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以“大概念”为核心,设计STEM课程的要领!

以“大概念”为核心,设计STEM课程的要领!

作者:东南大学科学教育部研究员 叶兆宁

英国科学教育学者Wynne Harlen在《科学教育的原则与大概念》中指出,能够用于解释和预测较大范围自然界现象的概念被定义为大概念(big ideas),她认为K-12年级学生应该掌握基本的科学概念以及与科学有关的概念。

以“大概念”为核心,设计STEM课程的要领!

在浙江教育出版集团STEM未来计划引进的美国STEM教材《STEM工作室》中,所有的教学都是围绕“大概念”展开的,例如:

天然材料和人造材料各有哪些特征?

动物的住所有什么特点?

技术怎样满足我们的需求?

你会利用怎样的方法和工具解决问题?

你会怎样使用简单机械来解决问题?

什么使物体运动起来?

什么是设计过程?

我们怎样设计技术来满足人类的需求?

随着美国《新一代科学教育标准》(2013年)的颁布与实施,围绕“大概念”开展科学教育以及将工程教育与科学教育结合成为国际科学教育的前沿和新理念。

下文在强调了“大概念”与STEM教育的关联后,为如何设计STEM课程提供了方法和思路。

“大概念”与STEM教育关联

着眼于STEM教育的目标,不难发现“大概念”与STEM教育之间有如下关联:

“大概念”是STEM教育的重要目标之一

因为STEM素养的培养是STEM教育的首要目标,其中每个领域的素养都涉及到学生对该领域的核心概念,即大概念的理解和掌握。因此,大概念必然是STEM教育的目标之一。

理解“大概念”是STEM教育的必然要求

STEM教育倡导的是科学、技术、工程与数学这四个领域的集成和融合,是体现跨学科和学科融合的整体,而不是简单的拼凑和搭配,各个领域的认识基础是融合的关键。

STEM教育给学生提供了发现问题和解决问题的机会,在解决问题的过程中学生需要将已学到的知识和技能运用于实际,只是记忆而非理解是不能帮助学生迁移和运用知识和技能,因而理解“大概念”就成为STEM教育的必然要求。

“大概念”的习得为学生学习奠定基础

识别和运用一些在不同学科领域中具有不同含义和用处的概念;在STEM实践中使用不同学科的知识;通过在两个或更多学科间的连接来解决一个问题或完成一个项目。

当一个概念或实践以综合的方式展现时,能够识别各个领域的内容;利用学科知识来支持关联的学习经验,并指导在何时使用。

“大概念”下的STEM课程设计

STEM课程更强调以学生为中心、强调学习经历和结果的开放性、强调对学生设计能力和解决问题能力的培养。

由于STEM教育的目标是多方面、多层次、跨领域的,课程的开发与实践比单一学科的课程困难很多。在STEM课程设置中围绕“大概念”应成为实现STEM各领域融合的重要方法。

问题引入:大概念的初现

课程的问题引入,旨在体现课程与实际生活的关联,选取日常生活中学生常能遇见的生活问题、或者工程上的实际问题,为学习创设出具体的任务或项目。

由于实际问题具有复杂性,并不是用单一学科的知识就可以解决的,这为STEM学习提供了可能。通过对这些任务或项目的分析,学生可以了解到与之相关联的科学、技术和数学等领域的各类问题,并思考如何将这些问题连接起来。其实,在这些问题的背后实则隐藏着各个领域的“大概念”。

在设计问题引入时,课程设计者应密切联系STEM课程的教学目标以及“大概念”的选择,要考虑以下问题:

(1)课程内容在科学、技术、工程与数学各领域中需要达到的目标有哪些?尤其是科学与数学两方面需要学生理解和运用的概念有哪些?它们分别指向哪些“大概念”?

(2)怎样的实际问题情境能够与这些“大概念”相联系?或这些“大概念”需要创设怎样的实际问题情境?

知识建构:围绕大概念开展教学

知识建构是STEM课程中的探究活动集,旨在帮助学生学习和积累解决问题所需要的知识和技能。

有了问题引入的基础,教师已可以充分了解学生需要掌握的概念和技能有哪些?学生的基础怎样?这时教学需要以完成相关任务为基础,通过互相联系的探究活动和技能训练帮助学生逐一解决具体问题,帮助学生理解与完成任务相关的科学、技术和数学方面的知识和技能,并学会如何在解决问题中运用这些知识和技能。

因此,探究活动需要围绕活动所涉及的“大概念”进行,促进学生将情境中的具体现象与研究结果上升为科学概念、再从小概念提升为大概念、最后再获得将大概念运用于解决实际问题的方法。

在这部分的教与学并不容易,教师需要通过形成性评测了解学生的基础,并在学生原有的基础上选择和实施探究活动。在这些问题的导引下,学生很自然的了解到学习知识的目的在于解决问题,由此激发其学习的动机。这时的课程设计需要考虑:

(1)学生可以通过怎样的探究活动学习这些科学、技术与数学的概念?

(2)这些科学、技术与数学的概念能帮助学生解决哪些实际的问题?以及哪些与课程情境相关的实际问题?

问题解决:运用概念与原理

问题解决重点在于帮助学生在知识建构与经验积累的基础上,尝试运用工程设计的方法与环节来解决在第一部分提出的问题。这是学生将已经建构好的知识运动到实际问题的良好契机,并通过工程设计的模式培养学生的工程素养,以达成STEM教育的整体目标。这时的课程设计需要考虑:

(1)学生已经建构的科学概念和技能可以怎样被运用到解决问题、或工程设计的过程中?

(2)在学生交流、质疑、反思时教师该如何引导学生对“大概念”进行思考?

综上所述,STEM课程如何设计与实施是一个更为重要、更加实际的教育问题。通过近年来对STEM课程的研究与实践,笔者发现开展STEM教育与课程设计时需要基于“大概念”,而且要充分考虑“大概念”对教育和课程的指向作用。

同时,由于探究活动与工程设计活动组成的课程体系较大,所需要的课时较长,对教师的要求也相对较高,需要教师根据学生的实际水平进行灵活的调整。

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