以通用技術(shù)課程為核心的高中STEM教育的可行性分析

周明龍，韓迎峰，陳 忠

（江蘇省江都中學(xué)，江蘇 揚州 225200）

一、國內(nèi)STEM教育還處于初級發(fā)展階段

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科的簡稱，旨在培養(yǎng)具有多學(xué)科知識與能力的復(fù)合型人才。近年來，它也成為我國教育界的熱門話題，許多專家、學(xué)者對此展開了研究。研究成果主要分為兩類：一是對以美國為代表的一些發(fā)達國家STEM教育模式的研究或成果的總結(jié)；二是關(guān)于在某個學(xué)科（如高中數(shù)學(xué)、物理等）中引入STEM教育理念的教育模式研究。

筆者以“STEM”和“實踐”為關(guān)鍵詞在知網(wǎng)進行搜索，發(fā)現(xiàn)其中大部分是關(guān)于小學(xué)階段的STEM實踐研究成果，而涉及高中階段STEM實踐研究的成果很少。其中，《基于Arduino的高中通用技術(shù)電子控制技術(shù)的課程實踐——STEM教育視角下綜合課程教學(xué)案例》一文，以教學(xué)案例的形式向我們展示了在高中通用技術(shù)課中Arduino電子控制技術(shù)的STEM教學(xué)應(yīng)用，認(rèn)為這僅僅是一個STEM多學(xué)科整合的應(yīng)用案例嘗試，并認(rèn)為整個學(xué)期的通用技術(shù)課程教學(xué)如何整合STEM理念將是一個更為廣闊的研究點[1]；而《基于STEM教育的通用技術(shù)教學(xué)模式探究》一文，主要從STEM的特點與優(yōu)勢出發(fā)，分析和證明了在通用技術(shù)學(xué)科中進行STEM教育的可行性，而對于通用技術(shù)學(xué)科本身的特點以及融入STEM教育契入點的分析不夠。

筆者認(rèn)為出現(xiàn)這種情況的原因主要為：一方面，國內(nèi)教育界在向教育發(fā)達國家學(xué)習(xí)；另一方面，盡管我們也在不斷地探索STEM教育，但是目前還處在研究的初級階段，研究成果主要是以理論成果為主，鮮有比較系統(tǒng)的實質(zhì)性實踐研究成果，STEM相關(guān)的教材和教學(xué)資源更是少之又少。

本文首先分析了目前高中階段發(fā)展STEM教育存在的障礙，再從通用技術(shù)課程本身的特點進行分析，找出為什么通用技術(shù)是開展高中STEM教育的重要平臺，并以項目融合教學(xué)為主要教學(xué)模式，從問題、工具與資源、活動、評價幾個環(huán)節(jié)闡述與實踐論證以通用技術(shù)課程為核心的高中STEM教育的可行性。用理論指導(dǎo)實踐，再從實踐中總結(jié)歸納出更加實用可行的教學(xué)模式。

二、繁重的高考壓力是目前高中階段發(fā)展STEM教育的最大障礙

從教育表現(xiàn)形態(tài)上，可將STEM教育劃分為四個層次：資訊型科普教育、嵌入式課程、項目型課程、整合性學(xué)科，而STEM教育正從現(xiàn)有分科教學(xué)、嵌入式學(xué)習(xí)這種低度整合的基礎(chǔ)上，進一步整合學(xué)科，實現(xiàn)項目式和整合式學(xué)習(xí)。[2]

姜斌等人的一份對北京市海淀區(qū)某重點中學(xué)的學(xué)生睡眠質(zhì)量調(diào)查指出，61.0%的高中生每日睡眠時間不足7個小時，而國家頒布的《中學(xué)生一日學(xué)習(xí)時間衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：中學(xué)生每日的睡眠時間不宜少于8小時，并認(rèn)為個人情緒、學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)重和考試成績占影響學(xué)生睡眠質(zhì)量因素的比例較高。[3]這種現(xiàn)象并不是個例，尤其在一些錄取難度較高的地區(qū)，學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)更重。因此，筆者認(rèn)為在當(dāng)前高考體制下，在數(shù)學(xué)、物理等高考重點學(xué)科的課堂中開展STEM教育是不現(xiàn)實的。

三、通用技術(shù)是實現(xiàn)高中STEM教育的重要平臺

1.通用技術(shù)課程目標(biāo)與STEM教育理念不謀而合

STEM教育并不是將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科簡單的疊加，而是使它們彼此之間進行有效融合，組成為一個有機的整體，并以真實問題解決為任務(wù)驅(qū)動，在實踐中應(yīng)用知識、獲得知識，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、復(fù)合思維和創(chuàng)新思維。[4]它與通用技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)意識、工程思維、創(chuàng)新設(shè)計、圖樣表達、物化能力等核心素養(yǎng)的目標(biāo)不謀而合。他們都具備跨學(xué)科、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計性、藝術(shù)性、實證性和技術(shù)增強性等核心特征。[5]

2.通用技術(shù)課程為STEM教育提供了豐富的教學(xué)主題和資源

通用技術(shù)課程包含《技術(shù)與設(shè)計1》《技術(shù)與設(shè)計2》《建筑及其設(shè)計》等必修和選修課程，涉及通訊、交通、工業(yè)等多個行業(yè)領(lǐng)域，包含了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、藝術(shù)、歷史人文等多領(lǐng)域的知識。

以蘇教版《技術(shù)與設(shè)計1》和《技術(shù)與設(shè)計2》兩本必修教材為例，其中涉及到的物理學(xué)科的知識點就有：能量的轉(zhuǎn)化、聲音的傳播、熱機、發(fā)光二極管等，[6]同時這些知識點都是以情境化的現(xiàn)實案例的形式呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生去探究、發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新、設(shè)計、體驗、歸納。

四、項目融合式的通用技術(shù)教學(xué)模式是STEM教育實施的行動保證

項目融合教學(xué)模式，是以《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》（2003年）為依據(jù)，以設(shè)計項目為載體，把課程內(nèi)含的相關(guān)知識點融合于一體，通過項目設(shè)計活動，讓學(xué)生掌握知識點的一種教學(xué)模式。[5]處于主導(dǎo)地位的教師精心選擇既融合了學(xué)生已掌握或即將掌握的多學(xué)科知識點，又具備一定挑戰(zhàn)性和可操作性的項目載體。在教學(xué)過程中，教師與學(xué)生的地位明確，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體地位，讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下綜合應(yīng)用多學(xué)科知識，自主探究主動建構(gòu)。

1.問題

好的問題設(shè)計是一節(jié)好課的開始。如在《設(shè)計的一般過程》這節(jié)課中，教師引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境、發(fā)現(xiàn)問題。因為文具放置和使用不方便，我們要設(shè)計一款方便高中生使用的筆筒。帶著這樣的問題，學(xué)生展開討論、明確問題，這樣的筆筒是否值得去設(shè)計，市場上有沒有這樣的筆筒，市場上的筆筒都有哪些優(yōu)點，哪些不足？學(xué)生帶著這樣的問題展開調(diào)查，明確了問題，我們要設(shè)計一款外形美觀、經(jīng)濟實用、功能豐富、健康環(huán)保的筆筒。教師引導(dǎo)學(xué)生展開方案構(gòu)思，從結(jié)構(gòu)、外觀、功能、材料等角度討論設(shè)計。結(jié)構(gòu)方面，要考慮穩(wěn)固；外觀方面，要考慮色彩、質(zhì)地、尺寸大小等；功能方面要考慮實用、容量、附加功能等。之后教師引導(dǎo)學(xué)生進一步探究：如何做到穩(wěn)固，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的因素有哪些，筆筒設(shè)計中如何實現(xiàn)穩(wěn)固？如何做到色彩協(xié)調(diào)，什么樣的顏色搭配更協(xié)調(diào)，有顏色搭配的規(guī)律可尋嗎，不同的顏色搭配會產(chǎn)生不同的風(fēng)格嗎？如此種種將問題層次化，幫助學(xué)生架起認(rèn)知的“梯子”，促進思維深度和廣度的不斷發(fā)展。

表1 《簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計——機器人搬運結(jié)構(gòu)的設(shè)計》問題設(shè)計方案

在 《簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計——機器人搬運結(jié)構(gòu)的設(shè)計》這節(jié)課中，筆者設(shè)計了表1的問題方案，引導(dǎo)學(xué)生思考問題逐步深入，綜合多學(xué)科知識解決問題。

2.工具和資源

工具和資源是教學(xué)活動和項目開展的重要支持，很多普通高中都建有通用技術(shù)實驗室，實驗室一般都配備金屬加工工具、木工加工工具等硬件工具，條件好的學(xué)校還會配備電子電路設(shè)計套件、機器人套件、3D打印機等設(shè)備，軟件工具有各種機器人、3D建模軟件工具等。教學(xué)資源除了有校本文字課程和微視頻課程外，還有學(xué)生在課堂上和各類競賽中設(shè)計制作的各種作品，如學(xué)生在電子控制技術(shù)課堂上設(shè)計的智能光控路燈等電子設(shè)計作品，或者在簡易機器人制作課堂上設(shè)計的搬運機器人等，這些實物作品作為教學(xué)資源相比其他類的教學(xué)資源更加形象生動，更能讓學(xué)生了解其中的工作原理和優(yōu)缺點，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與熱情。因此，通用技術(shù)課程中的工具和資源是學(xué)生將創(chuàng)新設(shè)計轉(zhuǎn)化為成果的重要條件，是STEM教育中培養(yǎng)學(xué)生工程思維和物化能力的橋梁和紐帶。

在 《簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計——機器人搬運結(jié)構(gòu)的設(shè)計》這一節(jié)課中，筆者運用了樂高機器人EV3套件，使得學(xué)生能夠在較短時間內(nèi)，完成搬運結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計，提高了將創(chuàng)新設(shè)計物化的效率。筆者認(rèn)為隨著科技的發(fā)展和實驗室條件的改善，在結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制這一主題中，像積木機器人這種新型工具會成為一類很好的設(shè)計工具和創(chuàng)新工具。

筆者就積木機器人這種工具與普通教具的優(yōu)缺點進行了對比和分析，具體見表2。

表2 積木機器人與普通教具的優(yōu)缺點比較

3.活動

梅瑞爾的五星教學(xué)原理告訴我們：只有當(dāng)學(xué)生進行真實問題的解決時，才能促進學(xué)習(xí)；當(dāng)激活原有知識并作為新知識學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)時，才能夠促進學(xué)習(xí)；當(dāng)把新知識展示給學(xué)生時，才能促進學(xué)習(xí)；當(dāng)學(xué)生應(yīng)用知識時，才能夠促進學(xué)習(xí)；當(dāng)新知識與學(xué)生生活融為一體時，才能促進學(xué)習(xí)。[7]

項目融合式的通用技術(shù)教學(xué)模式是以項目設(shè)計活動為中心，在問題的驅(qū)動和教師的引導(dǎo)下，學(xué)生的活動成為焦點，學(xué)生小組合作、自主探究，在設(shè)計活動中科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識橫向交融、新舊知識的縱向交融，使得學(xué)生的知識、能力、素養(yǎng)都得到提升。

圖1 項目融合式的通用技術(shù)STEM教學(xué)模型

在 《簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計——機器人搬運結(jié)構(gòu)的設(shè)計》這節(jié)課中，如圖1所示，筆者對上節(jié)課學(xué)生在結(jié)構(gòu)搭建中普遍存在的問題進行演示和討論，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，培養(yǎng)問題意識；然后以點帶面，總結(jié)影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的各種因素；布置本節(jié)課項目，引導(dǎo)學(xué)生找出此項目的幾個核心問題并展開討論；接著以小組為單位，綜合多學(xué)科知識合作探究，圍繞問題設(shè)置目標(biāo)、制定方案、開展項目；初步完成項目，展示評價，找出缺點和不足，思考討論，修改項目，如此循環(huán)完善項目。在此過程中，問題是活動的核心，學(xué)生是活動的主體，教師是活動的引導(dǎo)者。

4.評價

在現(xiàn)行教育體制下，文化學(xué)科的教學(xué)評價方式主要是總結(jié)性評價，不注重過程只注重結(jié)果，唯分?jǐn)?shù)論。而在通用技術(shù)學(xué)科中，我們采用的是形成性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合的評價方式，這與STEM教育理念是一致的。評價不僅要看結(jié)果，還要看過程，對學(xué)生參與過程中的創(chuàng)新意識和能力、問題解決能力、合作意識和能力進行評價。評價方式包括教師評價、組內(nèi)互評、自評等方式。而評價依據(jù)來源于教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)目標(biāo)關(guān)注的不僅僅是結(jié)果，也要關(guān)注整個教學(xué)過程，因此評價貫穿于整個教學(xué)過程。

對于總結(jié)性評價，可以采用作品集、任務(wù)成果展示、紙筆測試等方式。而對于形成性評價，可采用學(xué)生手稿筆記、課堂觀察、學(xué)生自我報告、組內(nèi)互評、反思日志等方式，同時評價形式可以定性和定量評價相結(jié)合。在STEM教育的任務(wù)式學(xué)習(xí)中，我們應(yīng)當(dāng)給學(xué)生自己反思和重新設(shè)計的機會。這不僅可以促使學(xué)生對自己的成果進行思考和評價，還有助于學(xué)生了解真實的設(shè)計流程，提高設(shè)計能力。鼓勵學(xué)生相互對比討論，交流不同意見，學(xué)會用批判的眼光看待問題。[8]

在《簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計——機器人搬運結(jié)構(gòu)的設(shè)計》這節(jié)課中，筆者采用形成性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合的形式（見表3）。對于學(xué)習(xí)過程，筆者將學(xué)生參與度、合作意識、綜合多學(xué)科知識解決問題作為評價依據(jù)，而對于總結(jié)性評價，將項目功能、穩(wěn)固、創(chuàng)新作為評價依據(jù)，同時將項目完成后的反思作為一項重要的評價依據(jù)，目的在于評價學(xué)生在完成項目后，反思項目中運用到了哪些學(xué)科的哪些知識，存在哪些不足，后期還有哪些需要改進的地方，將這種學(xué)習(xí)后的反思作為評價的重要指標(biāo)，體現(xiàn)了通用技術(shù)課程中多學(xué)科整合的STEM教育理念。

表3 項目融合式的通用技術(shù)STEM教學(xué)評價設(shè)計

五、結(jié)束語

在當(dāng)前還沒有充分條件實現(xiàn)獨立的整合式課程的STEM教育現(xiàn)狀下，以項目融合為主要教學(xué)模式的通用技術(shù)課程成為目前高中實現(xiàn)STEM教育 “性價比極高”的平臺。筆者經(jīng)過相關(guān)教學(xué)實踐論證，認(rèn)為以高中通用技術(shù)課程為核心的STEM教育是可行的。但要在通用技術(shù)課程中開展好STEM教育，還需要解決以下一些問題：如部分高中學(xué)校不能開足開齊通用技術(shù)必修和選修課程，教學(xué)工具落后，教學(xué)資源不全面不系統(tǒng)，部分通用技術(shù)教師教育觀念落后，等等。解決了這些問題，相信通用技術(shù)能在高中STEM教育中發(fā)揮更大的作用。