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基于STEM教育的积木建构活动究竟如何开展?

自2015年以来,国内外STEM教育探讨和实践都很热烈。相信许多读者也都看了一些STEM文章,尽管关于STEM的说法很多,但是,我们仍然不清楚幼儿园STEM要做到什么程度,幼儿能做到哪一步。为什么幼儿园要开展STEM教育?幼儿园STEM教育能替代科学、数学领域教学活动吗?幼儿园STEM教育可以从哪些角度入手?这里我们以积木建构为例进行说明。

要探讨STEM教育视野下的积木建构,首先我们要回答一些关于幼儿园STEM教育的基本逻辑问题。

一、幼儿园STEM要做到什么程度?幼儿能够做到哪一步?

与瑞吉欧课程、蒙台梭利课程、高瞻课程等产生于幼儿园阶段不同,STEM教育是从高等教育逐步下移至幼儿园阶段,它是否适宜幼儿园?

关于这个问题有许多人从两个角度论证过:一方面,幼儿天生喜爱科学探究,有尝试探究STEM的内在动机;另一方面,幼儿学习与发展具有形象性和整体性,幼儿园教育强调通过活动进行整合学习,与STEM教育的跨学科整合方式和动手实践一致。因此,大家目前一致认为:幼儿园阶段适宜开展STEM教育。

解决完幼儿园开展STEM的适宜性问题后,我们还需要思考另外一个至关重要的问题:其他学段的学习和教育具有明显的“学术性”特点,而幼儿园教育是以游戏为基本活动。从高等教育下移至幼儿园这样一个环境中,STEM要做到什么程度?幼儿能够做到哪一步?如何做到?

(一)幼儿园STEM教育的定位

要回答以上问题,我们先来回忆幼儿园教育的定位。我们都知道,幼儿的思维处于前运算阶段,具有直觉性、具体性和形象性的特点,他们通过与周围世界的相互作用构建对世界的理解。

因此,幼儿园教育不寻求知识的高深,它旨在让幼儿在生活和活动中体验关于自然、社会与人类最浅显的知识,积累丰富的经验,初步理解事物,为形成抽象的认识奠定基础,同时,引导幼儿通过与他人的相互作用,体验情感,形成个性。幼儿园教育作为整个教育体系的基础,是对幼儿进行准备教育。

基于幼儿身心发展特点和幼儿园教育的定位,幼儿园阶段的STEM教育也具有启蒙作用,为幼儿以后形成良好的STEM素养奠定基础:它不追求高深的科学、技术、工程和数学知识,而是在生活、活动中引导幼儿进行以解决问题为导向的主动学习和探究,感知、体验和理解最浅显的STEM知识,培养良好的思维品质,为将来形成良好的STEM素养奠定基础。

这里或许会有人质疑儿童为什么要有良好的STEM素养。原因很简单,相信我们自己也有切身的感受。回想一下10年前,那时手机支付、自助付款机、共享单车都还没有,10年后的今天,手机支付、共享单车、自助付款机、仓库机器人等已经全面普及,这些都有赖于科学技术的发展,而有些职业则在慢慢减少,如超市的收营员、火车站的售票员、仓库的分拣员等。

(二)幼儿园STEM教育的内容

2011年美国《K-12科学教育框架:实践、跨学科理念和学科核心概念》将科学教育分为科学与工程实践能力、学科核心概念、跨学科概念。

科学与工程实践能力包括8项能力:提出问题(科学相关)和确定要解决的问题(工程相关);建构和使用模型;制定计划和实施调查研究;分析和解释数据;使用数学和计算思维 ;形成科学解释/建构解释(科学相关)和设计解决方案(工程相关);参与基于论据的讨论;信息的获取、评估和交流。

学科核心概念是指学科中的关键概念,反映学科中最基本的结构,在学科中具有代表性,(张俊,2015)例如,科学核心概念中“力的相互作用”。

跨学科概念是指那些能应用于科学、工程、数学、技术领域的通用概念。它包括七个内容:模式;因果关系;尺度、比例和数量;系统和系统模型;能量和物质(流动、循环和守恒 );结构和功能;稳定和变化。例如,“因果关系”既存在于数学活动中,又存在于科学、工程活动中,它就是跨学科概念。

目前关于STEM学科的标准还没有,但是,《K-12科学教育框架:实践、跨学科理念和学科核心概念》已经全面体现了STEM教育的精神。因此,我们将STEM教育分为科学与实践能力、学科核心概念、跨学科概念三个内容,幼儿园STEM教育也包含以上三个部分,难易度体现幼儿的年龄特点。

1. 幼儿科学与工程实践能力、学科核心概念、跨学科核心概念的内容

科学与工程实践能力包括8项能力。根据幼儿的特点,我们认为幼儿在教师的指导下能够做到明确问题和任务、讨论问题及进行调查(查找资料或实地了解)、寻找关系和解决方法、分工合作制作模型、测试改进模型、展示总结6项科学与工程实践能力即可。

幼儿在活动中掌握的科学与工程实践能力、科学的思维方式能够促进其他领域的学习。例如,幼儿能够在参与其他活动时也运用这些技能,与同伴交流时,能够在各个观点、解决方法、模型之间建立有逻辑的联系。

幼儿STEM学科核心概念包括幼儿科学、技术、工程和数学核心概念。因幼儿的知识处于经验层次,所以,这里也用核心概念与关键经验表述。幼儿科学核心概念与关键经验包括生命科学、物质科学、地球和宇宙科学三大核心概念。

生命科学核心概念与关键经验包括感知探索生物的身体特征、生物的基本需求、生物的简单行为、生物的生命周期、生物的多样性、生物与环境的相互作用六个内容。物质科学核心概念与包括感知探索物体与材料的特性、物体的位置和运动、声光电磁等物理现象。地球与宇宙科学的核心概念包括地球物质的特性、天气和气候、太阳和月亮的活动、地球和人类的活动。(张俊,2015)

幼儿技术核心概念与关键经验包括学习使用各种常用的技术工具(如信息搜索工具、记录工具等)和了解科学技术在生活中的实际应用(如齿轮、杠杆等)。

幼儿工程核心概念与关键经验包括明确问题、寻找想法、确定解决方案、展示分享。

幼儿数学核心概念与关键经验包括感知、理解基本的数量关系、数的运算、几何图形、空间关系、空间测量。(张俊,2015)

幼儿STEM跨学科概念包括模式;因果关系;尺度、比例和数量;系统和系统模型 ;能量和物质(流动、循环和守恒  );结构和功能;稳定和变化。

例如,幼儿用积木搭建筑物时,会考虑建筑物的组成部分及其关系,这就涉及“系统和系统模型”,体现了系统思维。又如,积木数量不够时,将搭建作品缩小,则涉及守恒概念。与学科核心概念不同的是,跨学科核心概念是“隐性的”,它隐藏在活动中。

2. 科学与工程实践能力、学科核心概念、跨学科概念是年幼孩子需要掌握,以及能掌握的吗?如何掌握?

第一,幼儿在日常游戏、生活中就在不断学习提问、制定计划、查找资料、寻找关系和解决方法、制作模型、分享交流等,这些同科学与工程实践能力几乎是一致的。只不过STEM教育会更有计划、有组织地培养幼儿的科学与工程实践能力。

第二,学习的进阶始于幼年时期,并贯穿人的一生,随着年龄的增长,同一能力和概念所涉及的难度和复杂度逐渐增加。幼年时期积累的丰富的STEM经验,习得的初步的科学与工程实践能力、思维方式,能够为将来形成抽象概念和构建系统的STEM学科知识体系,探索更深入的STEM教育提供有力的帮助。

第三,学科核心概念、跨学科概念能够串联起幼儿STEM学习的主线,使知识有机地联系起来。幼儿还不能掌握真正的学科概念,但是,让幼儿STEM的主题和内容指向学科核心概念和跨学科概念却有利于幼儿未来的学习。

第四,根据知识抽象性程度,知识可以分成三个层级:经验层次、概念层次和理论层次(张俊,2015)。幼儿STEM教育主要是在活动中通过体验、动手操作进行感知,积累感性经验,而不要求他们知道、掌握、记忆这些抽象复杂的学科概念和原理。

很多人一听说“学科核心概念”“跨学科核心概念”就认为超纲了。当然如果你要是直接教幼儿认识、说这些概念,那当然是超纲了。但是,如果以学科核心概念、跨学科核心概念串联起知识,并以活动的方式引导幼儿感知这些概念,则是幼儿能做到的,而且也是幼儿园一直都在做的。

例如,数学领域的数、量、形、时间、空间这些概念都是隐藏在幼儿园数学活动中的。又如,STEM活动“斜坡和轨道”项目中,教师引导幼儿仔细观察、感知玻璃弹珠、车辆与坡道坡度、光滑度及物体形状、重量、距离远近的关系。

活动的设计并不仅仅是为了让幼儿搭建斜坡和轨道,其活动背后还蕴含着有关“物体运动的速度与物体属性、重量、距离、轨道坡度等的关系”。

我们肯定不能直接教幼儿学习这些知识,但是,对物体运动速度与物体属性、重量、距离、轨道坡度的关系的逐步理解却是通过对斜坡和轨道的观察,并在活动中逐步建立起来的。

二、STEM教育能替代科学、数学领域活动吗?

既然STEM教育是基于项目学习的方式开展的跨学科的整合教育,已经包括了科学、数学领域活动,那么,幼儿园教育中还需要专门开展单独的科学、数学领域活动吗?

当然还需要!

首先,STEM教育是在学科、领域基础上进行的整合,幼儿只有先掌握一定的领域知识和经验,才能更好地实践STEM教育。因此,小班、中班上学期一般不进行STEM教育。在幼儿掌握一定领域知识和经验,具有分工合作意识、初步解决问题能力之后,中班下学期开始进行STEM教育。

其次,即使开展STEM教育,中班下学期之后也会开展专门的科学、数学领域活动和教学。因为STEM教育并不能囊括科学、数学领域所有的内容,它是在项目开展、活动进行过程中会涉及相关领域的知识。STEM教育和科学、数学领域活动并存,既能让幼儿的某个领域的学习具有系统性,又能促进幼儿在项目活动中迁移、整合已有知识和经验,学习新的知识经验。所以千万不要有这样的错觉,认为有了STEM教育,科学、数学领域活动就不要了。

目前有些书籍还有实践活动认为某个科学活动(如认识植物)、数学活动(如一一对应)就是STEM教育是不妥的。因为STEM教育是在四个学科基础上的整合,且强调科学与工程实践,因此单一的科学、数学并不属于STEM教育。

三、幼儿园为什么要进行STEM教育?

前面花了比较长的篇幅解释幼儿园STEM教育的定位。这里有一个逻辑前提就是:幼儿园需要进行STEM教育。那幼儿园为什么要进行STEM教育呢?

(一)STEM教育对幼儿的价值

第一,STEM教育有助于满足幼儿天生的好奇心,将好奇与想象变成现实的行动。好奇心是幼儿学习STEM的原动力。STEM教育活动作为一种有组织、有目的的活动,能够将幼儿的好奇心、想象变成现实的行动。例如,幼儿对自己小区的跷跷板十分感兴趣,教师便可引导幼儿运用乐高积木搭建不同的跷跷板,初步感知杠杆的作用。

第二,STEM教育有助于幼儿积累丰富的STEM经验,为将来形成抽象概念和构建系统的STEM学科知识体系奠定基础。试着回忆一下,我们中学物理课学习杠杆原理时,是否都会联想到自己孩提时代坐跷跷板、用两根木棍搭跷跷板的画面。正是这些具体的形象和感性经验帮助我们不断建构对抽象概念的理解。

第三,STEM教育有助于幼儿掌握STEM探究的技能,形成系统思维,为幼儿后续的STEM学习和其他领域的学习,乃至今后的生活、工作奠定基础。STEM教育中,幼儿要学习提问、讨论、寻找关系、设计解决方法、动手制作、分享交流等。这些技能不仅是幼儿学习STEM的必备技能,也是幼儿探究其他知识、理解周围世界,甚至成年后参加工作、解决各种问题所必需的技能。STEM教育还有助于幼儿形成系统思维。例如,幼儿在创造轨道结构中,会逐渐理解结构下的一系列子系统间的关系,明白调整一个子系统会影响其他系统。

第四,STEM教育有助于培养幼儿的动手操作能力。STEM教育是基于项目学习开展,强调将想法变成现实的行动。在寻找解决方法、动手制作中,幼儿的动手操作能力自然能得到提高。

第五,STEM教育有助于培养幼儿社会性交往能力。因STEM教育是以项目学习形式开展,且强调小组探索。在小组探索中,幼儿需要学会倾听、交流、换位思考、分工合作。

第六,STEM教育有助于培养幼儿坚持、乐观的学习品质。例如,我们发现当幼儿设计、创造他们的迷宫结构、轨道结构以及火车站、真实的小书店时,他们会非常自信、专注,且有坚持性,常常能坚持两三个月,直到完成任务。

STEM教育除了有助于提高幼儿科学素养外,还能够让幼儿园科学教育突破传统的偏重于科普知识和科技小制作的局限,从整体的项目学习角度去考虑,既促进幼儿对科学、数学的实际运用,又弥补幼儿工程和技术教育的空白。

(二)STEM教育对幼儿积木建构的影响

为什么是积木建构?

用一句通俗的话说,幼儿园教育中,除了科学教育外,“最STEM”的就是积木建构了。幼儿园常见的搭建活动会涉及以下概念。例如,积木活动“建火车站”中会涉及以下STEM概念:

(1)某大班孩子们最近对火车很感兴趣,并希望建一个火车站。因火车站比较大,所以,教师为幼儿选择幼儿园某个角落为盖火车站的场地。

(2)根据场地的样式,以及乘坐火车、阅读相关图书的经验,孩子们将火车站划分成不同的区域,并制作火车站的设计图(工程—立体转平面)。

(3)根据设计图规划整个火车站及不同区域(数学—空间配置),用非标准测量的方式测量整个场地以及不同区域的大小(数学—测量)。

(4)依据设计图和规划好的区域,着手搭建(工程—平面转立体)。

(5)运用大型中空积木搭建整个火车站的围墙,分工搭建火车站的不同组成部分,在搭建中,孩子们需要不断计算搭建火车站的外墙、不同区域需要的积木数(数学—数数),解决搭建过程中的平衡、稳定等问题(科学—力的现象)。

(6)过程中可能还会遇到其他问题,如大型中空积木用完了,则需要将火车站的底面范围缩小,让墙面高度再矮一点等(数学—守恒概念),这又开始了新一轮探索。

(7)火车站盖好之后,孩子们对成品拍照,在成人的帮助下,将照片传输到网上(技术),分享给更多的人,欢迎他们参观火车站。

既然积木建构活动中蕴含丰富的STEM因素,如果从STEM角度看积木建构,以项目学习的方式开展积木建构,或许能促进积木建构实践和研究往前走一步。如运用单元积木、凹槽积木搭建完斜坡和轨道后,探索斜面结构、物体的运动方式;运用齿轮积木探索“改变力的大小与方向”;运用大型中空积木搭建真实可用的小书店、动物的小房子、银行的柜台,探索科学、数学、工程和技术等。

四、STEM教育视野下的积木建构有何不同?

(一)定位:从搭建到以工程为中心的STEM教育

积木建构本质上是以积木为材料搭建各种物体的活动,它既强调活动过程,又强调搭建的模型,具有工程属性。在积木建构中,幼儿不知不觉建构一些与数量、几何、结构力学、因果关系、稳定与变化等相关的基础概念(他们不必知道或使用与这些学科概念有关的专有名词)。

因此,积木建构是一项以工程为核心,以解决问题为导向,自然卷入科学、数学学科概念,并运用技术的STEM活动。积木建构能达成的STEM教育目标如表1所示。

表1:积木建构活动能达成的STEM教育目标

科学与工程实践能力

明确问题和任务,讨论问题、进行调查,寻找关系和解决方法,分工合作制作模型;测试改进模型;展示总结

学科核心概念

科学

(1)物质科学:感知物体与材料的特性,力的相互作用,物体运动的速度与物体属性、重量、距离、轨道坡度等的关系,物体运动方向的改变与角度的关系等

(2)地球与宇宙科学:了解地球、太阳、月亮和人类的活动

数学

感知、理解基本的数量关系、数的运算、几何图形、空间关系、空间测量(大小、面积等)、空间布置

工程

明确问题、寻找想法、确定解决方案、展示分享

技术

使用各种常用的技术工具和了解科学技术在生活中的实际应用

跨学科核心概念

感知因果关系,尺度、比例和数量,系统和系统模型 ,能量和物质(流动、循环和守恒  ),结构与性能(稳定性、重量、平衡),稳定和变化

积木建构活动能达成的目标除了表1展示的以外,还能达成两个目标:第一,提高幼儿的积木建构技能。STEM教育是以基于项目的学习方式开展,幼儿需要整体考虑,动手探索,综合运用平铺、叠高、围合、架空等多种技能。第二,提高幼儿社会交往能力,培养幼儿坚持、乐观的学习品质。

(二)实施:基于项目学习的方式

1. 活动组织形式:有指导的活动与小组自由活动的联结

基于项目的学习,强调小组合作,共同解决问题。小班幼儿基本处于平行游戏阶段,而且积累的知识经验不足以开展跨学科的STEM教育;中班上学期,开始出现协作游戏,下学期开始出现有意识的合作游戏,且能够综合运用多领域知识。

因此,从中班下学期开始可以开展基于项目的STEM活动,开展以工程为核心,自然卷入科学、数学学科概念,运用技术的积木建构。当然,在中班下学期以前,幼儿在积木建构活动中不知不觉涉及一些与数量、几何、结构力学、因果关系、稳定与变化等相关的基础概念。虽然不用组织专门的STEM活动,但教师也要有意识地引导幼儿在活动中探索、感知相关概念。

STEM教育以解决问题为导向,以项目学习方式开展,需要幼儿调动多领域知识,整合多种能力,如提问、讨论、合作、寻找规律、确定解决方法等。而幼儿有时并不是从一开始就有这些知识能力,因此,需要教师的“支架”作用。例如:

(1)引导幼儿仔细观察,发现问题,思考解决方法。幼儿在搭建螺旋下降的轨道结构时,玻璃弹珠不能顺利地从轨道上滑下来。教师可引导幼儿仔细观察自己搭建的轨道结构,从整个系统思考,寻找原因、解决问题。

(2)引导幼儿聚焦问题。幼儿有时会提出许多问题,教师要引导幼儿梳理问题、聚焦问题。有的幼儿对斜坡和轨道很感兴趣,提出了许多问题,如“为什么要有斜坡和轨道”“斜坡为什么会让东西下滑”“为什么有的斜坡陡”等。教师可以帮助幼儿梳理问题,选择适宜的问题,引导幼儿用积木搭建多种斜坡和轨道,探究物体下滑速度与坡度、物体重量的关系。

(3)适当的时候,向幼儿提出STEM问题,激发探索兴趣。幼儿在益智区玩迷宫时,玩了几次后,幼儿就能顺利找到入口、出口,兴趣下降了许多,此时教师可以提出:“除了玩这些迷宫外,我们可不可以自己建造一个迷宫?用什么材料建造一个可以随时拆除、修正的迷宫?你打算建造含有几条线的迷宫?”又如,幼儿园新来了一只兔子,教师除了引导幼儿认识兔子的生活习性外,还可引导幼儿运用大型中空积木给兔子建造一个真实的窝。这些问题都是基于幼儿的游戏、生活经验提出的,能够激发幼儿的探索兴趣。

(4)当幼儿之间的任务分工、合作出现分歧时,适当介入,如请幼儿倾听他人的想法,综合考虑自己和他人的想法,最终解决方法。

(5)提供物质材料。提供各种相关的STEM读物,丰富幼儿的背景知识;提供多种积木材料,除了传统的单元积木外,还可以提供大型中空积木、凹槽积木、乐高积木等。

(6)如果有条件的话,组织幼儿实地参观。例如,为了帮助幼儿了解航天基地,可以带领幼儿参观航天城,请航天员来园介绍等。

以上只是列举了教师引导的几个典型举措,实践中,教师可随机进行引导。虽然STEM活动需要教师的指导,但是,在具体探索过程中,还是要由幼儿自己去探索、制定计划、寻找解决方法,只有在关键环节(如图1活动流程所示)或幼儿出现困难、分歧时,教师给予适当的支持和推进。

2. 活动流程

积木建构是一项以工程为核心的STEM活动,其活动流程可借鉴工程设计的流程。工程设计的过程一般包括11个步骤:识别需求、定义问题、头脑风暴、进行调查、理解限制条件、提出多种解决方案、评估并选择最优方案、制作模型、交流想法、测试改进、制作成品。这是一个迭代的过程。(Bagiati,A,2011)

根据幼儿年龄特点,我们将这11个步骤简化为6个阶段:(1)明确问题和任务;(2)讨论问题,进行调查(查找资料、实地了解);(3)提出多种解决方法、选择最优解决方法;(4)分工合作制作模型(如果有需要的话,还可以制作设计图),探索模型中的科学、数学等内容;(5)改进模型;(6)展示总结。幼儿只要做到这6个阶段即可。

基于STEM教育的积木建构活动究竟如何开展?

图1:活动流程

3. 循序渐进实施STEM教育

STEM教育以项目学习方式开展,一个项目会被分解成许多个活动逐步开展,需要两三周甚至两三个月才能完成。例如,用单元积木搭建探索“迷宫”项目,用单元积木、凹槽积木探索“斜坡和轨道”项目,则需要两三周,用大型中空积木搭建真实可用的书店、小动物的家,则可能需要两三个月才能完成。

后记,小编朋友研发了一个游戏化的少儿编程在线课程(5-12岁),游戏化教学结合scratch(一款在线少儿编程工具,类似乐高的积木拼搭),我家娃娃学了几次课,非常喜欢(超预期),16次课才200多块钱,对锻炼孩子的思维能力和动手动力很有帮助。

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