可靠的方法依照設(shè)計(jì)完成制作。

在“LED小夜燈”制作中，學(xué)生使用3D打印機(jī)打印小夜燈底座，以發(fā)光二極管作為光源，以運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器作為控制開(kāi)關(guān)，用焊接及熱熔膠等方式進(jìn)行連接組裝。在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生根據(jù)需要選擇不同的材料、了解不同工具的性能、用途和方法，結(jié)合軟件與硬件設(shè)備，將習(xí)得的知識(shí)應(yīng)用于項(xiàng)目中，在合作探究中實(shí)現(xiàn)作品創(chuàng)作。

（四）測(cè)試優(yōu)化作品，拓展空間

作品測(cè)試優(yōu)化的目的在于提高學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。在每一次測(cè)試評(píng)估中學(xué)生都要做好詳細(xì)的記錄，包括預(yù)測(cè)、測(cè)試的條件，觀察和結(jié)果，特別是測(cè)試中的偏離和變化因素。

在“空氣動(dòng)力車(chē)”制作完成后，學(xué)生從調(diào)整車(chē)軸長(zhǎng)度，輪子數(shù)量，噴氣管長(zhǎng)度、方向，出氣口大小，車(chē)身重量等方面測(cè)試，進(jìn)而了解設(shè)計(jì)的達(dá)成度。最重要的是，學(xué)生需在測(cè)試后分析設(shè)計(jì)制作中存在的問(wèn)題，借此理解技術(shù)對(duì)于創(chuàng)意與設(shè)計(jì)上的影響。在這一階段，通過(guò)評(píng)估問(wèn)題，再次回到設(shè)計(jì)，以小組討論挑選更新設(shè)計(jì)或其他選擇，再次制作，重新測(cè)試，在循環(huán)中不斷拓展STEM學(xué)習(xí)空間。

（五）量規(guī)評(píng)價(jià)分析，反思得失

基于設(shè)計(jì)制作的STEM學(xué)習(xí)是面向真實(shí)世界的問(wèn)題解決，其評(píng)價(jià)的重點(diǎn)由終結(jié)性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)程性評(píng)價(jià)。因此，通過(guò)評(píng)價(jià)量規(guī)等技術(shù)的真實(shí)評(píng)估，既突出了學(xué)習(xí)過(guò)程，也強(qiáng)調(diào)了結(jié)果。

良好的評(píng)價(jià)量規(guī)包括反映各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容和活動(dòng)概念生成的成分，也包括某些無(wú)形的方面。STEM學(xué)習(xí)目標(biāo)的各個(gè)達(dá)成程度在評(píng)價(jià)量規(guī)中細(xì)化，幫助學(xué)生反思自己的學(xué)習(xí)情況，并能讓教師對(duì)學(xué)生需要改進(jìn)的內(nèi)容給予重點(diǎn)引導(dǎo)。同時(shí)，教師要指導(dǎo)學(xué)生客觀記錄參與活動(dòng)的具體情況，整理相關(guān)活動(dòng)材料，使學(xué)生能對(duì)自己或團(tuán)隊(duì)的STEM學(xué)習(xí)做出較為客觀的評(píng)價(jià)。

三、知識(shí)運(yùn)用線——基于STEM理念的設(shè)計(jì)制作學(xué)習(xí)關(guān)鍵

STEM教育是將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)整合起來(lái)的綜合性學(xué)習(xí)活動(dòng)，運(yùn)用關(guān)聯(lián)性的知識(shí)解決問(wèn)題。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)制作實(shí)現(xiàn)多學(xué)科知識(shí)的交叉融合，在運(yùn)用中理解知識(shí)是開(kāi)展基于STEM理念的設(shè)計(jì)制作學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。

（一）核心概念要突出

學(xué)科知識(shí)服務(wù)于STEM學(xué)習(xí)。在STEM理念下開(kāi)展設(shè)計(jì)制作學(xué)習(xí)要借助學(xué)科知識(shí)，更要突出核心知識(shí)概念和主要內(nèi)容，突破STEM學(xué)習(xí)中的關(guān)鍵問(wèn)題。教師在指導(dǎo)中不能貪大求全，要對(duì)學(xué)生已有知識(shí)掌握情況做到心中有數(shù)，不是所有涉及到的學(xué)科內(nèi)容都要組織探究。如在“投石機(jī)”活動(dòng)中，探究杠桿原理是本設(shè)計(jì)制作的核心概念。學(xué)生首先要使用尺子、橡皮等簡(jiǎn)單材料認(rèn)識(shí)杠桿的作用，再在教師的幫助下認(rèn)識(shí)原理，進(jìn)而開(kāi)展設(shè)計(jì)。而對(duì)于使用橡皮筋連接、綁扎等知識(shí)，學(xué)生早已掌握，則無(wú)需再做展開(kāi)。

（二）知識(shí)總結(jié)要強(qiáng)化

北師大余勝泉教授認(rèn)為，“無(wú)論STEM還是創(chuàng)客教育，都需要使學(xué)生學(xué)習(xí)的零碎知識(shí)變成相互聯(lián)系統(tǒng)一的整體。”因此，STEM理念下的設(shè)計(jì)制作學(xué)習(xí)，除了在活動(dòng)中需要跨學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用，在完成后更要進(jìn)行總結(jié)強(qiáng)化，幫助學(xué)生系統(tǒng)整理零散知識(shí)。如在“投石機(jī)”項(xiàng)目完成后，以教師或?qū)W生小組匯報(bào)的形式，對(duì)涉及到的知識(shí)開(kāi)展梳理、總結(jié)，促進(jìn)學(xué)生形成一定的知識(shí)體系。同時(shí)根據(jù)量規(guī)評(píng)價(jià)的結(jié)果，為學(xué)生再次提供具有選擇性的材料強(qiáng)化學(xué)習(xí)，既有核心概念的知識(shí)、基本技術(shù)原理，又能體現(xiàn)不同學(xué)生的需求，最終達(dá)成有意義的知識(shí)建構(gòu)。

（三）知識(shí)應(yīng)用要?jiǎng)?chuàng)新

STEM教育的基本目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)，其學(xué)習(xí)過(guò)程與方式均發(fā)展了學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力?；赟TEM理念的設(shè)計(jì)制作學(xué)習(xí)是跨學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用與轉(zhuǎn)化的過(guò)程，也正是在這一過(guò)程中，在學(xué)生從不同視角進(jìn)行觀察、思考，有機(jī)聯(lián)系不同學(xué)科知識(shí)時(shí)得以應(yīng)用知識(shí)創(chuàng)新解決問(wèn)題。如“投石機(jī)”設(shè)計(jì)制作中，學(xué)生在測(cè)試中從投射方式、橡皮筋數(shù)量、壓載物使用等方面著手，通過(guò)小組合作、設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出了數(shù)十種設(shè)計(jì)方案并開(kāi)展實(shí)踐。即使制作不成功，小組還會(huì)繼續(xù)尋求更好的解決方案，在循環(huán)與改進(jìn)中學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造潛能，與之相適應(yīng)的創(chuàng)新能力也得到了有效提升。

把握“三條主線”，開(kāi)展基于STEM理念的設(shè)計(jì)制作學(xué)習(xí)，助力學(xué)生在實(shí)踐中對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)形成有力而真實(shí)的理解，提高了學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)了學(xué)生的STEM素養(yǎng)，也為開(kāi)展STEM教育提供了可借鑒的模式。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]中華人民共和國(guó)教育部.中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要（2017版）[EB/OL]http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/201710/t20171017_316616.html.

[2]羅伯特·卡普拉羅，瑪麗·卡普拉羅，詹姆斯·摩根.基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)：一種整合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)方式[M].上海：上海科技教育出版社，2016.

[3]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開(kāi)放教育研究，2015（4）.

[4]傅騫，劉鵬飛.從驗(yàn)證到創(chuàng)造——中小學(xué)STEM教育應(yīng)用模式研究[J].中國(guó)電化教育，2016（4）.

[5]孫小紅.基于STEM教育下小學(xué)綜合實(shí)踐課程本土化策略初探[J].教育實(shí)踐與研究，2016（12）.

（責(zé)任編輯：符 潔）