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STEM教育跨学科整合的反思与启示

STEM教育起源于美国。21世纪以来,从STEM教育到STEAM教育再到STREAM教育,STEM教育的内涵在不断丰富,STEM+的观念逐步形成。

对于STEM教育,有人认为它是一门课程,也有人认为它是一种理念,尽管人们至今尚未达成一致,但其倡导的跨学科整合学习理念已经成为共识,同时也逐渐成为研究的热点,而如何实现STEM教育的跨学科整合是当前STEM教育研究的一个普遍难点。

为找到跨学科整合最佳的实践路径,笔者基于美国实地参访及文献研究,就美国现行的做法进行分析探讨,期望能对我国中小学STEM教育的发展提供参考。

STEM教育跨学科整合的反思与启示

美国STEM教育跨学科整合的模式

美国K-12阶段STEM教育的一大特色就是通过少数跨学科大概念来整合学科知识,促进学生通过实践来深入探索所学内容的重要原理并逐级发展学生对概念的理解。具体来看,主要包含横向整合和纵向整合两种形式。

(一)横向整合

所谓横向整合,是指跨学科、跨领域的课程整合。通过研读美国STEM相关学科的课程标准及《K-12科学教育框架:实践,共通概念和核心理念》文件,笔者了解到,K-12阶段科学和工程被整合在《下一代科学教育标准》(以下简称NGSS)中,并以“表现期望”为核心,用“表现期望+基础盒子+连接盒子”的呈现方式实现整合。表1即为美国NGSS小学二年级标准中的一个横向整合示例。

表1 “生态系统”主题内容结构呈现方式

STEM教育跨学科整合的反思与启示

其中,“表现期望”指的是学生理解知识后应能做到的行为。“基础盒子”中“科学和工程实践”一列包含提出问题与定义,开发与使用模型,计划与开展调查,分析与解读数据,运用数学与计算,构架解释与设计解决方案,依证据而辩证,获取、评估与交流信息等内容;“学科核心概念”一列包括所有学生在整个学习过程中应该理解的科学学科中最基本的概念;“跨学科共通概念”一列包括模式,因果关系,规模、比例与数量,体系和系统模型,系统中的能量与物质,结构与功能等跨学科共通概念。

(二)纵向整合

所谓纵向整合,即在适合各阶段学生认知水平的基础上,促使学生的素养随着学习阶段的延伸取得连贯一致发展的整合设计。如表2所示,在美国K-12阶段的学习进程中,学生不断拓展和深入对学科核心概念的理解,美国课程标准中也含有各学段对同一学科核心概念的表现期望。

表2 “生命体的物质和能量流动”的学科概念进阶

STEM教育跨学科整合的反思与启示

纵向整合实质上是对核心概念理解的逐级深入和持续发展,可以系统地帮助学生学习核心概念的内涵,最终为学生比较全面、系统而深入地理解核心概念打下扎实的基础。当然,横向整合和纵向整合之间也是相互作用的,共同促进课程实施效果。

美国STEM教育跨学科整合的教学方式

根据笔者对美国STEM教育的深入了解,美国较成熟的跨学科整合教学方式可分为以下三种类型。

(一)基于问题——学科知识整合取向

基于问题的教学方式即通过学生合作,解决融入真实情境中的问题或与客观世界相关的问题。问题是载体,是多学科知识融合的交叉点与整合点,是吸引学生学习与探究的触发器。解决问题的目的是为了促进学生对所学知识的理解与建构,从而习得隐含于问题背后的学科知识,形成STEM相关技能。

以笔者在明尼苏达州杰明学校听到的一节二年级跨学科综合课“关于蝴蝶的研究”为例,为了帮助学生提出问题,教师在连续几周(每周大约一节课)的教学过程中设计了这样一些指引:

我已经知道……我已经学过……

我观察到/我注意到/……我想知道……

我很好奇,如果……会怎么样?怎么办?

在这样一个项目中,教师几乎没有机械的知识讲解环节,而是以探究活动代替:从问题出发,把孩子带入学习场景,然后进行相关探索,观察现象、学习概念、动手操作。

笔者参观当天是学生观察毛毛虫的第七天,毛毛虫的大小已经有明显的变化。学生通过观察比较毛毛虫的大小,引申出比较大小“标准”的问题,提出测量的方法,进而学习刻度尺的使用和如何读数。在这些活动中,学生始终沉浸在探索的兴奋之中,既学到了科学思维,又掌握了科学、数学的相关知识。

(二)基于项目——生活经验整合取向

基于项目的教学方式是以来自生活经验与社会中实践性的项目完成为核心,将跨学科的内容、高级思维能力发展与真实社会生活联系起来。项目学习一般以开发出最终的作品为出发点,作品设计是贯穿项目学习的主线和驱动力,学生在完成作品的过程中进行检索、讨论、演算、设计和观察等学习活动,并解决一个或多个问题,从而获得知识和技能。

例如在参访布雷克高中时,笔者看到该校学生在一位博士的指导下,进行了一项睡眠研究,以调查睡眠、情绪和电子设备之间的联系。这堂五人为一个小组的数学课主要进行了项目相关的数学建模和大数据处理。

另一个有意思的项目是“与长者共舞:探索运动、情绪和记忆之间的联系”。该项目通过全程追踪参与者的微笑、大笑等行为并对收集的数据进行统计分析,量化了舞蹈对老年人情绪健康、身体康复和记忆的影响。这个基于社会生活的项目也整合了数学、体育、心理健康等多学科知识。

(三)基于工程设计——学习者中心整合取向

基于工程设计的教学方式不强调由教师预设问题或项目,而由学生主导项目。学生以个人或小组为单位提出任务,教师在学生解决项目问题的过程中发挥协调、指导和评价作用。它不仅强调解决问题能力的培养,还强调发现问题的创新能力,是一种依据学习者需求,以学习者生活经验为基础,寻找各学科整合点的教学方式。

以学习者为中心的整合取向强调创设学习者可以主动介入、研究与发现的问题情境,让学生在蕴含丰富 STEM 知识的问题情境中进行合作与交流、探究与发现,从而创造意义、学习知识。

例如,美国教师让三年级学生解决一个工程设计问题:为期两周的假期就要来了,假期中学校的植物角没人浇水,植物会干死,怎么办?

第一步是明确问题:设计一个方案,即做一个灌溉装置,能在未来两周内以安全可靠的方式给植物输送适量的水,让植物既不会干死,也不会溺死。

接下来是调查研究,构建灌溉模型。学生在搭建原型之前,还要学会画草图,决定选用什么材料、按照什么步骤,并从实践中理解科学概念。做好原型并完成整个设计和制作后,还要完成10个步骤,包括再次审视、能用文字清楚描述自己的思路和步骤、多次详细测试等,最后得出结论,告诉大家自己的设计思路和作品功能,用实证数据证明自己的作品是可行的,别人能按照这个步骤复制和测试,才能交付作品。

从这个案例来看,虽然是学生的项目,但十分严谨,与真实的工程设计没有本质区别。比起具体的知识,它包含的这些探索未知、解决问题的科学思维方法,才是STEM课程的精华所在。

反思与启示

通过对美国K-12阶段STEM教育的观察和研究,笔者认为,为有效提高STEM教育的整合效果,可以借鉴美国的经验,从课程标准、课程内容、课程评价等方面着手,构建具有中国特色的STEM课程体系。

(一)完善课程标准,提供科学的行动指引

STEM教育是美国的国家战略,因此美国不仅在不同时期及时制定了STEM教育政策,更是对STEM课程标准高度重视且课程体系较为完整。

《K-12 STEM整合教育的现状、前景与研究议程》指出,标准是影响STEM教育实施的重要因素之一。《创新美国:制定一个科学、技术、工程和数学的议程》纲领则从更广泛的课程内容、标准、评价、教师等方面进行了详细论述。基于标准,可使STEM主题开发避免随意性,如《州共同核心课程标准》(2010年)、NGSS(2013年)明确包含工程和科学的核心理念及实践知识,并希望科学教师以整合的方式教授科学和工程知识。

从 STEM教育涉及的四大学科看,我国课程标准的建设是相对滞后的,特别是义务教育阶段的技术与工程标准,没有成体系的STEM课程。无论是课程目标制订还是内容选取,都较为随意,也没有专业的STEM教师,没有形成合力。因此,制定义务教育阶段的技术课程标准、中小学的工程课程标准有待尽快提上日程。

(二)围绕核心概念,提供系统化内容支撑

如前文所述,美国NGSS提出了“科学和工程实践”“学科核心概念”“跨学科共通概念”的三维整合,启示我们应当基于核心概念设计启发学生思维的基本问题,围绕核心概念尤其是跨学科核心概念整合STEM 教育。在此模式下,相关学科的内容与逻辑之间通过核心概念建立实质性关联,让学生带着问题实践和体验,使学生的思维超出学科局限,促进更高层面的整合,同时实现知识的迁移。

此外,美国STEM教育大多注重课程与真实情境和社会生活的联系,强调解决现实问题。这是一种以问题为中心取向的超学科整合方法。此时,学科不再是组织中心,而是以真实且复杂的问题来驱动学生应用所学相关学科的知识与技能,并综合运用社会资源解决问题,从而获得成长。

反思我国开发的许多STEM教育项目,更多关注的是相关事实性知识的拼盘整合,缺乏核心概念,也没有逻辑性和条理性,导致项目之间既无横向整合,更谈不上纵向整合,缺乏可持续性和进阶设计,无法促进学生深层次的理解和迁移。

(三)注重整体设计,提供教学实践模式

美国从K-12到大学都有完备的课程资源和学分评价模式。如覆盖K-12年级的“I-STEM”跨学科整合教育模式,提供了课程设计、课程实践、课程评价三个层面的服务,实现了课程、教学、评价的整合和统一。其评价标准是基于“理解为先”教学设计模式开发的,解决了跨学科整合中的评价这一难题。

“I-STEM”模式包括持久理解、基本问题、表现期望、表现要素、学生表现几项指标。持久理解指学生应当能迁移到不同真实情境的关键概念、原则、理论和过程。基本问题使课堂教学更聚焦并有深度。表现期望精确描述学生将怎样展示对目标的理解,是评价的基础。根据表现期望,可确定一系列能被测评的概念作为表现要素,进而确定学生表现指标和教师表现指标 。

反思我国的STEM教育,往往只注重拼盘式的内容整合,缺乏教学与评价的整合,也没有课程、教学、评价的一致性,一般以学生的物态产品作为评价标准。普遍现象是,学校从社会机构购买STEM课程,机构派出教师到校上课;很多做机器人、编程、机械加工的社会机构用STEM教育为幌子,其本质还是卖产品,并不能提供系统性的、有整体设计的STEM课程,不仅课程及教学质量无法保障,教师的理念和教学水平也没有得到提升。

另外一种常见现象是,部分教师根据自己对于STEM教育的片面理解来改良现有的科学课、劳技课,结果上成了“四不像”。实际上,很多学校开设STEM课程的目的,只是在关键时刻可以拿出来“秀一秀”而已,缺乏系统性与科学性设计。

当然,尽管现阶段美国的STEM教育成效显著,但也存在巨大的挑战和障碍。例如,各学区在经济投入、种族、性别等方面存在不均衡现象;STEM教育师资不足;等等。

同样,由于我国国情和人才选拔方式不同,完全照搬并不是一个好的选择,而高考改革需要考量的因素非常复杂。为能顺利解决STEM课程整合的难点,当务之急是以政府为主导,制定相关的政策法规,协同各方力量,并由教育相关部门统筹实施,建立STEM课程整合的长效推进机制和保障制度。

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