sem教育應(yīng)用模式的類型及案例研究

sem教育應(yīng)用模式的類型及案例研究

隨著社會對人才的不斷提高，stem教育作為培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才的精神教育在全球范圍內(nèi)越來越受歡迎。許多國家發(fā)布了自己的stem教育發(fā)展計劃。中國教育部在《關(guān)于充分推進(jìn)“十三五”教育電腦化的指導(dǎo)意見（意見草案）中明確規(guī)定，“有效利用信息技術(shù)促進(jìn)“大眾創(chuàng)造區(qū)”的建設(shè)，探索了烹飪教育和旅游教育等新形式，使學(xué)生具有較強(qiáng)的信息和創(chuàng)新意識。”其中，“蘇州教育”是stem教育的擴(kuò)展版。stem可以添加到藝術(shù)類。而創(chuàng)客教育和STEM教育有著緊密聯(lián)系,STEM教育是未來教育的重要發(fā)展方向,對于中國的傳統(tǒng)教育模式更有著重要的意義。一、stem教育的定義STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)四個英文首字母的縮寫,簡言之STEM教育就是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的教育,但現(xiàn)實問題往往無法單憑STEM中的某一門學(xué)科知識來解決,必須依靠多學(xué)科的協(xié)同,因此STEM教育關(guān)于如何綜合運用STEM知識解決現(xiàn)實問題的能力的教育,也就是STEM素養(yǎng)教育。STEM教育的目標(biāo)就是提升學(xué)習(xí)者的STEM素養(yǎng),但對于STEM教育的定義,學(xué)術(shù)界存在著三種理解:第一種認(rèn)為STEM教育是一門后設(shè)課程,即在學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)STEM相關(guān)的獨立課程之外再學(xué)習(xí)一門如何綜合運用STEM知識的獨立課程;第二種認(rèn)為STEM教育是一門有機(jī)整合STEM知識的獨立課程,由它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的STEM所涉及的課程,培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的綜合運用各專業(yè)知識的能力本文的STEM教育將采用第三種觀點,從學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)目標(biāo)出發(fā)來界定STEM教育可以更好地為課程教師指明STEM教育的方向?；诖硕x,本文認(rèn)為STEM獨立學(xué)科的學(xué)習(xí)也可以是STEM教育,其關(guān)鍵在于學(xué)習(xí)者是如何學(xué)習(xí)知識和運用知識的,如通過學(xué)習(xí)者自主的實驗設(shè)計來驗證牛頓三大定律便屬于STEM教育;利用數(shù)學(xué)知識來合理安排職工工資和社保也屬于STEM教育。STEM教育對于中國來說具有更重要的意義,中國從來不缺乏STEM所包含的各獨立學(xué)科知識的學(xué)習(xí),但由于不注重知識的理解和應(yīng)用,學(xué)習(xí)者的STEM素養(yǎng)并不高,這一點必須通過加強(qiáng)STEM教育來提升。二、美國stem教育的發(fā)展歷程STEM教育理念的提出最先來源于美國,1986年美國國家科學(xué)委員會發(fā)表了《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》的報告,首次明確提出“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)教育的集成”的綱領(lǐng)性建議,被視為美國STEM教育的里程碑。從國家的國際競爭力和國家安全角度出發(fā),美國歷屆政府都注重STEM教育的投入。20世紀(jì)90年代美國國家科學(xué)基金會將科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)簡稱為SMET,2001年正式更名為STEM;2006年布什總統(tǒng)公布《美國競爭力計劃》,并為該計劃投資1360億美元,支持美國科技與教育的發(fā)展;2007年布什總統(tǒng)簽署了《給未來技術(shù)、教育和科學(xué)領(lǐng)域杰出成就創(chuàng)造機(jī)會》法案,將“加強(qiáng)從小學(xué)到研究生的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)綜合教育”視為21世紀(jì)教育改革的目標(biāo);2009年奧巴馬頒布一項“競爭卓越”的全國性教育計劃,由政府撥款資助STEM教育;奧巴馬在2010年的一次演講中強(qiáng)調(diào)STEM教育在保持美國國家領(lǐng)導(dǎo)力與同經(jīng)濟(jì)快速增長的亞洲國家成功競爭方面的重要作用。亞洲一些國家諸如中日韓等,已經(jīng)在環(huán)保科技方面投入了大量的政府投資,讓這一領(lǐng)域在接下來幾個十年里致力于成為新的經(jīng)濟(jì)增長點。奧巴馬表示,美國的國際領(lǐng)導(dǎo)力將依賴于國家如何教育我們的孩子,特別是在STEM方面。2014年奧巴馬政府簽署《2015年STEM教育預(yù)算》,繼續(xù)加大財政支持,發(fā)展美國的STEM教育,2015年12月正式頒布了STEM教育法案,從教師培訓(xùn)、社會協(xié)助、校內(nèi)外相結(jié)合等角度詳細(xì)規(guī)劃了STEM教育的新動向在德國,由于語言的關(guān)系,STEM教育通常被縮寫為MINT(Mathematik,Informatik,NaturwissenschaftundTechnik)教育。而德國政府之所以引進(jìn)美國STEM教育理念,是因為在作為歐洲主要經(jīng)濟(jì)體的德國出現(xiàn)了高質(zhì)量的綜合性勞動力匱乏的現(xiàn)象,這是極不利于工業(yè)科技持續(xù)發(fā)展的。因此,在德國的政府報告中多次提到“需要用MINT教育來彌補(bǔ)該缺陷”的觀點。德國聯(lián)邦教育與研究部在其調(diào)查報告《MINT展望——MINT事業(yè)與推廣指南》中甚至指出“保證勞動力的數(shù)量和質(zhì)量是聯(lián)邦政府活動的重心”日本在二十世紀(jì)六七十年代實行的教育以書本知識和應(yīng)試為主,后來隨著社會發(fā)展的需要,教育的重心發(fā)生變化,以促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展和提高學(xué)習(xí)能力為目標(biāo),在中小學(xué)推行“寬裕教育”(YutoriEducation)政策,通過縮減課時、精簡知識和減少學(xué)分等措施,力圖創(chuàng)造寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境來培養(yǎng)學(xué)生的“生存能力”,然而寬裕教育并沒有提高學(xué)生的生存能力,反而導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)業(yè)的下滑,具體表現(xiàn)為日本學(xué)生在PISA測試中的表現(xiàn)不佳和TIMSS推理能力的不足。日本政府將這種后果歸結(jié)為基礎(chǔ)教育的薄弱,并開始關(guān)注美國的STEM教育,以尋求解決途徑。日本小學(xué)階段的STEM教育相對側(cè)重STEM研究型人才的培養(yǎng),增加學(xué)生對STEM相關(guān)學(xué)科的興趣和熱情,高中階段實施STEM精英教育。不過日本至今未曾在正式的政府文件中提出STEM教育一詞,而是以一種局部的、潛在的方式實施該教育。韓國為增強(qiáng)國家科技競爭力而引入了整合型人才教育的概念,從中小學(xué)時期就對學(xué)生進(jìn)行STEAM素養(yǎng)的教育,培養(yǎng)中小學(xué)生的知識整合應(yīng)用能力與科技創(chuàng)新能力,進(jìn)而為提升國家競爭力奠定青少年人才基礎(chǔ)。2011年韓國教育部頒布《搞活整合型人才教育(STEAM)方案》,提出實施要以數(shù)學(xué)和科學(xué)為中心,實現(xiàn)與工程技術(shù)相結(jié)合的STEAM課程,培養(yǎng)適應(yīng)社會的具有STEAM素養(yǎng)的綜合型人才,方案同時歸納了四類STEAM課程實施方案,為各中小學(xué)實施STEAM課程提供指導(dǎo)。韓國政府指定和扶持整合型人才教育示范學(xué)校,也是推動開展整合型人才教育的重要手段澳大利亞從2013年起開始提高對STEM教育的重視,經(jīng)歷了從某些州(如昆士蘭州)致力于實施STEM教育到在國家層面制定發(fā)展STEM教育戰(zhàn)略的過程。2013年澳大利亞首席科學(xué)家辦公室發(fā)布了《國家利益中的STEM戰(zhàn)略》,設(shè)定了2013-2025年的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo);其中《澳大利亞提升戰(zhàn)略》對教育層次制定了以下具體政策:培養(yǎng)STEM專業(yè)教師、提高學(xué)生STEM素養(yǎng)、提高課程設(shè)計的科學(xué)性和合理性、加強(qiáng)與國家課程標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系、保證人才培養(yǎng)模式與市場需求相適應(yīng)。2014年澳大利亞首席科學(xué)家辦公室頒布了題為《STEM:澳大利亞的未來》的文件,對STEM教育和培訓(xùn)做了詳細(xì)的規(guī)劃。2015年12月澳大利亞聯(lián)邦及各州和地區(qū)教育部長在“教育委員會”會議上簽署《STEM學(xué)校國家戰(zhàn)略2016-2026》,通過采取國家行動,改進(jìn)澳大利亞學(xué)校的科學(xué)、數(shù)學(xué)和信息技術(shù)教學(xué)與學(xué)習(xí)三、stem教育應(yīng)用目標(biāo)STEM教育作為一種教學(xué)策略,在實際應(yīng)用時,必須以解決現(xiàn)實中的實際問題為目標(biāo),以STEM知識的綜合運用為手段。根據(jù)具體目標(biāo)的不同,本文把STEM教育分成驗證型、探究型、制造型和創(chuàng)造型四種不同的應(yīng)用模式。驗證型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者通過綜合運用STEM知識驗證一個學(xué)習(xí)者已經(jīng)明確的結(jié)果,其核心是學(xué)習(xí)者的驗證過程和方法而非結(jié)果;探究型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者通過綜合運用STEM知識去發(fā)現(xiàn)并解釋某些學(xué)習(xí)者未知的現(xiàn)象,其核心是學(xué)習(xí)者的探究過程及結(jié)果;制造型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者通過綜合運用STEM知識去完成一個已有形態(tài)物品的生產(chǎn)和改良,其核心是學(xué)習(xí)者的工程實踐能力的培養(yǎng);創(chuàng)造型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者通過STEM知識的綜合運用去完成一個創(chuàng)新物品的設(shè)計和制造,其核心是創(chuàng)新的設(shè)計。根據(jù)教師在STEM教育應(yīng)用中給定的限定不同,各個模式又可以分為支架式和開放式,所謂的支架式就是由教師給定框架,包括目標(biāo)和實現(xiàn)方式,然后由學(xué)習(xí)者在此基礎(chǔ)上實施,而開放式則更多地由學(xué)習(xí)者自行提出目標(biāo)并自行完成任務(wù),需要學(xué)習(xí)者更多的主觀能動性,當(dāng)然,支架式和開放式之間并無明確的界限,教師在應(yīng)用過程中可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的不同、目標(biāo)的不同靈活把握。另外,考慮到STEM教育應(yīng)用的項目學(xué)習(xí)屬性,下面的各類應(yīng)用都以小組協(xié)作的方式展開。(一)驗證結(jié)果的運用驗證型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是學(xué)習(xí)者完成對已知結(jié)果的驗證,例如定律或現(xiàn)象,但這些定律或現(xiàn)象并不是此類應(yīng)用的重點,怎樣通過STEM知識的綜合運用來驗證這些結(jié)果并達(dá)到加深理解、領(lǐng)悟科學(xué)才是其關(guān)鍵,本研究總結(jié)的驗證型STEM教育應(yīng)用基本步驟如下:(1)明確問題。驗證型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是完成對已知結(jié)果的驗證,該結(jié)果既可以由老師給定,也可以由學(xué)習(xí)者提出,同時該結(jié)果既可以是某種現(xiàn)象,也可以是某條定律。(2)設(shè)計方案。設(shè)計方案的第一步是必須確定要驗證的現(xiàn)象,因為定律也必須通過現(xiàn)象來驗證,然后再根據(jù)現(xiàn)象設(shè)計合適的驗證方案,其核心是實現(xiàn)現(xiàn)象的可觀察或可記錄性。(3)評估方案?？紤]到方案實施的代價,實施方案必須經(jīng)過師生協(xié)同評估,評估的重點包括現(xiàn)象和定律之間的充分性(驗證定律)和方案的可行性(包括安全、成本、作用等內(nèi)容)。(4)實施方案。在完成方案的可行性評估之后,學(xué)習(xí)者可以開始驗證計劃,本步驟的重點是現(xiàn)象的觀察和記錄,如果遇到無法解決的狀況一定要重新回到步驟2進(jìn)行新的設(shè)計。(5)分析數(shù)據(jù)。通過對觀察得到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行分析,并結(jié)合必要的現(xiàn)象和定律之間的充分性得出本次驗證的結(jié)果,如果無法驗證,分析可能存在的原因,并回到步驟2進(jìn)行新的設(shè)計和實施。(6)分享反思。反思本驗證方案的有效性和可改進(jìn)性,并分享自己的驗證過程,總結(jié)本次驗證掌握的技能。1.設(shè)計實驗評估方案科學(xué)課探究的問題:驗證水中溶氧量會受不同因素影響而發(fā)生變化。課程設(shè)計過程如下:(1)明確問題:學(xué)生針對自己做出的對水中溶氧量影響因素的猜想設(shè)計驗證實驗,通過控制變量的方法驗證猜想——水中溶氧量會受不同因素影響而改變;(2)設(shè)計方案:使用控制變量的實驗方法,對不同的實驗條件進(jìn)行控制,配合使用測量水中溶氧量的儀器,通過小組討論,確定實驗需要開展的具體步驟及展開過程中需要注意的重要事項,另外確定個體分工,分別確定掌控實驗進(jìn)度、負(fù)責(zé)操作儀器與記錄數(shù)據(jù)及實驗過程的人;(3)評估方案:小組內(nèi)討論確定好實驗方案后,與教師溝通,共同評估實驗的可行性與嚴(yán)密性,教師適當(dāng)進(jìn)行指導(dǎo)與鼓勵;(4)實施方案:小組按照評估后的方案,循序開展驗證計劃;(5)分析數(shù)據(jù):針對學(xué)生得到的一系列數(shù)據(jù),教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自己的觀察記錄和測得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,解答學(xué)生在實驗中的問題。有的學(xué)生可能得到與他們在學(xué)校學(xué)習(xí)課程中所學(xué)(其他條件不變,水氧含量和水溫呈反比)一致的數(shù)據(jù),有些可能沒有。教師需要解釋“這種與我們學(xué)到的不一致情況在實驗中很常見”,鼓勵學(xué)生猜想還有哪些因素影響水氧含量(如氣壓、水壓、水深、水生植物的光合作用、水生動物的呼吸活動、水域的面積等等);(6)分享反思:實驗小組制作海報,要求呈現(xiàn)研究問題、研究過程、測量數(shù)據(jù)及結(jié)論,與同學(xué)們交流分享整個研究活動并互相評價。教師做好指導(dǎo)和相應(yīng)的點評及對活動的總結(jié)。2.通過分組協(xié)論驗證牛頓第二定律《驗證牛頓第二定律——力使物體獲得加速度》的課程設(shè)計如下:(1)明確問題:物體運動狀態(tài)的改變是因受到外力作用。通過實驗驗證牛頓第二定律——力使物體獲得加速度;(2)設(shè)計方案:根據(jù)已經(jīng)學(xué)習(xí)的運用打點計時器、砝碼、小車等工具進(jìn)行驗證牛頓第二定律的實驗,通過分組討論,使用智能設(shè)備與身邊容易獲得的材料設(shè)計出一個可行的實驗方案;(3)評估方案:小組通過反復(fù)推敲所涉及的實驗方案后,與教師進(jìn)行交流,得到一定的實驗改進(jìn)建議,并對實驗設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化,使新的實驗方案可行性得到確定;(4)實施方案:小組按照評估后的方案,分配好小組內(nèi)組員的分工情況并開展驗證計劃;(5)分析數(shù)據(jù):結(jié)合實驗中使用的智能設(shè)備對實驗獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,把無效數(shù)據(jù)合理剔除,并對其他數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致分析,最終得到科學(xué)的實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果;(6)分享反思:實驗小組制作海報,要求呈現(xiàn)研究問題、研究過程、測量數(shù)據(jù)及結(jié)論,與同學(xué)們交流分享整個研究活動并互相評價,并討論如何對實驗進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。教師做好指導(dǎo)和相應(yīng)的點評及對活動的總結(jié)。(二)探究型stem教育應(yīng)用探究型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是去發(fā)現(xiàn)并解釋學(xué)習(xí)者未知的現(xiàn)象,無論是探究過程還是解釋現(xiàn)象都將綜合運用STEM知識,從而培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的科學(xué)探究精神和能力。探究型STEM教育應(yīng)用的本質(zhì)是探究型學(xué)習(xí)在STEM教育中的特定應(yīng)用,其應(yīng)用基本步驟如下:(1)發(fā)現(xiàn)問題。探究型STEM教育應(yīng)用需要學(xué)習(xí)者自己去尋找需要探究的問題,根據(jù)教師限定條件的多少,學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)的問題具有一定的指向性,但絕對不能是限定的,發(fā)現(xiàn)問題的能力也是STEM素養(yǎng)的重要組成部分。(2)收集證據(jù)。收集證據(jù)是探究型STEM教育應(yīng)用的最重要環(huán)節(jié),根據(jù)探究問題的類型,證據(jù)收集過程可以分為三大類:一類是直接觀察類,此類過程學(xué)習(xí)者無需借助任何設(shè)備直接靠人體自身感知即可;另外一類是儀器記錄類,此類過程學(xué)習(xí)者需要借助現(xiàn)有的儀器或設(shè)計新的儀器來記錄數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)規(guī)律;最后一類則是設(shè)計交互類,此類過程學(xué)習(xí)者需要設(shè)計專門的交互方案,通過不斷的交互完成環(huán)境的準(zhǔn)備、問題現(xiàn)象的觸發(fā)和對應(yīng)數(shù)據(jù)的收集工作。和驗證型STEM教育應(yīng)用類似,探究型STEM教育應(yīng)用的收集證據(jù)過程也可以細(xì)化成設(shè)計方案、評估方案和實施方案三個階段。(3)分析數(shù)據(jù)。對于探究型STEM教育應(yīng)用而言,數(shù)據(jù)分析的過程要比驗證型復(fù)雜得多,驗證型的數(shù)據(jù)分析結(jié)果是確定的,而探究型則是未知的。數(shù)據(jù)分析可以采用結(jié)論推導(dǎo)的方法,也可以采用猜想驗證的方法,數(shù)據(jù)分析的成果是可以描述的現(xiàn)象或規(guī)律。(4)解釋結(jié)論?？紤]到證據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜性和不確定性,學(xué)習(xí)者必須從理論的角度來解釋觀察到的現(xiàn)象和規(guī)律,否則極有可能得到錯誤的結(jié)論?？紤]到解釋結(jié)論又可能超出學(xué)習(xí)者的能力,相互協(xié)作和教師支持是必須的。(5)分享反思。當(dāng)學(xué)習(xí)者完成了問題的發(fā)現(xiàn)和探究以后,學(xué)習(xí)者需要反思本探究問題的可滲入性及可遷移性,培養(yǎng)更好的問題發(fā)現(xiàn)能力;歸納整個證據(jù)收集過程和數(shù)據(jù)分析過程的方法,并考慮必要的改進(jìn);同時完成相關(guān)方法和結(jié)論的發(fā)布分享。1.加速度與力的關(guān)系美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)奧馬哈市分校信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院開設(shè)的STEM課程——安卓加速器應(yīng)用程序(AndroidAccelerationApplication),面向高中生開設(shè),涉及到的學(xué)科領(lǐng)域包括數(shù)據(jù)分析與概率論、物理學(xué)和計算機(jī)科學(xué)。該課程的目的并不是學(xué)習(xí)如何編寫程序,而是通過編寫程序來體驗工程設(shè)計的過程,用編寫程序這種形式開發(fā)一款A(yù)ndroid應(yīng)用設(shè)備,來探究設(shè)備的加速度與力的關(guān)系。該課程單元包括兩節(jié)課和兩項活動:(1)第一節(jié)課是應(yīng)用程序設(shè)計課程,學(xué)生通過MIT(麻省理工學(xué)院)研發(fā)的APPInventor的在線平臺學(xué)習(xí),了解如何創(chuàng)建Android應(yīng)用程序,然后應(yīng)用學(xué)到的技能創(chuàng)建自己的應(yīng)用程序,使用該設(shè)備收集Android設(shè)備的加速度數(shù)據(jù)并且將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中;(2)第一節(jié)課后跟隨的活動就是應(yīng)用手機(jī)內(nèi)部傳感器(特別是加速器)開發(fā)一款A(yù)ndroid應(yīng)用設(shè)備,學(xué)生將按照工程設(shè)計的步驟,找出問題,制定解決方案,實施解決方案,測試解決方案和重新設(shè)計,完成設(shè)計任務(wù);(3)第二節(jié)課學(xué)生使用滑動的Android設(shè)備收集速度和時間的數(shù)據(jù),來探究加速度,學(xué)生先根據(jù)加速設(shè)備形成假設(shè),然后根據(jù)牛頓第二定律探究設(shè)備上的力是如何變化的,引入不同類型的加速度來探究;(4)第二節(jié)課后跟隨的活動就是使用Android設(shè)備測量加速度,利用加速度和時間的關(guān)系繪制速度時間曲線,理解加速度與施加的力的關(guān)系。課程結(jié)束后通過測試學(xué)生對速度、加速度和力的關(guān)系來評價學(xué)生的學(xué)習(xí)水平,通過詢問學(xué)生工程設(shè)計過程是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的這種問題來評價學(xué)生是否真正在課程中理解了物理與工程的融合。2.氣調(diào)和凈化軟件的使用美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校工程學(xué)院設(shè)計了一個關(guān)于空氣污染的STEM課程,涉及的學(xué)科是物理科學(xué)、地球與空間、工程技術(shù),面向的是小學(xué)高年級學(xué)生。課程實施的過程如下:(1)學(xué)生通過調(diào)查空氣的組成、性質(zhì)、大氣層和空氣在日常生活中的重要性來學(xué)習(xí)空氣質(zhì)量的概念,并用糖果拼圖和餅狀圖的方式將空氣成分展示出來;(2)探究有形的或無形的空氣污染的來源和影響,通過閱讀報紙上天氣預(yù)報的版面內(nèi)容、學(xué)習(xí)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的概念,創(chuàng)建AQI信息的圖表,并且解釋氣象工程師是如何使用這些AQI數(shù)據(jù)的;(3)通過學(xué)習(xí)天氣和水循環(huán)的過程來學(xué)習(xí)污染物擴(kuò)散的嚴(yán)重后果,學(xué)習(xí)諸如氣壓、濕度、飽和度、對流等氣象的基本概念,讓學(xué)生探究相對濕度對天氣的影響,了解大氣運動是如何影響污染物的移動的;(4)使用簡單模型研究溫室效應(yīng);(5)通過討論和交互式模擬探究地球臭氧空洞的成因及影響,能夠解釋工程師是如何致力于研究減少臭氧消耗的;(6)識別造成學(xué)校和家庭室內(nèi)空氣污染的來源物,探索可以減少和放置空氣污染的措施,比如應(yīng)用各類除塵器清理空氣污染;(7)通過建立和觀察可以治理空氣污染的簡單模型,使學(xué)生體驗工程師所設(shè)計的治理和防止空氣污染的現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)。每節(jié)課最后都有評價環(huán)節(jié),允許學(xué)生頭腦風(fēng)暴,提出自己的想法和建議,課后將在課程中學(xué)到的知識用在生活中,比如去調(diào)查自己的社區(qū)是否存在污染物傳輸?shù)默F(xiàn)象,并將自己的觀察和想法記錄下來與師生分享。通過該單元課程,學(xué)生達(dá)到的目標(biāo)是掌握關(guān)于空氣的科學(xué)概念,理解水循環(huán)的模型,能解釋氣候和水循環(huán)與空氣污染的關(guān)系,而且強(qiáng)化了用工程學(xué)來解決與實際生活息息相關(guān)的空氣污染問題的認(rèn)識。(三)如何激發(fā)學(xué)習(xí)者參與熱情制造型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者通過STEM知識的綜合運用去完成一個已有形態(tài)物品的生產(chǎn)和改良,其核心是學(xué)習(xí)者的工程實踐能力的培養(yǎng);考慮到學(xué)習(xí)者必然經(jīng)歷一個從模仿到改進(jìn)的過程,本文總結(jié)的制造型STEM教育應(yīng)用的基本步驟如下:(1)情境引入。制造型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是完成一個具有實際應(yīng)用價值的物品生產(chǎn),并在生產(chǎn)過程中培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的STEM綜合能力,所以對于制造型STEM教育應(yīng)用來說,情境引入有兩方面價值:一方面是理解將要完成的物品的應(yīng)用價值,激發(fā)學(xué)習(xí)者的參與熱情;另一方面則是通過情境的介紹讓學(xué)習(xí)者更好地領(lǐng)悟物品的應(yīng)用場合,激發(fā)學(xué)習(xí)者的改進(jìn)熱情。(2)設(shè)備培訓(xùn)。此處所指的設(shè)備包括工具、零件和材料。制造型STEM教育應(yīng)用目標(biāo)的完成離不開設(shè)備的支持,為了讓學(xué)習(xí)者更好地并且更安全地使用設(shè)備,專業(yè)的培訓(xùn)是必要的。但需要注意的是,這里的設(shè)備培訓(xùn)并不是把所有設(shè)備的使用全部講一遍,而是只針對本次將會用到的功能做一個簡單的介紹,讓學(xué)習(xí)者在后面的模仿中深入學(xué)習(xí),重點強(qiáng)調(diào)設(shè)備使用的安全規(guī)則。(3)模仿制造。模仿制造環(huán)節(jié)的關(guān)鍵是讓學(xué)習(xí)者盡快地完成制造,感受制造帶來的快樂,所以教師在這個環(huán)節(jié)只需要描述怎么做,不需要講解其中的原理和知識要求,學(xué)習(xí)者自然地會跟著模仿,無需深入思考,從而盡快達(dá)成目標(biāo)。(4)知識講解。當(dāng)學(xué)習(xí)者完成了既定制造目標(biāo)后,自然就會從欣賞作品過渡到思考原理,這時候教師再開始知識點的講解會起到更好的效果,包括工作原理、加工要點、設(shè)計理念等內(nèi)容。(5)協(xié)同改進(jìn)。模仿的目標(biāo)是為了更好地改進(jìn),當(dāng)學(xué)習(xí)者了解了自己所完成作品的工作原理和應(yīng)用情境后,就有可能激發(fā)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新意愿,通過小組之間的協(xié)作對原有設(shè)計進(jìn)行合理地改進(jìn),制造出更有價值的作品。(6)分享反思。當(dāng)學(xué)習(xí)者完成了改進(jìn)后的作品以后,需要總結(jié)此次制造項目掌握的技能、設(shè)計思路以及改進(jìn)方式,并通過與不同學(xué)習(xí)者之間的分享交流,享受制造的樂趣,提升參與制造的熱情。1.學(xué)生發(fā)報機(jī)教學(xué)過程MIT動手創(chuàng)新課程中有一節(jié)課:制作電報機(jī),面向的是初中的學(xué)生,涉及的學(xué)科是物理學(xué)和工程學(xué),通過該課程要達(dá)到的目標(biāo)是了解發(fā)報機(jī)的工作原理,動手制作簡易的電報機(jī),能用光或聲音表達(dá),理解現(xiàn)代信息通訊技術(shù)的重要性。教學(xué)過程如下:(1)問題情境引入:從古至今人們是如何進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息傳遞的?(2)制作簡易的電報機(jī):學(xué)生根據(jù)以下步驟進(jìn)行制作:把電池用膠布粘在硬紙板的一角;把按鍵開關(guān)用自攻螺絲固定在硬紙板的中央;把二極管用自攻螺絲固定在硬紙板的空位置上;最后把電池、開關(guān)、二極管全部串聯(lián)起來;(3)測試自制的電報機(jī),了解發(fā)報機(jī)的工作原理:引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用電報機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的信息傳遞,然后學(xué)生分組討論,設(shè)計電碼,電碼可以是二進(jìn)制,也可以是莫爾斯代碼,最后分三種形式進(jìn)行測試:第一種是同小組的兩位同學(xué)之間背對背,一個發(fā)送電報,另一個接收電報;第二種是兩個不同的小組背對背,一個發(fā)送電報,另一個接收電報;第三種是各組按照任務(wù)單向演示臺發(fā)送電碼,將最后結(jié)果顯示在大屏幕上;通過三種形式的測試,各小組分析自己制作的電報機(jī)的優(yōu)劣,并進(jìn)行改進(jìn);(4)師生總結(jié)整個活動過程的各個環(huán)節(jié)的感受,學(xué)生自由提問,教師引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考:除了利用光之外,還可以怎樣利用其它方式進(jìn)行信息傳遞?如何保證信息的有效傳播?通過制作電報機(jī),學(xué)生們將物理學(xué)知識和工程學(xué)思想融合在一起,在動手做中體會學(xué)習(xí)的樂趣,這極大地激發(fā)了學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)和探索的熱情。2.d打印技術(shù)在教學(xué)中的作用美國國防部資助的“明尼蘇達(dá)星戰(zhàn)”項目是一個旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)興趣的非盈利教育項目,該項目的主要活動是讓學(xué)生以工程師的身份參與,為探索火星的模擬任務(wù)設(shè)計和建造模型火箭。隨著3D打印技術(shù)的興起,該項目引入了3D打印機(jī)。使用3D打印技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的過程如下:首先向?qū)W生傳授火箭的基礎(chǔ)知識,之后學(xué)會應(yīng)用CAD設(shè)計軟件設(shè)計火箭模型,然后應(yīng)用3D打印技術(shù)將設(shè)計的火箭模型的組件制作出來,以測試不同的火箭設(shè)計。之后學(xué)生會測試火箭部件并且收集火箭的落地位置以及在谷歌地圖上的位置定位等相關(guān)數(shù)據(jù),然后分析結(jié)果,與項目負(fù)責(zé)工程師討論組件的設(shè)計是如何影響其飛行路徑的。在這一項目課程中,3D打印技術(shù)發(fā)揮著制作飛機(jī)模型組件以及建構(gòu)學(xué)習(xí)火箭設(shè)計知識的探究情境方面發(fā)揮了重要作用,具體表現(xiàn)為:首先,3D打印技術(shù)提供了模型組塊快速生成的能力,使原來只能在電腦中存在的設(shè)計方案可以通過3D打印機(jī)制作出來,這種將理念模型實體化的技術(shù),實現(xiàn)了學(xué)生的設(shè)計方案,為后續(xù)火箭的測試和試飛提供了技術(shù)支持;其次,使用3D技術(shù)進(jìn)行教學(xué),塑造了一種真實的問題情境,通過火箭模型的制造成型和測試、試飛,學(xué)生們會真切體會到自己的設(shè)計與成果建立的真實聯(lián)系,這會極大程度地增強(qiáng)學(xué)生日后學(xué)習(xí)的熱情和進(jìn)行工程設(shè)計的興趣。研究發(fā)現(xiàn),3D打印技術(shù)在該項目的應(yīng)用得到師生的一致認(rèn)可,對該項目的順利進(jìn)展發(fā)揮了積極地推動作用。3.聲音工程的實踐活動美國科羅拉多大學(xué)波德分校工程學(xué)院整合教學(xué)項目中設(shè)計的STEM課程——聲音,面向三至五年級的學(xué)生設(shè)計,涉及的學(xué)科領(lǐng)域是物理科學(xué)、科學(xué)與技術(shù),其目標(biāo)是讓學(xué)生掌握聲音的物理學(xué)知識,并能應(yīng)用工程設(shè)計理念和所學(xué)知識完成一系列制作活動,培養(yǎng)學(xué)生“學(xué)以致用”的能力。課程設(shè)計如下:(1)向?qū)W生展示聲波裝置,以直觀式教學(xué),讓學(xué)生認(rèn)識聲波,了解音頻工作者的工作及其工作環(huán)境,通過學(xué)習(xí)能夠?qū)⒁纛l師的工作同電影和音樂聯(lián)系起來,能夠解釋音頻工程師是如何使用聲音的科學(xué)知識操縱聲音的;理解聲波是如何傳播和變化的,特別是當(dāng)聲音穿過不同介質(zhì)時會發(fā)生哪些現(xiàn)象,以及如何根據(jù)環(huán)境控制聲音的增強(qiáng)和減弱,然后通過問題討論(為什么聲音可以以自己的方式從收音機(jī)或MP3播放器中傳出呢?)評價是否掌握了這些知識;(2)在第一個實踐活動中學(xué)生們需要分析聲音特性的材料,建模麥克風(fēng)的位置使其產(chǎn)生一個特定的音樂形象;(3)將學(xué)生帶入一個聲音傳播的演示情境中,利用一個由金屬瓶身和PVC桿構(gòu)成的簡易傳聲裝置認(rèn)識聲波,觀察聲音在緊繃的桿上產(chǎn)生波動,理解聲波是能量的脈沖,可以在空氣、固體、液體等介質(zhì)中傳播,聲波具有能量,通過貝爾發(fā)明電話的故事強(qiáng)化學(xué)生探索聲音科學(xué)世界的熱情;(4)在第二個實踐活動中建模和分析一個簡易電話,所需材料是紙杯、圖釘、尼龍繩等,首先學(xué)生需要分析聲音是如何通過連接繩子的紙杯進(jìn)行傳播的,然后他們講紙杯和尼龍繩連起來制成一個簡易電話,最后,他們改變繩子的距離,重新設(shè)計簡易電話。通過制作簡易電話,使學(xué)生認(rèn)識遠(yuǎn)程通訊使世界聯(lián)系更緊密的重要性;(5)向?qū)W生介紹聲音環(huán)境是如何影響房屋建筑的設(shè)計的,通過幾個實例讓學(xué)生學(xué)習(xí)聲學(xué)工程的設(shè)計,并讓學(xué)生使用不同的材料、厚厚的窗簾、吸音板等,來制造一個聲音環(huán)境良好的房屋。將學(xué)生常見的生活現(xiàn)象——聲音,與學(xué)生不甚了解的音頻師的工作聯(lián)系起來,會充分吸引學(xué)生的興趣,通過制作簡易電話和具有良好聲音效果的房屋了解聲音工程對人類生活的重要性,讓學(xué)生體驗小中見大的科學(xué)樂趣。將物理學(xué)科與工程學(xué)科相結(jié)合,讓學(xué)生們成為小小工程的制作者。(四)stem教育的創(chuàng)新過程創(chuàng)造型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者通過STEM知識的綜合運用去完成一個創(chuàng)新物品的設(shè)計和制造,其核心是創(chuàng)新性的實現(xiàn),是基于設(shè)計的學(xué)習(xí)在STEM教育中的特定應(yīng)用。當(dāng)然,在實際的應(yīng)用中,創(chuàng)新物品的方向是有指向性的,否則,學(xué)習(xí)者會出現(xiàn)因選擇太多,無從入手的情況。從基于設(shè)計的學(xué)習(xí)模式出發(fā),創(chuàng)造型STEM教育應(yīng)用基本步驟如下:(1)情境引入。創(chuàng)造型STEM教育應(yīng)用的目標(biāo)是完成一個創(chuàng)新物品的設(shè)計和制造,雖然非物化作品的設(shè)計也在創(chuàng)新這列,但考慮到成果驗證的方便性,STEM教育中的創(chuàng)新以物化成果為主。創(chuàng)新來自于生活中的問題,所以教師需要引入極具吸引力的情境激發(fā)學(xué)習(xí)者從中尋找需求并明確創(chuàng)造方向。(2)創(chuàng)新引導(dǎo)。當(dāng)學(xué)習(xí)者有了明確的目標(biāo)以后,教師需要從兩方面對學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新進(jìn)行引導(dǎo),一方面是創(chuàng)新的方向,教師需要根據(jù)學(xué)習(xí)者確定的創(chuàng)新物化目標(biāo)提供可行的創(chuàng)新方向和思路的指導(dǎo),具體的創(chuàng)造行為由學(xué)習(xí)者完成;另一方面則是創(chuàng)新的可行性,教師需要對學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新目標(biāo)進(jìn)行可行性分析,防止學(xué)習(xí)者設(shè)定一個在當(dāng)前條件下無法實現(xiàn)的創(chuàng)新目標(biāo)。(3)協(xié)同設(shè)計。當(dāng)學(xué)習(xí)者有了切實可行的創(chuàng)造目標(biāo)以后,就可以采用小組協(xié)作的方式,讓每個成員從自己的專業(yè)背景出發(fā),完成作品的結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電子、傳動、外觀、動力、人機(jī)交互等方面的設(shè)計,并進(jìn)行必要的評估,設(shè)計—評估—再設(shè)計是一個迭代過程,直到得到一個大家都認(rèn)可的設(shè)計方案為止。(4)制造驗證。有了詳細(xì)的設(shè)計方案以后,學(xué)習(xí)者就可以開始進(jìn)行作品的實際制造過程,考慮到設(shè)計和制造之間的差異性,一旦在制造過程中出現(xiàn)無法解決的問題,學(xué)習(xí)者必須回到步驟3進(jìn)行設(shè)計的修改。(5)應(yīng)用改進(jìn)。當(dāng)完成了創(chuàng)新作品的制造以后,學(xué)生就可以把它放到現(xiàn)實的環(huán)境中進(jìn)行有效性的驗證,包括自身功能和用戶體驗兩方面,并形成改進(jìn)意見,必要時重新回到步驟3開始新一輪的設(shè)計過程。(6)分享反思。當(dāng)學(xué)習(xí)者完成了自己認(rèn)可的創(chuàng)新作品以后,教師需要鼓勵學(xué)習(xí)者進(jìn)行必要的產(chǎn)品文稿設(shè)計和展示包裝,并進(jìn)行充分地作品分享,通過分享讓學(xué)習(xí)者喜歡上創(chuàng)新,同時通過分享中的觀眾交互,反思作品的進(jìn)一步改進(jìn)。1.生獨立完成任務(wù)澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)教育學(xué)院LynDEnglish和DonnaTKing對工程設(shè)計中的STEM學(xué)習(xí)做了一個縱向研究,選取昆士蘭2所私立小學(xué)和3所州立小學(xué),對四年級的學(xué)生實施培養(yǎng)學(xué)生航空航天領(lǐng)域問題解決能力的STEM課程,為老師提供詳細(xì)的課程手冊,包括額外的網(wǎng)絡(luò)資源,為學(xué)生提供工作手冊,讓學(xué)生獨立完成任務(wù)。課程是從三個水平進(jìn)行的:第一個階段是學(xué)習(xí)航空航天工程和航空動力學(xué)的知識,包括認(rèn)識飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)流體力學(xué)原理、探究影響飛機(jī)飛行的影響因素;第二個階段是選擇合適的制作材料,使用恰當(dāng)?shù)臏y量方法和材料折疊的方法,使用工程設(shè)計軟件,繪制2D飛機(jī)圖紙或者設(shè)計一個3D飛機(jī)模型(注:根據(jù)學(xué)生個人能力和學(xué)習(xí)水平,可以設(shè)計不同復(fù)雜程度的作品),該階段遇到的問題比較多樣,包括飛機(jī)材料、形狀、尺寸的確定,飛行性能的好壞等,需要學(xué)生綜合運用數(shù)學(xué)、物理和工程的知識和技能解決問題,然后對初步設(shè)計的飛機(jī)進(jìn)行測試,與教師、同學(xué)交流想法和改進(jìn)意見,從而改進(jìn)設(shè)計;第三個階段是對初步設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化,再測試,直到產(chǎn)出滿意的作品,最后給出飛機(jī)的設(shè)計過程的書面說明和詳細(xì)的計算過程。研究結(jié)果顯示,通過一系列STEM課程的學(xué)習(xí),學(xué)生可以完成初步的設(shè)計,并進(jìn)行較為復(fù)雜的再設(shè)計飛機(jī)模型,而且學(xué)生在第二階段和第三階段頻繁地使用了數(shù)學(xué)思維和工程思維,能夠?qū)⑾嚓P(guān)的數(shù)學(xué)知識和科學(xué)知識應(yīng)用到航空工程設(shè)計中來,為飛機(jī)的飛行提出可行性的建議。2.eie課程的教學(xué)內(nèi)容EiE(EngineeringisElementary)項目是波士頓科學(xué)博物館創(chuàng)辦的項目,其目的是培養(yǎng)孩子們的工程和技術(shù)素養(yǎng),EiE課程實現(xiàn)了工程、技術(shù)和科學(xué)的充分融合,是典型的STEM教育。現(xiàn)以《一個驚人的想法:報警電路的設(shè)計》的EiE單元課程為例進(jìn)行分析。該課程單元涉及的學(xué)科領(lǐng)域包括物理學(xué)和工程學(xué),面向的是3-5年級的學(xué)生,課程設(shè)計如下:該單元共有5節(jié)課,在準(zhǔn)備課中認(rèn)識什么是技術(shù)和工程師(不算在正式課程中)。第一節(jié)課,情境導(dǎo)入,讓學(xué)生閱讀關(guān)于Emily報警器的故事,引起學(xué)生的好奇心和進(jìn)一步探索的興趣,使學(xué)生初步了解工程設(shè)計的內(nèi)容;第二節(jié)課,學(xué)習(xí)電的基本知識,主要是理解和掌握導(dǎo)體、絕緣體、電壓、電流等科學(xué)概念,認(rèn)識常見的電力技術(shù),認(rèn)識電能作為一種人類生活廣泛使用的能源對人類社會的重要應(yīng)用;第三節(jié)課,結(jié)合前面學(xué)的基本電學(xué)知識,進(jìn)一步學(xué)習(xí)電路,先是認(rèn)識電路的構(gòu)成,其次學(xué)習(xí)畫簡單的電路圖,然后學(xué)習(xí)不同結(jié)構(gòu)的電路圖的工作原理