葉兆寧，中國科協(xié)“做中學(xué)”科學(xué)教育改革實驗項目教學(xué)中心(東南大學(xué))副主任，東南大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心、兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點(diǎn)實驗室副教授，江蘇漢博教育培訓(xùn)中心主任。從事“做中學(xué)”科學(xué)教育改革實驗項目的研究與推廣，以及科學(xué)教育師資培訓(xùn)、課程資源開發(fā)等工作。
我今天要跟大家分享的內(nèi)容是我們在開展UTC的STEM案例本土化過程中的思考和關(guān)于課程建設(shè)、教學(xué)方面的經(jīng)驗。
什么是STEM
STEM教育是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育的統(tǒng)稱，它本身絕對不是分立學(xué)科的統(tǒng)稱，而是具有集成性的。也就是說它應(yīng)該是一個能夠為學(xué)生提供整體認(rèn)識世界機(jī)會的橋梁，讓學(xué)生能夠把他們學(xué)習(xí)到的零散知識，變成一個互相聯(lián)系的統(tǒng)一的整體，以消除傳統(tǒng)教學(xué)中各學(xué)科知識割裂、不利于學(xué)生綜合解決實際問題的障礙，是一種跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方法。
在教育項目中更多地整合STEM，有利于教學(xué)更好地符合工作崗位和研究機(jī)構(gòu)中的實際情況，更能吸引學(xué)生的興趣和參與。同時也指出認(rèn)知科學(xué)的研究也支持了綜合課程的做法。通過跨學(xué)科綜合課程培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，讓他們成為知情的決策者，這體現(xiàn)了STEM教育重要的社會價值與教育價值。
什么是集成式STEM
集成式STEM的觀點(diǎn)闡述了STEM教育核心的教育思想與理念——集成與融合。集成與融合的方式并不是把各個領(lǐng)域的內(nèi)容簡單地拼湊在一起，而是要進(jìn)行有目的、有方法、有系統(tǒng)的組合。科學(xué)與工程問題往往是課程的主要線索，通過其創(chuàng)造出一個多維的空間，從而為學(xué)生提供一系列具有一定程度關(guān)聯(lián)性的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。
集成式STEM的框架顯示出它的目標(biāo)、成果、集成的本質(zhì)與范圍，以及實施的具體內(nèi)容。其中的目標(biāo)包括為了學(xué)生的目標(biāo)和為了教育者的目標(biāo)。集成式STEM要能培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)、21世紀(jì)技能、STEM工作愿景、興趣與參與性，以及鏈接STEM學(xué)科的能力；同時也要能提升教師對STEM內(nèi)容知識的理解，以及對STEM教育教學(xué)知識的理解。對具體目標(biāo)內(nèi)容的深入分析（如圖1），讓我們發(fā)現(xiàn)STEM教育有著比單一學(xué)科更深入的教育目標(biāo)。它能夠促進(jìn)學(xué)生與教師的共同發(fā)展，能夠真正促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)和提升。
圖1 集成式STEM具體目標(biāo)內(nèi)容的深入分析
美國優(yōu)秀STEM課例評析
2015年，在中國友好和平發(fā)展基金會和美國聯(lián)合技術(shù)公司UTC的支持下，美國康涅狄格科學(xué)中心向中國青少年科技輔導(dǎo)員協(xié)會提供了其開發(fā)和編寫的3本STEM案例集——《航空器》、《升降機(jī)》和《橋世界》，這是3個系列的STEM教育活動課程，注重科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的集成，并面向中小學(xué)及校外科學(xué)教育機(jī)構(gòu)和科技場館。該系列案例在康涅狄格州得到廣泛運(yùn)用并獲得好評。
下面，我們以《升降機(jī)》的框架為例，分析該課例如何達(dá)成STEM的4個領(lǐng)域的融合與集成。該框架分為以下5個部分。
標(biāo)準(zhǔn)：課程中給出教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)行美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》、《州共同核心標(biāo)準(zhǔn)》的關(guān)聯(lián)。從標(biāo)準(zhǔn)的角度分析課程中各個學(xué)科的內(nèi)容、對實踐的要求與跨領(lǐng)域的要求。由此體現(xiàn)出課程如何集成相關(guān)科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)和工程之間的具體內(nèi)容。
單元評價：課程中給出了詳細(xì)的評價，尤其是包括工程過程的量規(guī)表，幫助教師評價在工程設(shè)計過程中學(xué)生的發(fā)展與進(jìn)步。
工程過程：其中的工程過程流程圖幫助教師和學(xué)生理解工程的基本過程和主要環(huán)節(jié)，通過預(yù)備活動，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)工程過程，為他們后面解決實際問題打下基礎(chǔ)。
工程問題：這是課程的主體。首先通過情景創(chuàng)設(shè)給出問題簡介，即任務(wù)或項目的簡介，同時提出相關(guān)的探索問題。在分析問題的基礎(chǔ)上，為學(xué)生提供更多的背景經(jīng)驗活動，以支撐他學(xué)習(xí)相關(guān)知識、積累必備的實踐經(jīng)驗。這些知識和經(jīng)驗會幫助他在后續(xù)的活動中有能力解決工程問題。當(dāng)然，背景經(jīng)驗活動的選擇是有策略的，這些活動不是拼湊而是有目的、有系統(tǒng)地結(jié)合。
運(yùn)用工程過程解決問題：當(dāng)學(xué)生有了一定的經(jīng)驗、具備一定的能力之后，課程將進(jìn)入工程過程解決問題的環(huán)節(jié)。這個問題并不是一個新的問題，而是在課程開始就提出來的問題，比如教師和學(xué)生一起重申“制作升降機(jī)”的問題和任務(wù)、重新定義問題，然后再進(jìn)入工程設(shè)計的具體環(huán)節(jié)中，開展設(shè)計、制作、測試、改進(jìn)、交流等各個環(huán)節(jié)。
這便是UTC的STEM課程的整體思路。它形成了獨(dú)特的、以工程問題為主線的STEM教學(xué)模式（圖2），從問題的引入，到背景經(jīng)驗的學(xué)習(xí)，再到解決工程問題，在解決問題的過程中，學(xué)生將不斷在背景經(jīng)驗學(xué)習(xí)和解決工程問題中循環(huán)，最終找到可行的解決方案。
圖2 STEM教學(xué)模式
在《升降機(jī)》課例中，首先以實際問題為引入，結(jié)合學(xué)校的需求展開，即要求學(xué)生幫助學(xué)校設(shè)計一個能提升到3層樓高度的能搬運(yùn)科學(xué)實驗儀器的升降機(jī)。這是在課程一開始引入的真實問題，它把學(xué)生帶入幫助學(xué)校解決實際問題的場景中。同時《升降機(jī)》課例以工程設(shè)計為主線，結(jié)合了與之相結(jié)合的物理與工程的基本原理，如力、運(yùn)動、能量、機(jī)械等。
對于這一點(diǎn)，與初中物理教師的討論使我們發(fā)現(xiàn)：《升降機(jī)》中所結(jié)合的學(xué)習(xí)內(nèi)容，正是學(xué)生在初中物理中需要學(xué)習(xí)的科學(xué)知識和原理。也就是說實際上通過這個課程我們完全可以打通STEM教育和初中物理教育的關(guān)聯(lián)。
同時，在《升降機(jī)》中學(xué)生參與了設(shè)計、搭建、測試、改進(jìn)的工程過程，通過這些過程，學(xué)生真切地感受到物理知識是如何被應(yīng)用到解決實際問題中的，這一過程同時促進(jìn)了學(xué)生體驗發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的環(huán)節(jié)。已達(dá)成真正提高學(xué)生解決工程問題的各項綜合能力和素質(zhì)，體現(xiàn)了集成式STEM的跨學(xué)科集成與融合。
探究STEM教學(xué)實踐中的關(guān)鍵問題
在開展UTC的STEM課例本土化的過程中，我們探索了關(guān)于STEM教學(xué)實踐中的關(guān)鍵問題，這里與大家分享其中的4個問題。
如何達(dá)成4個領(lǐng)域的集成
如何達(dá)成4個領(lǐng)域的有機(jī)融合，是課程開發(fā)時會遇到的首要問題。UTC案例是怎么做的呢？答案是采用了以工程問題為主線、基于項目的學(xué)習(xí)方式。正如在上述教學(xué)模式中，通過背景經(jīng)驗活動把工程問題與相關(guān)聯(lián)的科學(xué)原理、科學(xué)探究、工程實踐結(jié)合起來，例如在解決制作升降機(jī)的問題中，需要用到哪些原理或知識，課程內(nèi)容就結(jié)合進(jìn)哪些原理或知識，這樣就形成了一個有機(jī)整體。學(xué)生在開展探究與實踐的過程中，他們就能意識到，學(xué)習(xí)知識與技能最終目標(biāo)是為了用于解決制作升降機(jī)的工程問題，即達(dá)成4個領(lǐng)域的集成與融合。
如何將知識的學(xué)習(xí)和實踐相聯(lián)系
美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》提出了8個科學(xué)與工程的實踐。不管是在科學(xué)探究中，還是在工程設(shè)計中，實際上我們都需要學(xué)生圍繞問題、圍繞模型、圍繞方案、圍繞實證，并且通過證據(jù)的運(yùn)用形成一定的思維能力，形成一定的概念系統(tǒng)。所以我們在進(jìn)行課程實踐的時候，發(fā)現(xiàn)有很多的教學(xué)策略、很多的方法是圍繞著這樣一個實踐過程展開的。這是把知識學(xué)習(xí)和實踐融合在一起的有效策略。
如何提高學(xué)生的問題解決能力
為了回答這個問題，我們同樣需要回到圖2所示的教學(xué)模式當(dāng)中。我們發(fā)現(xiàn)其中問題解決能力的培養(yǎng)最終落腳在解決工程問題的層面上。問題的重申、任務(wù)的重新定義、測試與改進(jìn)的過程中，都給學(xué)生提供了相當(dāng)多的發(fā)現(xiàn)問題的機(jī)會，通過課程和教師都將促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)地分析和理解問題，作出推理和決策，排除疑難或困難，找到解決問題的方法。這個過程是真正提高學(xué)生問題解決能力的有效途徑。
如何開展STEM教學(xué)中的評價
UTC的STEM案例很好地把我們從總結(jié)性評價拉回到形成性評價中。例如課程中給出了2個具體的評價工具，一個是工程過程評價的量規(guī)表；另一個是工程建議書項目清單。工程過程評價的量規(guī)表把學(xué)生分成不同層次，教師根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評價；工程建議書的項目清單中給出了評價學(xué)生學(xué)習(xí)成果的各項指標(biāo)和要求，使課程的形成性評價有了切實的抓手。
UTC STEM課例的本土化實踐
近一年來，我們以開放、合作、融合的思想開展STEM課例的本土化。教學(xué)實踐的過程給我們帶來了很多驚喜，學(xué)生們積極地參與討論與辯論，能按照設(shè)計完成一項作品，能通過測試發(fā)現(xiàn)問題并不斷嘗試解決問題，這些點(diǎn)點(diǎn)滴滴的變化告訴我們STEM教育是如何有效培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)的。
如今，我們已經(jīng)完成了《橋世界》課例的本土化，后期我們將陸續(xù)完成其余2個案例的本土化工作，同時全國范圍內(nèi)的教師培訓(xùn)也在順利開展，希望通過教師培訓(xùn)有更多的教師可以真正地把這些資源運(yùn)用下去。
最后我們還希望在學(xué)習(xí)UTC案例的基礎(chǔ)上，能夠自主地研發(fā)更多的適用于我國中小學(xué)的STEM教育資源，也希望有更多的教師能夠參與我們的工作。
本文原載于《中國科技教育》2016年第11期“專題”欄目，演講人葉兆寧，有刪減。
