STEM教育內(nèi)涵及學(xué)校STEM課程的構(gòu)建

STEM教育內(nèi)涵及學(xué)校STEM課程的構(gòu)建陳磊：我們知道STEM教育是由美國發(fā)起并在全世界流行的教育改革行動，江教授曾在日本東京工業(yè)大學(xué)、德國伊斯梅瑙科技大學(xué)及美國麻省理工學(xué)院進行學(xué)習(xí)與研究，具有豐富的國外研究經(jīng)歷，您可以給我們分享幾個國外優(yōu)秀的STEM案例嗎？江豐光：國外STEM教育非常重視真實問題的解決，并且往往是學(xué)校、機構(gòu)等多方參與，構(gòu)建了STEM的教育生態(tài)系統(tǒng)。我在過去發(fā)表的論文中也指出大致有三大類STEM教育類型，下面我針對這三大STEM類型分享國外的三個優(yōu)秀案例。第一個案例是基于教室開展的STEM課堂活動——為視障兒童設(shè)計手表的項目。該項目的背景是根據(jù)一項數(shù)據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)（當(dāng)然這個數(shù)據(jù)是以前的），美國有近1400萬視力障礙的人，其中有300萬人的視力障礙是不能用眼鏡或隱形眼鏡矯正的。為此，項目希望學(xué)生可以為11至19歲的視力障礙兒童設(shè)計一款手表，以便為他們的生活提供一些便捷，且方便穿戴，能準(zhǔn)確報時?？茖W(xué)知識層面學(xué)生需要學(xué)習(xí)生物醫(yī)學(xué)工程中人體輔助設(shè)施、器械的原理以及簡單機械原理。工程知識層面學(xué)生需掌握工程設(shè)計步驟，也就是確定問題→查閱資料→設(shè)計方案→選擇方案→建造原型→測試評價，同時考慮工程設(shè)計符合實際需求。技術(shù)知識層面學(xué)生需要利用建模、測試、評價、修改的方法解決實際問題，熟悉為人類生活帶來更多舒適度的技術(shù)。數(shù)學(xué)知識層面學(xué)生需用到測量與計算、方程與模型等。項目分為兩天，第一天學(xué)習(xí)科學(xué)知識，第二天參觀帕盧斯發(fā)現(xiàn)科學(xué)中心。第一天，項目工作人員以演示、動畫、動手實踐、團隊活動等形式介紹三種熱傳遞方式（熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射）在日常生活中是如何工作的。之后，學(xué)生圍繞熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射相關(guān)問題進行小組討論，如“在你的家里，哪種材料是導(dǎo)體，哪種是絕緣體呢”等。然后，學(xué)生通過觸摸磚頭、金屬、木頭等實物進行實踐活動，通過觸摸了解和識別不同材料的導(dǎo)熱性。最后，以小組形式參與房屋模型改進的活動，每個小組六個人使用不同的材料和工具來改造他們的樣板房，并通過展示和測試，看改進后的房屋模型能否更有效地保持熱量。第二天，學(xué)生和家長在參觀科學(xué)中心的時候進行一場團體討論，集中討論兩個問題：他們在自己家中發(fā)現(xiàn)的房屋材料有哪些？如何利用當(dāng)?shù)氐碾娏久赓M提供的防寒保暖材料來改進房屋，以便提高能源的利用效率？這個項目是一種真實情境下的學(xué)習(xí)活動，學(xué)生通過這個活動了解熱傳遞背后的科學(xué)知識，并在控制建筑的熱量損失方面做出明智的決定。陳磊：您剛才舉的三個案例真讓我大開眼界。我們都知道STEM教育不是將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識進行簡單疊加，而是強調(diào)將四門學(xué)科內(nèi)容通過項目或者問題自然組合形成整體，讓學(xué)生綜合運用各學(xué)科知識解決問題。剛才舉的三個案例我覺得首先體現(xiàn)了真實情境下的學(xué)習(xí)與真實問題的解決，其次是教與學(xué)方式的改革，探究、調(diào)查、設(shè)計、討論等活動充分激發(fā)學(xué)生的積極主動性，最后是小組的密切合作，或者是學(xué)生組成學(xué)習(xí)共同體，學(xué)校、社區(qū)、高校、機構(gòu)等組成研究共同體。陳磊：在一線研究和實踐中，我們也總結(jié)出了一些STEM教育的本質(zhì)特征，總結(jié)起來有六點——STEM教育的本質(zhì)是跨學(xué)科整合的意識和思維方式培養(yǎng);核心是學(xué)生問題解決能力培養(yǎng);目標(biāo)是個性化教育，表達自己的想法;研究原點是觀察生活，善于發(fā)現(xiàn)生活中的問題;實現(xiàn)形式和追求是動手實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng);社會價值是團結(jié)協(xié)作能力培養(yǎng)。這個跟您總結(jié)的八大要素有許多共同之處。剛才三個案例里提到非正式教育，也有高校、機構(gòu)等參與的大型項目，在一線實踐中更多的是教室里開展的STEM項目，這幾個有什么區(qū)別嗎？江豐光：我將目前存在的STEM教育活動歸納為“基于教室開展的STEM課程”“正式與非正式場館結(jié)合的STEM活動”和“基于終身學(xué)習(xí)概念所設(shè)計的學(xué)習(xí)共同體STEM項目”三大類型?；诮淌议_展的STEM課程是最為常見的STEM教育類型。教師通常使用基于項目的學(xué)習(xí)進行教學(xué)，注重“跨學(xué)科”融合的理念，一般針對某個特定主題以工程為主線，綜合數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)的學(xué)科知識來完成最終的學(xué)習(xí)成果。在此類STEM課程當(dāng)中，教師通常以一個主題貫穿整個教學(xué)過程，課堂設(shè)計跨學(xué)科整合的學(xué)習(xí)活動，強調(diào)課堂內(nèi)學(xué)生可動手動腦動心完成的任務(wù)與作品。相比于傳統(tǒng)的分科教學(xué)，STEM教育背后的跨學(xué)科融合理念更注重培養(yǎng)學(xué)生知識運用與可遷移能力，如批判性思考、合作、溝通、創(chuàng)造力和信息檢索、收集、處理等能力的培養(yǎng)，而這些能力是傳統(tǒng)的分科教學(xué)難以教給學(xué)生的，但又是21世紀(jì)所重視的技能。學(xué)習(xí)共同體體現(xiàn)了人們對超越學(xué)校班級教學(xué)情境的社會化學(xué)習(xí)形態(tài)的重視，反映出了對知識社會性建構(gòu)的價值追求。美國國家研究理事會提出了STEM學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)觀，以學(xué)習(xí)者為中心，將與學(xué)習(xí)相關(guān)的各種要素視為一個系統(tǒng)，強調(diào)學(xué)習(xí)者、多樣場景、學(xué)習(xí)共同體及文化要素之間的動態(tài)互動關(guān)系。從某種意義上來說，學(xué)習(xí)共同體也可以看作區(qū)域和國家層面的館校合作。傳統(tǒng)的館校合作大多是學(xué)校和博物館直接聯(lián)系，而區(qū)域內(nèi)部合作大大發(fā)揮了學(xué)區(qū)的教育職能，聯(lián)合多個博物館、植物園等教育性場館，將資源開放并普及整個學(xué)區(qū)的公立教育系統(tǒng)，幫助學(xué)生更好地完成科學(xué)探究。陳磊：在一線教學(xué)中，基于教室開展的STEM課程是實施STEM教育的主要形式。對于正式與非正式場館結(jié)合的學(xué)習(xí)活動，北京市朝陽區(qū)有一些學(xué)校進行了探索，如研學(xué)旅行、社會大課堂、館校結(jié)合、綜合社會實踐活動等都體現(xiàn)了這個方面。朝陽區(qū)也初步嘗試推動學(xué)習(xí)共同體STEM項目，構(gòu)建了區(qū)域STEM推進的五大系統(tǒng)，包括課程系統(tǒng)、實施系統(tǒng)、資源系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、評價系統(tǒng)。在整個系統(tǒng)中，朝陽區(qū)教委牽頭，區(qū)域內(nèi)近40所學(xué)校參與，教科院等參與指導(dǎo)培訓(xùn)，企業(yè)參與課程設(shè)計。課程系統(tǒng)包括設(shè)計教師研修課程，開發(fā)課堂中學(xué)生使用的STEM課程等。實施系統(tǒng)為教師課程、學(xué)生課程的具體實施方式、策略、模式等。課程系統(tǒng)與實施系統(tǒng)相互影響，共同完善。資源系統(tǒng)包括教師的研修課程、學(xué)生的STEM課程所需要的硬件、軟件等資源，以及專家資源。管理系統(tǒng)形成了以教育行政部門為領(lǐng)導(dǎo)、朝陽區(qū)教科院等為具體職能和執(zhí)行部門、學(xué)校具體參與的三級管理系統(tǒng)。學(xué)校層面也形成了學(xué)校負責(zé)教師為引領(lǐng)、學(xué)校具體學(xué)科教師參與的二級管理系統(tǒng)。評價系統(tǒng)則針對課程系統(tǒng)、實施系統(tǒng)、資源系統(tǒng)、管理系統(tǒng)進行綜合評價，督促各系統(tǒng)不斷完善，提高STEM本土化的成效。江豐光：一些STEM課程是由研究者開發(fā)出來的一個個案例組成，缺乏體系化的課程設(shè)計，不像傳統(tǒng)學(xué)科中有明確的銜接國家課程標(biāo)準(zhǔn)。許多中小學(xué)使用的STEM教材是直接從國外翻譯來的，會出現(xiàn)與我國基礎(chǔ)教育具體情況不符的情況。有一些學(xué)校通過購買服務(wù)的形式購買企業(yè)開發(fā)的課程，也會出現(xiàn)課程與學(xué)生學(xué)情不符的情況。一線教師是單一學(xué)科出身，在進行跨學(xué)科設(shè)計時出現(xiàn)問題在所難免，這就需要教師首先加強學(xué)習(xí)，通過案例觀摩了解優(yōu)秀的STEM案例，其次加強與其他教師的合作，通過合作共同完成STEM課程的設(shè)計、開發(fā)與實施。陳磊：在學(xué)校的整體課程體系中，STEM課程應(yīng)該有自己的位置，也就是說STEM課程應(yīng)該無縫融入學(xué)校的課程體系中，并助力學(xué)校育人目標(biāo)的實現(xiàn)。STEM教育理念可以在國家課程中滲透，如在小學(xué)科學(xué)、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)、綜合實踐等學(xué)科的實踐活動中滲透，也可以在學(xué)校特色的拓展課程、社團課程或者跨學(xué)科活動中體現(xiàn)，如3D設(shè)計、創(chuàng)意編程、人工智能、虛擬現(xiàn)實等課程。學(xué)?；蛘呓處熢诳紤]STEM課程的開設(shè)時，首先要考慮當(dāng)前課程改革的背景，其次考慮開設(shè)的課程與學(xué)校的育人目標(biāo)、課程目標(biāo)、課程結(jié)構(gòu)甚至學(xué)科課程群建設(shè)情況是否一致，最后要考慮學(xué)生的實際需求及教師興趣愛好、需求等。在進行課程設(shè)計時，可以按照ADDIE設(shè)計模型進行設(shè)計，也就是分析→設(shè)計→開發(fā)→實施→評價五個步驟，在分析學(xué)情的基礎(chǔ)上先設(shè)計和開發(fā)課程體系，再實施，實施后通過評價和反思完善課程體系并重新實施。課程案例的選題可以考慮各學(xué)科內(nèi)容的整合點，也可以考慮學(xué)生的生活實際，尤其是當(dāng)前的一些熱點話題更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在教學(xué)時可以采用STEM教育常用的教學(xué)模式進行授課，關(guān)于STEM教育常用的教學(xué)模式您有什么建議？江豐光：STEM課程一般以工程設(shè)計為核心，有意地整合科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的知識，進行有效的跨學(xué)科教學(xué)。目前，STEM教育一般以基于項目的學(xué)習(xí)、基于問題的學(xué)習(xí)、基于設(shè)計的學(xué)習(xí)、5E教學(xué)模式、6E教學(xué)模式等為主要學(xué)習(xí)方式。在國外，基于項目的學(xué)習(xí)是一種非常重要的學(xué)習(xí)方式，非常重視學(xué)生真實情境下的學(xué)習(xí)，重視真實問題的解決，重視工程與產(chǎn)品設(shè)計，強調(diào)社會效益。陳磊：您剛才提到的這些教學(xué)模式我們在課程設(shè)計時用得比較多的是6E教學(xué)模式、5E教學(xué)模式、基于項目的學(xué)習(xí)、基于問題的學(xué)習(xí)四種。在一個大的STEM主題課程中，一般采用基于項目的學(xué)習(xí)形式，課程內(nèi)容較多時，可以細分為幾個小主題課程，每個主題可以采用5E教學(xué)模式、6E教學(xué)模式、基于問題的學(xué)習(xí)等模式。其中，5E教學(xué)模式適用于偏科學(xué)探究類的課程，6E教學(xué)模式適用于偏工程領(lǐng)域的課程，基于問題的學(xué)習(xí)適用于學(xué)科學(xué)習(xí)或者真實問題解決的課程。在指導(dǎo)學(xué)校實施STEM課程時，我們針對6E教學(xué)模式的各個環(huán)節(jié)設(shè)計了具體的實施要點。以6E中的第一個環(huán)節(jié)“引入”為例，“引入”的目的是激發(fā)學(xué)生興趣，從而參與到課程中，明確本課程的任務(wù)。“引入”的學(xué)習(xí)方式包括創(chuàng)設(shè)問題情境、設(shè)計探究活動、回顧已有知識等?！耙搿辈糠帜軌騽?chuàng)設(shè)與現(xiàn)實生活聯(lián)系緊密的情境會更好，或者創(chuàng)設(shè)的情境能聯(lián)系學(xué)生已有經(jīng)驗產(chǎn)生認知沖突會更好。除了教學(xué)模式，STEM的腳手架設(shè)計也是非常重要的。陳磊：目前STEM教育的資源比較零散，沒有一個統(tǒng)一的開放的平臺。在STEM課程設(shè)計和實施時，STEM課程的評價是一個難題，一線教師對課程評價的認識普遍缺乏。江豐光：STEM教育往往在設(shè)計上具有跨學(xué)科和整合式的特點，在教學(xué)上會提供真實的學(xué)習(xí)環(huán)境，呈現(xiàn)出以問題或項目為中心導(dǎo)向的特征，常用到項目式學(xué)習(xí)，聚焦于培養(yǎng)學(xué)生真實世界問題解決的能力。STEM的評價也必須和這樣的教學(xué)方式相符合。綜合的評價體系包括診斷性評價、形成性評價和總結(jié)性評價三大評價類別，對于全面整合、開放的STEM教學(xué)而言，其評價方式也應(yīng)是創(chuàng)新多元的，在傳統(tǒng)關(guān)注學(xué)科知識評價的同時，更關(guān)注怎么評價學(xué)生在真實情境下項目式學(xué)習(xí)的表現(xiàn)和績效。我們曾做過國內(nèi)外STEM教育評價設(shè)計的內(nèi)容分析，總結(jié)了當(dāng)前11種STEM的評價方式，包括紙筆測驗封閉式題型、紙筆測驗建構(gòu)式題型、學(xué)生手稿筆記、圖示呈現(xiàn)、課堂觀察、作品集、訪談面試、任務(wù)成果展示、學(xué)生自我報告、組內(nèi)互評、反思日志，并總結(jié)了各評價方式的優(yōu)勢、限制及適用范圍，這個可以為教師提供參考。同時，我也根據(jù)評價方式的特點提出五個建議。第三，不同方式結(jié)合應(yīng)用。每種評價方式都有優(yōu)缺點，STEM教育是綜合的，其對應(yīng)的評價也是系統(tǒng)的整合的。在實際教學(xué)中，學(xué)生的表現(xiàn)不能單獨用哪一種方式判斷好與壞，需要形成性評價和總結(jié)性評價相結(jié)合。第四，評價主體要多元化，評價方式要多樣化，評價應(yīng)當(dāng)成體系。學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，也可以參與到評價體系的建構(gòu)中。第五，給學(xué)生自我評價和調(diào)整的機會。在STEM教育的任務(wù)式學(xué)習(xí)中，應(yīng)當(dāng)給學(xué)生自我反思和重新設(shè)計的機會。如同真實的工程設(shè)計過程，學(xué)習(xí)總是在不斷進步，作品總是在不斷完善。陳磊：正如江教授所說的，在進行STEM課程評價時，評價主體要多元化，既有學(xué)生的自我評價、學(xué)生的互評，也有教師對學(xué)生的評價，甚至可以有家庭、社區(qū)、高校專家等的加入。評價方式要多樣化，既有過程性評價，也有總結(jié)性評價。STEM課程設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，需要經(jīng)過多輪的設(shè)計和打磨，在這個過程中也會遇到各種問題，我相信通過加強溝通與合作，肯定可以圓滿解決。朝陽區(qū)有非常多的學(xué)校開展了STEM教育的探索，有些學(xué)校也獲得了很多榮譽，成為STEM教育的特色學(xué)校。我聽說國外有很多STEM學(xué)校，他們是什么樣子的呢？我們通過對歐美STEM學(xué)校資料的分析，將STEM學(xué)校應(yīng)具備的要素提煉出來，其中包括學(xué)校人員、學(xué)校STEM教學(xué)、學(xué)校文化、學(xué)校社會關(guān)系等四個關(guān)鍵要素。學(xué)校人員主要劃分為教學(xué)人員和非教學(xué)人員，教學(xué)人員包括STEM專業(yè)教師，非教學(xué)人員又分為教學(xué)支持人員和學(xué)校的領(lǐng)導(dǎo)團隊。STEM學(xué)校一般具有獨立開發(fā)STEM主題和課程的能力，STEM教師注重使用個性化教學(xué)、基于問題的教學(xué)、探究式教學(xué)、情境化教學(xué)等教學(xué)方式，教師常用的評價方式主要是個性化評價、持續(xù)化評價、基于項目的評價和學(xué)生的自我評價，教學(xué)設(shè)施包括校外合作的設(shè)施和技術(shù)以及學(xué)校內(nèi)部設(shè)施和技術(shù)。STEM學(xué)校擁有包容性的文化教學(xué)氣氛，包括尊重、開放共享、合作、公平、信任、學(xué)習(xí)文化。STEM學(xué)?？梢酝ㄟ^社會關(guān)系將現(xiàn)實世界的問題與課堂教學(xué)連接起來，并讓所有學(xué)生都更加深刻地了解職業(yè)發(fā)展。STEM學(xué)校的社會關(guān)系包括與企業(yè)的聯(lián)系，與父母、監(jiān)護人之間的聯(lián)系，與其他學(xué)校、教育平臺、研究中心之間的聯(lián)系，與大學(xué)合作，與當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)合作。陳磊：現(xiàn)在國家對跨學(xué)科教學(xué)非常重視，就北京市來說，要求中小學(xué)校各學(xué)科平均應(yīng)有不低于10%的課時用于開展校內(nèi)外綜合實踐活動課程，鼓勵開展跨學(xué)科綜合實踐活動。同時，學(xué)校也積極開展開放性科學(xué)實踐活動、綜合社會實踐活動，組織研學(xué)旅行，鼓勵教師進行跨學(xué)科整合的研究與實踐。相信跨學(xué)科整合的研究將會成為今后一段時間的研究熱點