STEM課程的內(nèi)涵與案例設(shè)計(jì)

何仕陽(yáng)

【摘 要】STEM教育的興起和“眾創(chuàng)空間”的建設(shè)，著力于培養(yǎng)學(xué)生具有較強(qiáng)的信息意識(shí)與創(chuàng)新意識(shí)，養(yǎng)成數(shù)字化學(xué)習(xí)習(xí)慣。作為一名未來(lái)的教育工作者，應(yīng)主動(dòng)認(rèn)知STEM教育的內(nèi)涵，提高開(kāi)展STEM課程教育的能力。本文重點(diǎn)從全面認(rèn)識(shí)STEM教育的內(nèi)涵、有效開(kāi)展STEM課程教學(xué)、嘗試設(shè)計(jì)STEM課程的案例三個(gè)方面來(lái)淺談自己學(xué)習(xí)和實(shí)踐的觀點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】STEM;教育;技能;素養(yǎng)

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2021）02、03-126-03

從課程角度講，我們的知識(shí)是綜合的，培養(yǎng)的能力是開(kāi)放的。2016年教育部出臺(tái)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確指出有效利用信息技術(shù)推進(jìn)“眾創(chuàng)空間”建設(shè)，探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學(xué)生具有較強(qiáng)的信息意識(shí)與創(chuàng)新意識(shí)，養(yǎng)成數(shù)字化學(xué)習(xí)習(xí)慣，具備重視信息安全、遵守信息社會(huì)倫理道德與法律法規(guī)的素養(yǎng)。對(duì)于一個(gè)未來(lái)教育工作者來(lái)說(shuō)，理解、學(xué)習(xí)STEM，培養(yǎng)STEM教育素養(yǎng)是一門必修課。

全面認(rèn)知STEM教育的內(nèi)涵

對(duì)于教育工作者來(lái)說(shuō)，開(kāi)展STEM教育很難，它涵蓋的學(xué)科都有各自的空間，現(xiàn)從四個(gè)方面來(lái)談STEM教育內(nèi)涵。

S（Science）是科學(xué)，解釋存在、物體、事件，以及物體和事件的原理和原則，解釋它們之間的關(guān)系，解釋自然界（物理、化學(xué)、生物）、地球及空間科學(xué)，需要尋找實(shí)證性數(shù)據(jù)去證明和推出論點(diǎn)。

T（Technology）是技術(shù)，對(duì)工具、機(jī)器、技術(shù)、手工、組織體系和方法的制作、使用和了解掌握，其目的是解決問(wèn)題或者執(zhí)行具體的功能。技術(shù)包涵農(nóng)業(yè)技術(shù)、工業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)、交通技術(shù)等，使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)不僅能夠溝通、解決問(wèn)題，還能獲取、管理、整合、評(píng)估、設(shè)計(jì)和創(chuàng)造信息，從而助力其他學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)習(xí)。

E（Engineering）是工程，基于應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的概念進(jìn)行科學(xué)項(xiàng)目的研究和發(fā)展，目的是生產(chǎn)出特定的產(chǎn)品以解決問(wèn)題。如小到電動(dòng)牙刷的設(shè)計(jì)制造，大到高鐵、大飛機(jī)，都是針對(duì)創(chuàng)新活動(dòng)所開(kāi)展的工程。

M（Mathematics）是數(shù)學(xué)，研究數(shù)學(xué)、形狀、結(jié)構(gòu)、變化這些概念之間關(guān)系的一種抽象性代表體系。基于算術(shù)、代數(shù)、函數(shù)、幾何、統(tǒng)計(jì)、概率等，通過(guò)假設(shè)的邏輯論證證明論點(diǎn)。

STEM教育融合了手工、3D打印、機(jī)器人、編程、單片機(jī)、AI 、VR、科學(xué)教育、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科普等學(xué)習(xí)活動(dòng);旨在打破學(xué)科領(lǐng)域的界限，整合課程，倡導(dǎo)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，強(qiáng)調(diào)體驗(yàn)性和實(shí)踐性，是一種新的教育理念和學(xué)習(xí)方法。

有效開(kāi)展STEM課程教學(xué)

1.制定分解課程目標(biāo)

如果要了解STEM課程，尤其是了解它們之間的關(guān)系，就不能孤立其中任何一個(gè)部分，只有在交互中，在相互的碰撞中，才能實(shí)現(xiàn)理解性的學(xué)習(xí)，深層次的學(xué)習(xí)。針對(duì)某一內(nèi)容的STEM教學(xué)應(yīng)在課程的綜合聯(lián)系中制定教學(xué)總目標(biāo)，分解各內(nèi)容階段性具體目標(biāo)。

下面以初中科學(xué)“物體熱傳導(dǎo)的綜合性探究”為例來(lái)談?wù)勅绾沃贫ú⒎纸庹n程目標(biāo)?！艾F(xiàn)有100℃的水200g，20℃的鋁200g，水的比熱是鋁的五倍，問(wèn)：能否得到90℃的鋁塊（鋁塊不能分割并要整體受熱）？”針對(duì)這一問(wèn)題，科學(xué)知識(shí)是比熱、熱能，技術(shù)層面是實(shí)驗(yàn)過(guò)程保持物體初態(tài)溫度的恒溫，工程層面是用一定的方法實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)，數(shù)學(xué)層面是計(jì)算具體的操作量。為此，制定的教學(xué)總目標(biāo)為：能運(yùn)用比熱、熱能及物體間熱能傳遞的知識(shí)，通過(guò)精確計(jì)算，巧妙實(shí)施，掌握物體間熱能充分交換的科學(xué)方法。階段性目標(biāo)是：掌握比熱和熱能的知識(shí);了解物體熱能交換的方法;開(kāi)展物體熱傳導(dǎo)的實(shí)驗(yàn);能夠利用物理公式和數(shù)學(xué)計(jì)算進(jìn)行總結(jié)論證。

可見(jiàn)，當(dāng)教師在考慮如何將STEM教育引入中小學(xué)課堂時(shí)，可按照“分解—整合—再整合”的方法去制定課程教學(xué)目標(biāo)。

2.選擇教學(xué)內(nèi)容

首先，內(nèi)容選擇上要有“拓展點(diǎn)”。STEM課程應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生核心科學(xué)素養(yǎng)為導(dǎo)向，尊重差異，為不同層次的學(xué)生提供合適的基礎(chǔ)內(nèi)容。在開(kāi)展課堂活動(dòng)時(shí)，積極引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生在已知的基礎(chǔ)上作“未知領(lǐng)域”的延伸與拓展，讓學(xué)生學(xué)有所寬;若教學(xué)內(nèi)容是基于創(chuàng)新與挑戰(zhàn)的，就要聯(lián)系教學(xué)總目標(biāo)篩選與提煉，將教學(xué)內(nèi)容分層，讓學(xué)生學(xué)者有所獲，能者有所長(zhǎng)，體現(xiàn)STEM課程主動(dòng)學(xué)習(xí)、因材施教的“立意”。

其次，課堂模型構(gòu)建要有“生長(zhǎng)點(diǎn)”。圍繞教學(xué)總目標(biāo)進(jìn)行課堂模型設(shè)計(jì)，從另一個(gè)角度講就是STEM課堂的各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。以提出問(wèn)題環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容預(yù)設(shè)一個(gè)學(xué)習(xí)問(wèn)題，就學(xué)習(xí)問(wèn)題進(jìn)行建模，可以將問(wèn)題作為學(xué)生學(xué)習(xí)的種子，學(xué)生的認(rèn)知作為枝葉，讓學(xué)生的知識(shí)有個(gè)“生長(zhǎng)點(diǎn)”。課堂模型體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的邏輯性、認(rèn)知的規(guī)律性、內(nèi)容的整合性。STEM課程的四方面內(nèi)容是并列關(guān)系的，把握“梯度”進(jìn)行層級(jí)排列，不能前后顛倒。

3.注重學(xué)習(xí)方法

STEM教育并不是固定的某一門學(xué)科或者某一類課程，它的核心是一種理念，即“探索式學(xué)習(xí)”。它融入到中小學(xué)教育中的體現(xiàn)就是：學(xué)科老師不再進(jìn)行單方面的知識(shí)輸出，簡(jiǎn)單地告訴學(xué)生們理論知識(shí)，而是帶領(lǐng)學(xué)生結(jié)合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)知識(shí)，進(jìn)行自我探索，提出疑惑、探尋結(jié)論。在STEM教育開(kāi)展前，引用LU-HSSSE高中學(xué)生投入度調(diào)查數(shù)據(jù)：每三個(gè)學(xué)生中有兩個(gè)感到課程很無(wú)聊;85%的學(xué)生不得不學(xué)，15%的學(xué)生擁有內(nèi)在動(dòng)力。在STEM教育開(kāi)展后，美國(guó)2011年NAEP項(xiàng)目報(bào)告顯示，在課堂上動(dòng)手做項(xiàng)目的學(xué)生分?jǐn)?shù)更高，在科學(xué)項(xiàng)目上有合作的學(xué)生成績(jī)更高。清華附中每天泡在實(shí)驗(yàn)室里的STEM迷高考平均分?jǐn)?shù)為685.37分。從眾多的例子中說(shuō)明，開(kāi)展STEM教育的學(xué)生通過(guò)真實(shí)性的科學(xué)探究，更能理解科學(xué)概念和原理，掌握科學(xué)研究方法，鍛煉科學(xué)思維，發(fā)展科學(xué)精神，從而全面提升科學(xué)素養(yǎng)。

STEM課程案例設(shè)計(jì)

1.挖掘STEM課程案例設(shè)計(jì)的內(nèi)容

STEM課程強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)經(jīng)歷和結(jié)果的開(kāi)放性，強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)能力和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)。由于實(shí)際問(wèn)題具有復(fù)雜性，并不是用單一學(xué)科的知識(shí)就可以解決的，這就需要我們用STEM課程去解決。在中小學(xué)教材中有許多內(nèi)容適合設(shè)計(jì)STEM課程，值得我們?nèi)ネ诰?。如人教版小學(xué)科學(xué)五（上）“光是怎樣傳播的”一課，就適合開(kāi)展STEM教育。該課的問(wèn)題引入點(diǎn)是“設(shè)想光的傳播可能”，讓學(xué)生就光的傳播展開(kāi)豐富的想像，在學(xué)習(xí)前設(shè)想諸多的可能性，提出諸如“光是發(fā)散傳播的，理由是我們看到教室的燈一開(kāi)，整間教室都亮了”“光是一團(tuán)，還是一條線”等問(wèn)題。為驗(yàn)證“光是沿直線傳播的”這一觀點(diǎn)，可以建構(gòu)涉及光源、材料、視覺(jué)感知等的知識(shí)，設(shè)計(jì)并完成諸如“如何將光源發(fā)出的光聚集成一條光線”“設(shè)想證明光線直線傳播的實(shí)驗(yàn)”“制作一個(gè)光傳播路徑演示器”等探究活動(dòng)項(xiàng)目。在課堂上，學(xué)生用激光筆照射有著大小、位置相同的小孔的四張卡紙。第一次照射時(shí)，讓四張卡紙排成一條直線;第二次照射時(shí)，讓四張卡紙的排列不成一條直線。結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)，第一次實(shí)驗(yàn)中激光筆的光線能通過(guò)，第二次實(shí)驗(yàn)中激光筆的光線不能通過(guò)，從而驗(yàn)證光是沿直線傳播的這一觀點(diǎn)。像“光是沿直線傳播的”這樣的教學(xué)內(nèi)容，就可以利用STEM課程實(shí)踐操作式的問(wèn)題解決方法，通過(guò)完成項(xiàng)目，讓學(xué)生了解到與之相關(guān)聯(lián)的科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的各類知識(shí)，并思考如何將這些知識(shí)連接起來(lái)。

2.構(gòu)建項(xiàng)目鏈設(shè)計(jì)STEM課程案例

STEM教育打破了“坐著不動(dòng)的課堂”，鼓勵(lì)學(xué)生做中學(xué)、玩中學(xué)，形成以主動(dòng)、探索、體驗(yàn)、創(chuàng)作為特征的新型學(xué)習(xí)方式，基于問(wèn)題或項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì)模式逐漸健全。在選擇合適的案例內(nèi)容后，先制定教學(xué)目標(biāo)，然后將教學(xué)目標(biāo)分解為項(xiàng)目模塊，再將模塊組合成鏈，形成教學(xué)模型。其基本形式可歸納為：?jiǎn)栴}提出—知識(shí)構(gòu)建—項(xiàng)目設(shè)計(jì)—問(wèn)題解決。其中，項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主線，要能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中完成一個(gè)或幾個(gè)項(xiàng)目，將工程和技術(shù)的原理、方法融入完成項(xiàng)目的整個(gè)過(guò)程中。例如，設(shè)計(jì)“挑戰(zhàn)一張A4紙的極限載重”案例鏈?zhǔn)侥Ｐ腿鐖D1所示。

3.預(yù)設(shè)多樣的學(xué)習(xí)方式提高STEM課程的活性

開(kāi)展STEM課程教學(xué)時(shí)，應(yīng)重視教學(xué)活動(dòng)的組織形式，活躍課堂氣氛。在STEM課程案例設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)設(shè)多樣的學(xué)習(xí)方式可為課程的教學(xué)做好鋪墊。模擬實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、動(dòng)手制作、小組協(xié)同等視為STEM課程學(xué)習(xí)方式的常見(jiàn)形式，學(xué)生在這些學(xué)習(xí)方式的助力下挖掘和利用資料進(jìn)行問(wèn)題探討和專題研究，不僅活躍了課堂氣氛，更能使學(xué)生在實(shí)踐探索中掌握科學(xué)知識(shí)和科學(xué)方法，形成科學(xué)精神。

總之，作為一名未來(lái)的教育工作者，應(yīng)積極培養(yǎng)和提高自身進(jìn)行STEM課程教學(xué)和設(shè)計(jì)的能力，提煉科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)之間存在的相互支撐、相互補(bǔ)充、共同發(fā)展的關(guān)系，致力于培養(yǎng)能夠面向世界、面向未來(lái)的新一代。

作者單位：浙江杭州師范大學(xué)理學(xué)院