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思维型教学理论引领下创客与STEM 融合的课程体系

 摘要:STEM和创客课程体系构建必须有系统的、科学的理论支撑,才有可能真正有效实施。作者20多年来对教学的本质和规律进行了系统的研究,构建了思维型教学理论,并初步尝试在科学教育领域应用,将创造性思维和批判性思维整合起来,进行了多年的实证研究,以期在我国建构符合学生发展的创客与STEM融合的课程体系。

    关键词:思维型教育理论;创客教育;STEM教育;课程体系

   中图分类号:G423.04 文献标志码:A 文章编号:1673-8454(2019)02-0027-04

  一、问题的提出

  1.创新与创造性

  创造性是21 世纪人才必备的核心素养,大力加强创造性研究,培养创造性人才,促进科技、经济、管理、社会等方面的创新,已成为国际社会和学术界共同关注的重大问题。经济合作与发展组织(OECD)正在研究制订“面向2030年的学习框架”,创造性思维将是框架中的重要指标;国际学生能力测试(PISA)将在2021年测试学生的创造性思维。

  加强国家创新体系建设,培养大批创造性人才,也得到了党和政府的高度重视。上世纪90年代,我国就提出提高自主创新能力,建设创新型国家。党的“十八大”明确提出:科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑,必须摆在国家发展全局的核心位置。十八届五中全会进一步提出“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念,把创新放在首位,用创新统领各项工作。在十九大报告中,“创新”一词出现50余次,并再次强调“创新是引领发展的第一动力”,可见创新对国家未来发展具有至关重要的影响。创新的关键在于拥有大批创造性人才,儿童青少年阶段是创新人才成长的关键阶段,但研究表明,我国儿童青少年的创新素质不高,有些方面如创造性产品设计能力、创造性的学习动机、创造性学习行为、创造性人格等还有下降的趋势。

  2.创客与STEM教育开展现状

  创客与STEM教育对培养学生创新素质具有重要作用,近几年得到了中小学的高度重视,但实施现状表明并不能真正促进学生创新素质的发展。创客是指出于兴趣与爱好,努力把各种创意转变为现实的人。在互联网高速发展的信息时代,创客又有了新的定义,他们可以利用开源硬件和互联网把更多的创意转变为产品。创客教育是基于学生兴趣,以项目学习的方式,在使用各种工具把创意设计变成现实的过程中,培养学生跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力的一种素质教育。但是根据各种文献调研和笔者团队的研究开展情况,笔者认为目前我国创客教育实施基本没有创意。

  STEM教育理念提出已有30余年时间,其最初目的是提升本科生的科学、技术、工程和数学整合性能力,为科技行业输送综合性人才。20世纪末,STEM教育的关注重点转移至中小学。由于倡导问题解决驱动的跨学科整合学习,STEM教育很快被基础教育领域接纳,成为许多国家基础教育改革政策的主导,同时也逐渐成为研究热点。近年来,随着计算机技术、信息技术、制造技术等的创新教育运用,我国很多地区尤其东部发达地区的中小学也开展了机器人、3D打印、创客等一系列STEM活动,取得了一定的成绩。但是,现有STEM教育模式是产品导向的,主要以两种形式开展:一是参加各种比赛,获得各种奖;二是做出一个成品。这样非常不利于学生的发展,有不少课程还对学生有负面影响。笔者认为,比赛可以参加,成品应该做,但在开展过程中一定不能脱离开人的素养,目标应该是培养人。中小学开展STEM教育应该是以培养人为导向的,而不是基于公司设计好的产品开展教学,需要从现在的产品导向转入到人的发展导向。

  基于国际STEM教育的经验以及笔者团队多年的研究实践,我们开发了包括“学思维”“学探究”和“学创新”的创客与STEM融合的三个层级的综合活动课程体系,该课程体系旨在通过形式多样的活动以及有效的教学,提高学生的思维能力,激发学生的学习动机,并促进学生对知识的深度理解和创造性人格的形成,从而培养学生的创新素质。

  二、思维型教学理论

  近20年来,我们从四个方面对教学的本质和规律进行了系统的研究:一是系统总结了教学思想的研究成果;二是全面概括了学习研究的最新进展;三是深入分析了核心素养的培养途径;四是利用脑科学、行为学、教育实验等方法,经过系统的研究来探索什么样的教学方式对学生的成长与发展更有利。通过研究得出,思维活动是课堂教学中师生的核心活动,教学的本质是思维,学生的学习需要思考,从而提出了思维型教学理论。思维型教学的目标指向核心素养,核心素养是学生在接受相应学段的教育过程中形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力,特别强调知识与方法的深度理解和在真实情景中的灵活应用、批判性思维与创造性思维能力的培养、合作能力与交流能力的培养、内在的学习动机与自主学习能力的培养、创新素质的培养等,在这些素养中,思维能力处于核心地位,不论学生发展核心素养还是学科核心素养,最核心的都是思维。

  为了突出教学中学生积极主动的思维和培养以思维为核心的核心素养,我们提出了思维型教学需要遵循的基本原理:①动机激发。动机是推动学生学习的动力,是学生积极思维的前提条件。教学中要利用各种方式,激发学生的学习和探究动机,特别是内在动机,促进学生的积极思维和深度学习。②认知冲突。是指认知发展过程中原有认知结构与现实情境不相符时在心理上所产生的矛盾或冲突。教学中要创设良好的教学情景,产生需要探究的问题,引起学生的认知冲突,激发学生积极思维。③自主建构。一方面强调认知建构,要求教学中联系学生已有的知识和经验学习新的知识,引导学生建立合理的知识结构、能力结构和学科结构;另一方面强调社会建构,重视师生互动和生生互动,促进学生的深度思考,培养学生的合作能力与交流能力。④自我监控。通俗来讲,自我监控能力是学生对学习活动的计划、实施和反思的能力,是学习能力的核心,教学中引导学生制订计划、有效实施和及时反思,不仅可以培养学生的学习能力,而且是合理的学科建构的有效途径。⑤应用迁移。核心素养只有在真实的情境中解决复杂问题的时候才能表现出来,培养学生的核心素养也必须将所学的知识和方法应用到真实的情景中,解决一些开放性的问题,同时迁移到其他领域。教学中一是将所学的知识与方法应用迁移到实际情境中去,应用迁移到其他领域,解决实际问题;二是学生在学习过程中形成的与同学之间的相互促进、相互合作的态度,积极探索、不断创新的精神以及一些行为规范和价值观以不同形式迁移到日常生活中。

  基于上述五大基本原理,思维型教学理论强调情景与问题、探究与合作、总结与反思、应用与迁移等基本要素。教学中要创设紧扣教学目标、符合学生水平,能够激发学生内在动机和产生认知冲突的情景,设计具有开放性和探索性、准确性和适切性、层次性和条理性的系列问题,引导学生在独立思考和探究问题的基础上合作解决问题,系统归纳所学知识和方法,并用于解决实际问题,迁移到其他领域,反思学习中的经验教训,从而促进知识的深度理解和灵活应用。思维型教学倡导自主学习、合作学习、探究学习、发现学习、项目式学习、讨论式教学、启发式教学、探究式教学、参与式教学等,也不反对讲授式教学,只是强调要抓住所有这些教学的核心要求,围绕符合学生特点的、发展核心素养的教学目标,激发学生的内在动机,引起学生的认知冲突,促进学生的积极思维。

  三、创客与STEM融合课程体系建构的基本要求

  STEM教育是将科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Maths)四大学科融合起来,目的是培养学生的STEM素养,创新素质是核心要素;创客教育则是通过软硬件将创意实现成具体物品,目标是培养学生的创新素质,主要途径是开展STEM活动。STEM教育更讲究的是跨学科的“知识融合”,而创客教育重点在于将创意想法进行“实践创造”。为了既能有效培养学生的创新素质,又能减轻学生的课业负担,建议中小学将STEM课程和创客课程二者有机融合,建立系统合理的课程体系。中小学开展创客与STEM教育除要满足思维型教学的基本要求外,还应遵循以下基本要求:

  1.围绕核心概念整合课程内容

  核心概念是某个知识领域的中心,是该领域中学生需要理解并能加以应用的概念性知识,这些知识必须清楚地呈现给学生,以便学生理解与生活相关的事件和现象。虽然这些知识并不能被所有人都接受,但它们却获得了广泛的应用,而且还能经得起时间的检验。核心概念分为科学概念(big ideas of science)和关于科学的概念(big ideas about science)两类。中小学开设STEM和创客课程,要结合学生的特点,确定每个活动涉及的核心概念,设计自己的课程体系。《义务教育小学科学课程标准》(2017年版)在生命科学、物质科学、地球与宇宙科学、技术与工程等4个领域遴选了学生容易感知、乐于学习的18个主要概念,并进一步分解细化为75个学习内容。STEM课程必须考虑不同年龄阶段的学生所学习的核心概念水平,离开了核心概念的理解与应用,单纯的技术操作也只能培养学生的操作技能,这种技能不是学生发展的最重要的素养。

  2.基于学习进阶确定年级分布

  培养一个人,要根据其思维能力的发展、年龄特征、知识经验按部就班地培养,因此在小学低年级、中年级、高年级,初中、高中每一阶段,都要考虑与学生年龄特点相适应的活动的难度和内容。在2004年,《加拿大科学、数学和技术教育杂志》第4卷第1期专刊发表关于学生长期科学概念发展的学习进阶研究报告,这是科学教育领域第一次正式提出学习进阶(Learning Progressions)这一概念。美国国家研究理事会(National Research Council)2007年指出:“学习进阶是对学生连贯且逐渐深入的思维方式的描述。在较大时间跨度内(6-8年),学生学习和研究某一概念或主题时,这些思维方式是依次进阶的”。科学学习是一种将科学解释概念化(conceptualize)的过程,该过程可以通过学习进阶的形式表现出来,学习进阶实质上就是对核心概念的理解的逐级深入和持续发展(Alonzo &Steedle, 2009),以整合的概念体系为核心,围绕少数概念进行深入探究的进阶学习,能够有效改变上述的科学学习现状,最终实现科学素养的发展。通过学习进阶,发展学生对核心概念的理解,有助于学生形成良好的知识结构,深度理解科学概念,进而提高解决问题的能力,这已经成为当代基础教育科学课程改革的核心理念(Duncan & Rivet, 2013)。小学科学课程的学习周期比较长,我国的《义务教育小学科学课程标准》(2017年版)基于学生的年龄特征与认知规律,把小学六年学习时间划分为1-2年级、3-4年级、5-6年级三个学段。中小学要开设STEM课程,一定要了解科学课程标准,标准中已经有了对技术、工程以及数学的要求。

  3.突出创新素质与STEM核心素养

  开展STEM教育,要从人的视角即学生的角度考虑STEM核心素养,不能仅仅考虑产品,其中最突出的就是创新素质。科学学科核心素养是STEM素养中最基本、最重要的素养,包括科学观念与应用、科学思维与创新、科学探究与交流以及科学态度与责任,STEM教育需要联系学生已经学过的科学知识,发展学生的思维能力、探究能力、合作交流能力和创新素质,培养学生正确的科学态度和社会责任感。STEM教育还要考虑技术素养、工程素养、数学素养以及跨学科素养等,培养学生的技术意识、信息意识、工程思维、计算思维、抽象概括、逻辑思维、数字化学习与创新、创新设计能力、物化能力、信息社会责任等等。

  四、学思维、学探究与学创新的创客与STEM融合的课程体系

  团队以思维型教学理论为指导,开发了包括“学思维”“学探究”和“学创新”的创客与STEM融合的三个层级的综合活动课程体系,该课程体系旨在通过形式多样的活动以及有效的教学,提高学生的思维能力,激发学生的学习动机,并促进学生对知识的深度理解和创造性人格的形成,从而培养学生的创新素质。

  1.“学思维”综合活动课程

  (1)课程内容

  “学思维”活动课程以思维方法(15种基本思维方法和5种综合方法)为主线,以学生日常经验、学科领域等为依托,思维品质的训练为突破口,系统培养学生的创新素质。该课程从幼儿园中班到八年级共328个活动,分为基础思维能力训练篇和综合思维能力训练篇。有学生用书16册,每个年级2册,每册有14-18个活动(1-2年级每册有16个活动,3-6年级每册有18个活动,7-8年级每册有14个活动);教师用书4册,其中,幼儿园中班至大班一册,小学一至六年级2册,初中七至八年级1册。该课程中的每个活动都经过了6年的实验才出版第一版,现在已经经过18年的时间,2017年出版了第3版。为了便于课程的推广,建立了学思维网站(www.learntothink.cn),开发了完善的资源和游戏。现在正在开发学具。

  (2)课程特点

  与同类课程相比,“学思维”综合活动课程的活动内容具有如下特点:①活动性。让学生在各种具体的、趣味性和操作性强的活动中进行充分地思考,掌握思维方法,训练思维品质,提高思维能力。②系统性。基于不同年龄学生的心理特点和知识经验,由浅入深,由易到难,由简到繁。先从日常生活问题开始,再到各个学科领域;先从具体形象的问题开始,再到抽象的问题;先从简单的问题开始,再到复杂问题。③迁移性。每个活动都设置“活动拓展”,使学生将学习到的思维方法迁移到其他情景中去。④跨学科性。该课程从一个纵向的层面涉及了各个领域的知识,包括日常生活和语文、数学、科学、社会、艺术等。

  (3)实验效果

  自2001年开始,“学思维”综合活动课程已经过了三轮实践,450多所中小学和幼儿园使用本课程。实践与研究结果表明:经过一年的时间,学生创新素质的各个要素明显提升(以下均为公开发表的研究报告),具体包括“学思维”综合活动课程可以有效促进小学生的思维能力和学业成绩(Hu etc.,2011;胡卫平,刘佳,2015)、创造性倾向(李嘉华,2010)、图形思维能力(杜艳芳、胡卫平,2008)、学习动机(Hu etc.,2016)、学习策略(Hu etc.,2016);可以影响初中生的一般造力(胡卫平,郧海丽,2006)、科学创造力(Hu etc.,2013)、创造性人格、学习动机和自尊(武宝军、胡卫平,2009)、学习策略(路晓华,2010)、同伴互动能力(穆晶,2010)、创造性问题提出能力(Han, Hu,etc.,2013)等等,并在停止实验培养一年后,学生思维能力的总体水平、归纳推理、演绎推理、空间认知、类比推理和抽象概括能力的延迟效应显著(胡卫平、刘佳,2015);停止实验培养一年后,实验组学生的深层学习动机显著高于控制组,长时效应显著(贾小娟、胡卫平、武宝军,2012)。学思维网络活动能有效促进小学生创造性思维以及创造性倾向的发展(胡卫平、赵晓媚、贾培媛、陈英和,2017)。特别是脑科学研究表明,经过一年的时间,学生的大脑功能会有明显的改善(贾小娟,2017)。

  2.“学探究”综合活动课程(创意科学)

  “学探究”是“学思维”的发展。“学探究”活动课程包括《创意科学》系列学生用书72册、活动材料和教师用书6册。该丛书按月份安排,全年12个月。每个月6个年级,含小学1-6年级各1册学生用书,总计288个科学实验活动。团队还开发了包括教案、说课视频、教学参考资料、课件、实验视频、导入视频、AR互动游戏、微练习、拓展活动等电子资源。作为整体解决方案的亮点之一,《学探究教育整体解决方案(小学科学版)》每一个课时均配备了一一对应的活动材料。每个月4节课构成1个主题单元材料包。与其他资源配合,构建一个“能读、能做、会动”的小学STEAM科学学习的整体解决方案,极大地解决了广大一线教师“组织实验难、寻找材料难”的现实问题。

  3.“学创新”综合活动课程

  “学创新”是“学思维”与“学探究”活动的深化,是新技术引领下的创客与STEM融合的综合活动课程,包括智能机器人、3D艺术打印、AI与计算思维编程、智能导航与虚拟现实五个技术支撑的综合创造性活动。3D打印系列课程主要目的在于帮助学生逐步发展起空间观念,初步建立起空间能力体系。Scratch系列课程采用基于项目的学习(PBL)理念,旨在通过情景化的学习方式,培养学生的高阶思维能力。

  总之,创客与STEM融合是学校开展综合实践活动课程的有效途径,

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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