STEM教育在小學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的應(yīng)用

李志華+李靜

隨著全球創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)的興起，STEM教育在全球普及推廣，STEM的創(chuàng)客教育模式備受關(guān)注。創(chuàng)新與創(chuàng)造，作為21世紀(jì)人才培養(yǎng)的主要目標(biāo)，對教育提出了更大的挑戰(zhàn)。學(xué)校將STEM教育作為一種教學(xué)策略引入課堂，對STEM教育應(yīng)用模式進(jìn)行了校本理解和發(fā)展，對傳統(tǒng)課堂進(jìn)行改造，結(jié)合學(xué)校校本課程，開展了非常有意思的嘗試和探索，并取得了階段性的經(jīng)驗(yàn)和案例。本文從師生活動(dòng)中的角色定位出發(fā)，描述小學(xué)STEM教育應(yīng)用的開發(fā)過程，試圖找到一條學(xué)校開展創(chuàng)客教育的適切之路。

一、從驗(yàn)證到創(chuàng)造，STEM教育的校本理解與發(fā)展

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四個(gè)英文首字母的縮寫，簡言之，STEM教育就是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的教育，其終極目標(biāo)是提升學(xué)習(xí)者的STEM素養(yǎng)。在初期的開發(fā)應(yīng)用過程中，立足于本校的實(shí)際情況，在引入STEM教育理念到項(xiàng)目式科技課程中時(shí)，將其視為一種教學(xué)策略，通過靈活應(yīng)用探究性學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)方式，來培養(yǎng)學(xué)習(xí)者綜合利用STEM知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問題的能力。

我們從學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)目標(biāo)出發(fā)來理解STEM教育如何更好地幫助項(xiàng)目組教師解決現(xiàn)實(shí)問題。以虛擬實(shí)驗(yàn)室中的“設(shè)計(jì)營養(yǎng)菜譜”實(shí)驗(yàn)為例，教師結(jié)合該項(xiàng)目課程資源給定框架，由學(xué)習(xí)者在此基礎(chǔ)之上，自主地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)，去探究或發(fā)現(xiàn)一個(gè)結(jié)果，這便是STEM教育在項(xiàng)目課程中的一次非典型應(yīng)用。（下圖為STEM教育策略應(yīng)用于虛擬實(shí)驗(yàn)的思維導(dǎo)圖）

二、從理論到實(shí)踐，STEM教育應(yīng)用過程描述

設(shè)計(jì)營養(yǎng)食譜虛擬實(shí)驗(yàn)，建立一個(gè)不同人每日補(bǔ)充不同營養(yǎng)的預(yù)測模型。用戶可以用這個(gè)模型進(jìn)行不同的試驗(yàn)，以預(yù)測不同的人在接受不同營養(yǎng)物質(zhì)后對身體可能產(chǎn)生的影響。

學(xué)生可以對軟件中提供的選擇做出決策，然后軟件會(huì)立刻出現(xiàn)這個(gè)決策對人體健康所產(chǎn)生的后果。如果學(xué)生對這個(gè)后果不滿意，可以依據(jù)科學(xué)知識(shí)對上一次決策作些修正，直至達(dá)到自己滿意的結(jié)果。這個(gè)過程將給學(xué)生留下深刻的印象，從而了解符合自身身體條件、健康狀況的合理飲食結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生建立良好的生活習(xí)慣。

1.發(fā)現(xiàn)問題：讓活動(dòng)從枯燥走向具體

在活動(dòng)中，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中提供的均為枯燥的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)參與者很難準(zhǔn)確地通過食物選擇來制定一份營養(yǎng)數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)的菜譜，需要學(xué)生前期做一些知識(shí)的儲(chǔ)備和方法的選擇。根據(jù)學(xué)生發(fā)現(xiàn)的需要探究的問題，教師做了支架性的導(dǎo)學(xué)，設(shè)計(jì)出導(dǎo)學(xué)案，引導(dǎo)學(xué)生完成營養(yǎng)學(xué)知識(shí)體系的建構(gòu)。

活動(dòng)中，讓學(xué)生試著去解決實(shí)驗(yàn)中的問題：回憶昨天一天，你吃了什么？這樣的飲食，你覺得營養(yǎng)安全嗎？青少年一天的營養(yǎng)需要多少能量？一只饅頭、一碗飯能提供多少能量？你會(huì)計(jì)算嗎？這些問題對于小學(xué)四年級(jí)的學(xué)生來說有一定的難度，但又是在利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之前必須解決的問題。于是師生一起又將問題進(jìn)行了進(jìn)一步的化解和歸類，這樣的解決問題能力也是STEM素養(yǎng)的重要組成部分。

問題化解為：請你說一說，不良的飲食習(xí)慣有哪些？良好的飲食習(xí)慣有哪些？不健康的食品有哪些？對照“平衡膳食寶塔”，你一天的飲食結(jié)構(gòu)合理嗎？通過搜索引擎查詢一下，青少年一天的營養(yǎng)需要多少能量？你能利用Excel檢索一個(gè)100克饅頭的能量嗎？

小組交流時(shí)，問題再次化解為：看圖說話，這樣的飲食習(xí)慣不健康?，F(xiàn)身說法，校醫(yī)列出垃圾食品清單。小組戰(zhàn)報(bào)，我的一餐能量要爆表。

2.設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)：讓活動(dòng)從具體走向科學(xué)

設(shè)計(jì)營養(yǎng)菜譜活動(dòng)的目的不只是要設(shè)計(jì)一份菜單，而是享受探索的過程，帶給學(xué)生探究的理念和科學(xué)的方法，期待他們能夠有意識(shí)地借助于科學(xué)的工具或方法去記錄數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，找到解決問題的有效途徑。為此，師生們又將“數(shù)據(jù)的收集和分析”活動(dòng)設(shè)計(jì)成三個(gè)任務(wù)：任務(wù)一是用剛剛學(xué)過的“單式條形統(tǒng)計(jì)圖”知識(shí)，畫畫人體一日三餐的能量供給情況；任務(wù)二是與家人一起學(xué)會(huì)使用營養(yǎng)大師APP，準(zhǔn)確測算家庭一日三餐的能量供給情況，填寫好表格。任務(wù)三是使用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不斷修正數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一份合適的一周菜單。

教師引導(dǎo)學(xué)生為了達(dá)成目標(biāo)有意識(shí)地設(shè)計(jì)一套方法，圍繞自己的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，借助于自己的社會(huì)資源，了解和運(yùn)用新技術(shù)嘗試著去解決遇到的問題。雖然這一過程在本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)過程中開展得并不順利，但我們欣喜地發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的積極主動(dòng)性或萌發(fā)的主動(dòng)參與意識(shí)有了很大的提高。

完成任務(wù)二的小組，在學(xué)生尋求家長幫助手機(jī)下載“營養(yǎng)大師APP”進(jìn)行測算時(shí)，遇到不少困難，如家長不配合，APP不會(huì)使用，測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等。但我們還是看到了積極有利的一面，活動(dòng)的本身也從另一個(gè)側(cè)面培養(yǎng)了孩子在接受任務(wù)時(shí)，需要明確當(dāng)前所面臨的知識(shí)、技術(shù)等方面的挑戰(zhàn)，如何發(fā)動(dòng)團(tuán)隊(duì)合作的作用，如何選擇和理解不同參與者的不同觀點(diǎn)，積極尋找解決問題的方法等，這也是項(xiàng)目課程引入STEM教育策略時(shí)，所期待培養(yǎng)的學(xué)生的素養(yǎng)之一。

3.分享反思：讓活動(dòng)從科學(xué)走向藝術(shù)

創(chuàng)客教育中一個(gè)核心的判斷依據(jù)就是有創(chuàng)新的物體產(chǎn)生，即有創(chuàng)新的造物！學(xué)校引入STEM教育策略的探索過程中，教師也將有準(zhǔn)備地將“物”（作品）的產(chǎn)生列為項(xiàng)目活動(dòng)的重要目標(biāo)之一。一份健康安全的營養(yǎng)菜譜即是本次虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成果之一，因而在課初就鮮明地要求實(shí)驗(yàn)小組通過繪制海報(bào)、制作PPT等形式來匯報(bào)分享本組的學(xué)習(xí)成果，引導(dǎo)學(xué)生選擇使用適宜自己的數(shù)字化工具來藝術(shù)化地呈現(xiàn)出自己的研究過程或研究結(jié)果。我們?yōu)槠湔垇砹嗣佬g(shù)、信息技術(shù)、音樂等各學(xué)科老師和家長的資源融合，有意圖地幫助學(xué)生不斷去設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試、改進(jìn)和修飾作品，最終完成自己的分享成果作品，再以自己認(rèn)為最適當(dāng)?shù)姆窒矸椒ㄈソ榻B和推廣自己的菜譜。

例如，小組在選擇使用“WPS文字”或“WPS演示”軟件制作菜譜時(shí)，產(chǎn)生了分歧。小組成員有的選擇“WPS文字”，這部分技術(shù)是上學(xué)期學(xué)的，操作更為熟練，便于集中力量制作菜譜的設(shè)計(jì)本身。小組成員有的提議選擇“WPS演示”軟件制作，這部分內(nèi)容正好正在學(xué)，學(xué)以致用，便于更好地掌握“WPS演示”新知。還有的成員提議，干脆找家長幫忙電子制作，我們主要關(guān)注菜譜的設(shè)計(jì)就行了，讓專業(yè)的人做專業(yè)的事。從這段活動(dòng)的過程中，可以清楚地感覺到孩子在引入SETM教育策略后所產(chǎn)生的變化，這也許就是“素養(yǎng)”的養(yǎng)成。

三、從實(shí)踐到反思，STEM教育策略的啟示

創(chuàng)新，顧名思義即創(chuàng)造新事物，STEM教育引入學(xué)校項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)中，其宗旨就是為了滿足學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)需求，通過學(xué)習(xí)技術(shù)與工程，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)造新事物的過程和方法；通過學(xué)習(xí)科學(xué)與數(shù)學(xué)項(xiàng)目，以此內(nèi)容為載體，使創(chuàng)客教育更加顯性和具象。STEM教育在小學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的應(yīng)用，經(jīng)過半年多的理論學(xué)習(xí)和具體實(shí)踐，具有以下幾點(diǎn)啟示。

第一，在STEM教育策略實(shí)施的內(nèi)容選擇上，要選用一些跨學(xué)科的、綜合性的，與學(xué)生的學(xué)習(xí)、生活息息相關(guān)的問題情境，例如虛擬實(shí)驗(yàn)室的家蠶養(yǎng)殖，比特實(shí)驗(yàn)室的會(huì)講話的鬧鐘，數(shù)字量測坊的學(xué)校教學(xué)樓的高度等。學(xué)生在研究這些現(xiàn)實(shí)問題的過程中，一方面學(xué)習(xí)、理解技術(shù)的性質(zhì)，熟悉常見的技術(shù)和工程，從而提升技術(shù)與工程素養(yǎng)；另一方面，綜合運(yùn)用科學(xué)、數(shù)學(xué)、語文、藝術(shù)等方面的知識(shí)來解決實(shí)際問題，學(xué)科整合，提升學(xué)科素養(yǎng)和STEM素養(yǎng)。

第二，在學(xué)習(xí)方式上，提供學(xué)生自主探究“做中學(xué)”的環(huán)境和土壤，引入設(shè)計(jì)性學(xué)習(xí)，支架性教學(xué)，借助于同學(xué)、家長、社區(qū)人員、專家的項(xiàng)目資源，幫助學(xué)生跳一跳就能到達(dá)問題的彼岸。

第三，非正式教育環(huán)境也有利于學(xué)生STEM教育素養(yǎng)的養(yǎng)成，例如科技場館、自然歷史博物館、社區(qū)、家庭日常環(huán)境等。特別是在學(xué)校建成科技館、項(xiàng)目式科技樓、生物生態(tài)園后，學(xué)生在這些場館中處處可見技術(shù)和工程，沉浸于其中有利于學(xué)生理解和權(quán)衡個(gè)人與技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境之間的相互關(guān)系，更有機(jī)會(huì)開放地、緘默地、自我主導(dǎo)地去開展學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)效果。