STEM課程中結(jié)構(gòu)性材料的選取

陳露

〔摘? ? 要〕? ? 近年來，為培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才，提高我國在國際上的競爭力，強(qiáng)調(diào)以技術(shù)應(yīng)用和工程設(shè)計(jì)為主的多學(xué)科融合課程——STEM課程在全國各地陸續(xù)開展，也相繼開發(fā)出一系列本土化STEM課程。然而，筆者發(fā)現(xiàn)，很多STEM課程配套的材料過于復(fù)雜，并且許多教師在進(jìn)行STEM課程教學(xué)時(shí)過于強(qiáng)調(diào)探究過程的復(fù)雜性，將STEM課程上成手工課或拼搭課，而忽略了學(xué)生思維能力的提升。本論文運(yùn)用文獻(xiàn)研究法、案例分析法、比較分析法，分析了STEM課程的實(shí)施現(xiàn)狀與存在問題，結(jié)合“可穿戴的LED”STEM課程案例，總結(jié)了基于STEM課程材料的結(jié)構(gòu)性主要體現(xiàn)在哪些方面，以期為進(jìn)一步完善小學(xué)科學(xué)STEM課程提供理論指導(dǎo)。

〔關(guān)鍵詞〕? ? STEM課程；結(jié)構(gòu)性材料；課程融合；工程設(shè)計(jì)

〔中圖分類號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? （2023）? 09-0073-03

從20世紀(jì)90年代開始，世界各國為培養(yǎng)尖端科技人才紛紛開展STEM課程教育，強(qiáng)調(diào)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)應(yīng)服務(wù)于實(shí)際技術(shù)應(yīng)用。為順應(yīng)國際形勢，積極培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，提高國家競爭力，我國教育部于2016年開始陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策。為積極響應(yīng)國家號(hào)召，STEM課程的開發(fā)與應(yīng)用在全國各地如火如荼地展開。

STEM課程教育是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的多學(xué)科融合，是基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和美國心理學(xué)家加德納提出的多元智能理論的新型教育方式，也是現(xiàn)在基礎(chǔ)教育階段改革的重點(diǎn)?，F(xiàn)今開發(fā)的STEM本土化課程大多以基于工程設(shè)計(jì)的整合型課程為主，強(qiáng)調(diào)在動(dòng)手操作過程中，多向發(fā)展學(xué)生的思維。但是STEM課程在實(shí)際本土化應(yīng)用的過程中依舊出現(xiàn)了多方面的問題，如，STEM課程標(biāo)準(zhǔn)尚未完善、STEM課程設(shè)置不夠合理、教學(xué)模式不夠靈活、STEM教師培養(yǎng)不到位等。這些大方向上的問題多數(shù)是由于STEM課程引入年限太短，教師缺乏相應(yīng)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。隨著理論的不斷完善以及實(shí)踐不斷試錯(cuò)，相信這些問題都會(huì)得到相應(yīng)解決。除此以外，還有一些亟待解決的細(xì)節(jié)問題，比如，很多教師在教學(xué)中會(huì)陷入一個(gè)極端誤區(qū)——將STEM課程與手工或拼搭課程混為一談。出現(xiàn)這種情況，除了有教師對教學(xué)本質(zhì)沒有清晰認(rèn)識(shí)的原因外，還因?yàn)楹雎粤瞬牧系慕Y(jié)構(gòu)性。

現(xiàn)在學(xué)校開展的STEM課程大多分為三種：利用社團(tuán)時(shí)間開展長期的STEM課程教育，這些教育大部分會(huì)使用已開發(fā)的STEM課程，配有現(xiàn)成的教學(xué)思路和所需材料；為適應(yīng)我國的小學(xué)科學(xué)課程教育情況，給學(xué)生提供更高效的教育，將部分教材中的課程以STEM課程形式呈現(xiàn)，這時(shí)候就需要教師重新設(shè)計(jì)教學(xué)流程以及進(jìn)行材料選擇；教師自編STEM課程，開展或長或短的STEM教育活動(dòng)。不論是哪一種，在實(shí)際教學(xué)過程中都會(huì)出現(xiàn)以下幾個(gè)問題：1.部分配套材料實(shí)驗(yàn)效果并不明顯，需要選擇更合適的實(shí)驗(yàn)材料；2.有些結(jié)論通過不同的方法也能實(shí)現(xiàn)同樣的實(shí)驗(yàn)效果，但是產(chǎn)生的教學(xué)效果會(huì)大相徑庭；3.隨著科技的發(fā)展，部分實(shí)驗(yàn)可以用更科技化、信息化的方式呈現(xiàn)，用更科學(xué)、更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)幫助學(xué)生理解。

STEM課程是以工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的綜合性課程，有其相對固定的教學(xué)模式，工程設(shè)計(jì)類的課程大部分以ADDIE的傳統(tǒng)教學(xué)模型展開。該模型包含5個(gè)階段，分別是：分析（Analysis）、設(shè)計(jì)（Design）、開發(fā)（Develop）、執(zhí)行（Implement）和評估（Evaluate）?；赟TEM理念的ADDIE教學(xué)模型在小學(xué)科學(xué)課程中依舊適用，而如何在各個(gè)階段發(fā)展培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)則是每位教師需要思考的問題。課程的鋪設(shè)與展開往往離不開教學(xué)材料的選擇，尤其是以工程設(shè)計(jì)為主的STEM課程，材料往往多且復(fù)雜。好的教學(xué)材料選擇能夠事半功倍，學(xué)生能較快地記憶和理解，甚至能夠舉一反三，實(shí)現(xiàn)預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。因此在STEM課程中尤其要重視材料的結(jié)構(gòu)性。下面，我將以STEM課程“可穿戴的LED”為例，簡單談一談在STEM課程的教學(xué)過程中如何選擇合適的材料，構(gòu)建高效課堂。

最早提出“結(jié)構(gòu)性材料”理念的是蘭本達(dá)教授，他主張將課堂結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分：探究和研討。在“探究”過程中，學(xué)生圍繞研究目的觀察、變革經(jīng)過教師精心選擇和組織的“有結(jié)構(gòu)的材料”（即包含著概念的材料），收集事實(shí)和數(shù)據(jù)；“研討”就是將獲得的事實(shí)和數(shù)據(jù)匯集起來，進(jìn)行集體討論、加工，根據(jù)學(xué)生發(fā)展的水平尋找其中的規(guī)律。因此，我認(rèn)為，STEM課程中材料的結(jié)構(gòu)性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

一、選取的材料要適應(yīng)學(xué)生學(xué)情

STEM課程強(qiáng)調(diào)學(xué)科的整合，這本身就具有一定的難度，在教學(xué)過程中更要注重學(xué)生思維的發(fā)展程度。教育家夸美紐斯依據(jù)“自然并不使自己受過重的負(fù)累”的自然主義觀念，提出教學(xué)適合學(xué)生的年齡和接受能力。18世紀(jì)的啟蒙運(yùn)動(dòng)思想家盧梭也提出“遵循自然，跟著它給你畫出的道路前進(jìn)”，強(qiáng)調(diào)教學(xué)要遵循學(xué)生內(nèi)在的自然發(fā)展。以“可穿戴的LED”為例，這個(gè)課程涉及的主要知識(shí)以“簡單電路”為主，新教材改革后，“簡單電路”的概念建構(gòu)主要在三年級，那么在不同年級開設(shè)時(shí)，一開始接觸到的任務(wù)設(shè)計(jì)和材料就會(huì)有所區(qū)別。

從設(shè)計(jì)“會(huì)發(fā)光的可穿戴設(shè)備”問題引入后，在設(shè)計(jì)及開發(fā)階段大體可分為以下幾個(gè)流程。

三年級的學(xué)生需要從頭開始建構(gòu)“簡單電路”的概念，選取的材料就要從最簡單的小燈泡、電池以及導(dǎo)線開始，一步步建立起“只有形成閉合的通路，才能點(diǎn)亮小燈泡”的認(rèn)知，再將小燈泡替換成其他用電器。同時(shí)，三年級學(xué)生掌握串、并聯(lián)電路也有一定難度。在三年級開設(shè)時(shí)，可以只點(diǎn)亮一個(gè)用電器；四、五、六年級的學(xué)生動(dòng)手能力比三年級學(xué)生強(qiáng)，也已經(jīng)有了“簡單電路”概念，在稍微復(fù)習(xí)后就可進(jìn)入點(diǎn)亮電光源的步驟；五、六年級的學(xué)生甚至可以酌情引入萬用表、照度儀的介紹和使用。

二、選取的材料要具有可操作性

科學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生形成認(rèn)知、建構(gòu)概念，也能在學(xué)習(xí)過程中調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。不同實(shí)驗(yàn)材料的選擇會(huì)對學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的調(diào)動(dòng)產(chǎn)生影響，因此有些教師在進(jìn)行STEM課程教學(xué)時(shí)，往往會(huì)因?yàn)檫^度追求調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性而選擇一些結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、操作難度高導(dǎo)致學(xué)生不易操作或理解的材料，這樣反而會(huì)本末倒置。教育學(xué)家維果斯基提出的“最近發(fā)展區(qū)”理論決定“教學(xué)應(yīng)該走在發(fā)展的前面”，從而提出“支架式教學(xué)”，即教師應(yīng)當(dāng)為學(xué)生理解知識(shí)提供一種概念框架。這種概念框架中的概念是學(xué)生進(jìn)一步理解問題所需要的，而教師在“搭建支架”引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行概念建構(gòu)時(shí)，也要充分了解學(xué)生的“認(rèn)知發(fā)展區(qū)”，不能誤判學(xué)生的能力。這就要求教師在選擇實(shí)驗(yàn)材料時(shí)，應(yīng)該遵循學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，不宜選擇太復(fù)雜、難度太高的材料，否則不僅會(huì)對學(xué)生的概念建構(gòu)過程產(chǎn)生影響，失敗或消極的情緒也會(huì)反作用于學(xué)習(xí)動(dòng)力。同時(shí)，跳躍式的實(shí)驗(yàn)難度對學(xué)生思維能力的發(fā)展也會(huì)起到阻滯作用。

在上述STEM課程案例中，幫助三年級學(xué)生建構(gòu)“簡單電路”概念時(shí)，用電器最好選擇小燈泡和小電扇。選用小燈泡，便于觀察小燈泡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生建立“閉合電路”的概念；選用小電扇，能讓學(xué)生不落窠臼，不限于“用電器僅能用小燈泡”的誤區(qū)。與其他用電器相比，這兩樣材料都更貼近生活且結(jié)構(gòu)簡單易操作，學(xué)生可以通過觀察、動(dòng)手等方式獲得直接經(jīng)驗(yàn)和形象記憶。如果選用其他高端電子產(chǎn)品則不利于學(xué)生理解。建構(gòu)主義學(xué)生觀強(qiáng)調(diào)重視學(xué)生本身已有的經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，教學(xué)活動(dòng)必須建立在學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上。選用生活化的材料更有利于幫助學(xué)生建立“概念和表象”，形成對問題的解釋，充分體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是在教師的引導(dǎo)下自我生成、自我建構(gòu)的，再在此基礎(chǔ)上拓展或深化學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，逐步形成良性的認(rèn)知循環(huán)。

三、注重材料的出現(xiàn)及分發(fā)順序

實(shí)驗(yàn)材料是科學(xué)探究活動(dòng)的基石，它在使用上具有時(shí)間的優(yōu)勢。這里實(shí)驗(yàn)材料的結(jié)構(gòu)性主要體現(xiàn)在探究層次的豐富性。STEM課程的材料一般都較多，教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過對實(shí)驗(yàn)材料的選取和組合，確定實(shí)驗(yàn)材料的呈現(xiàn)順序，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題，逐漸形成材料的結(jié)構(gòu)性。而不是進(jìn)行到這一步時(shí)，教師直接將其發(fā)下去，學(xué)生簡單機(jī)械地拼搭。否則這就是一節(jié)手工或拼搭課，而非探究課。

在上述STEM課程案例中，部分材料應(yīng)由學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)并提出需要，教師再將其呈現(xiàn)。如，需要能夠戴在手上的LED，那么電池和燈泡就不能選擇太大的，學(xué)生自然能聯(lián)想到小號(hào)的LED燈泡和小號(hào)紐扣電池；為了節(jié)省電量提出需要開關(guān)；比較做成的LED穿戴設(shè)備的亮度，需要照度儀；等等。此外，拿到材料后也不是直接就能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，很多材料需要先仔細(xì)觀察它們的結(jié)構(gòu)，尤其是在概念建構(gòu)的過程中，比如，了解小燈泡、電池、導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)更有利于學(xué)生建構(gòu)“閉合通路”的概念。在ADDIE的STEM課程教學(xué)模式下，還需要對最終產(chǎn)品進(jìn)行評估。評估過程中出現(xiàn)的問題會(huì)再次引導(dǎo)學(xué)生思考材料的選擇或制作過程中的問題，從而進(jìn)一步改進(jìn)。只有注重材料的出現(xiàn)及分發(fā)順序，整個(gè)STEM課程活動(dòng)過程才能層次分明，條理清晰，使學(xué)生在逐漸復(fù)雜的問題中，思維活動(dòng)步步深入，促使學(xué)生進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的思維也伴隨著對這些材料的操作而不斷推進(jìn)?？偠灾虒W(xué)過程應(yīng)該遵循從感知到理解、從理解到記憶，再到運(yùn)用的過程。以夸美紐斯唯實(shí)主義理論為基礎(chǔ)建立的教學(xué)論認(rèn)為，“知識(shí)的開端必須永遠(yuǎn)來自感官”，脫離感知和理解的活動(dòng)只是機(jī)械化學(xué)習(xí)，學(xué)生的思維無法得到發(fā)展，知識(shí)的運(yùn)用更無從談起。

本論文基于STEM課程下結(jié)構(gòu)性材料的研究與應(yīng)用提出了三點(diǎn)建議，除此以外，材料的安全高效也是教師要考慮的。結(jié)構(gòu)性材料的開發(fā)與在STEM課程中的實(shí)際應(yīng)用還有很多值得研究的地方，需要廣大學(xué)者進(jìn)一步探索。

參考文獻(xiàn)

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