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图片来源:图虫创意

时至今日,STEM教育已从最初关注或集中于高等教育,逐步延伸至中小学乃至幼儿园,从面向提升国家竞争力的人才培养演变为学习方式的变革。从表面上看,人人都在谈STEM教育,像是找到了一把打开教育改革之门的金钥匙。作为STEM教育的推动者和实践者,我们需要在“STEM教育热”中保持冷思考,对STEM教育有清醒的认识。为此,本文从STEM教育的目标定位和实施方法两个维度出发,探讨STEM教育的可持续发展之道。

STEM教育的两种取向

根据学生在STEM教育中的学习结果可以得到两个分类维度,分别是外显的物化成果和内化的知识内容。从这两个分类维度出发,我们可以区分出两种不同取向的STEM教育(如图1),即作品开发取向的STEM教育(以形成物化成果为目标)和科学探究取向的STEM教育(以获得多元知识为目标)。

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  • no.1作品开发取向的STEM教育

从物化成果的分类看,作为一种创新教育平台,学生可以在STEM教育中设计和开发出能够解决实际问题的智能人造物。这一设计和开发过程与我们所熟悉的程序设计不同,它常常需要涉及科学、技术、工程和数学等多学科知识的综合应用。这一分类下的STEM教育强调作品开发取向,以形成物化成果(如3D打印作品、搭建的机器人等)为目标,以项目式学习(PBL)为主要学习方式,并在造物的过程中深化学习。

作品开发取向的STEM教育通常以一个项目为依托,重视学生利用计算机等相关设备、程序以及其他技术性资源(如开源软硬件)生成物化学习成果。这一取向的STEM教育在本质上等同于创客教育,二者都以培养学生的实践创新能力为目标,以项目教学法为主要教学方法,强调可视化成果的生成。可以说,作为一种基于真实情境的、以技术性资源(如开源软硬件)为平台的造物活动,创客教育具有先天的学科整合优势,是开展STEM教育的重要途径。

值得注意的是,囿于不成熟、不完善的专业知识,中小学生很难形成颠覆性或原发性的物化成果。因此,对于作品开发取向的STEM教育而言,将学生实践创新能力的培养定位在微创新更具现实意义,即学生在了解原有产品、规则或服务的基础上,对原有产品做一些有意义的改变或调整,但并没有从根本上改变原有的设计。在STEM教育的实践当中,微创新可以表现出不同的水平层级。

首先,微创新的起点应当从学会“复制”开始,即学生能够使用新的工具、方法、材料模拟或再现生产生活中既有科技产品的功能或工作过程;到了微创新的下一个阶段,学生能够对已有产品进行要素或参数上的微调,开始创新思维的引领和新创意的萌芽;在微创新的最后一个阶段,学生需要具备一定的跨学科整合能力,能够对原有产品、规则或服务做一些结构上的再设计。

然而,当前的STEM教育大多侧重模拟或模仿,导致学生作品雷同、缺乏个性和创造性。STEM教育要走向更高水平的微创新,一方面,教师需要准确评估学生作品的微创新水平;另一方面,教师需要根据微创新的不同水平对学生进行有针对性的引导。

  • no.2科学探究取向的STEM教育

从知识内容的分类看,STEM教育作为一种工程教育本身就是多学科综合交叉的产物,学生在接受教育的过程中自然可以获得多个门类的科学知识,促进其科学探究能力的提升。由此可见,这一分类下的STEM教育相当于一种科学探究的载体或平台,强调科学探究取向,以获得多元知识(如调查报告、解决方案等)为目标,以探究式学习为主要学习方式,并在科学探究的过程中深化学习。

科学探究取向的STEM教育最重要的活动在于建构科学模型,以解释和预测自然现象。科学建模是指针对自然现象抽象出其主要特征,依据科学直觉建构其关系、结构等概念模型,并用科学语言进行表征。以STEM教育的理念指导科学探究活动的设计和实施不仅适切,且极有必要,这是因为:从教育内容的角度看,STEM教育关注对科学知识的解释、科学探究的实践及与工程设计的结合,其目标是整合各领域知识解决真实世界中的实际问题;从教育方式的角度看,STEM教育强调工程与技术素养需通过“做中学”来实现。因此,将STEM教育作为科学探究的平台,开展科学探究活动,将成为STEM教育的一个重要发展方向。

同时,科学探究取向的STEM教育具有更为重要的教育价值。研究表明,STEM教育能够提高学生的创造力、批判性思维能力、问题解决能力、做出决策的能力、沟通交流能力、团队合作能力和自信心,而这些能力是进行科学探究活动的重要组成部分。科学探究取向的STEM教育具有培养学生掌握跨学科知识和科学探究能力的双重功能,对丰富和扩展STEM教育的价值以及进一步推动STEM教育的发展均有重要意义。

当前,科学探究取向的STEM教育在国内的实践中尚处于起步阶段,属于STEM教育的前沿发展方向之一,积极尝试科学探究取向的STEM教育,将成为STEM教师专业发展的一个重要方面。

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STEM教育的四种方法

从实践层面看,由于两种不同取向的STEM教育在目标定位上存在较大差异,采用“一刀切”的方式开展STEM教育很难取得理想的效果。鉴于此,根据STEM教育的不同取向设计具有针对性的实施方法就显得尤为必要。为此,本文首先将STEM教育的实施方法按照正向教学模式与逆向教学模式这一维度进行分类。

对于正向教学模式而言,两种最具代表性的方法是正向项目教学和科学探究,这两种方法强调学生从零(问题或需求)出发,在解决跨学科问题的过程中体验STEM教育。在逆向教学模式中,两种最典型的方法是逆向工程(reverse engineering)教学和纠错(troubleshooting)教学。逆向教学模式强调学生从使用或测试(已有作品或半成品)开始,倒推产品的设计方法,然后重新设计或复原一件作品。

除此之外,我们还可以根据作品开发取向与科学探究取向这一维度对STEM教育的实施方法做进一步划分。例如,正向项目教学和逆向工程教学都属于典型的作品开发取向,侧重物化成果的产生,引导学生在开发物化成果的过程中深化学习;在与作品开发取向相对的科学探究取向中,典型的实施方法有科学探究和纠错教学,这类方法侧重知识性成果的生成,强调学生在真实问题情境中开展动手做、做中学的探究式学习。最后,对上述两个维度交叉整合后,可以形成STEM教育的四种方法(如图2),即正向项目教学、逆向工程教学、纠错教学以及科学探究。

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  • no.1基于正向项目教学的STEM教育

目前,在STEM教育中广泛采用的项目教学本质上是一种正向项目教学,强调以项目活动为依托组织教学内容,以学生为主体开展教学活动,以可视化和多样化的学习成果评价学生的学习效果。其实施过程一般可划分为五个阶段:需求分析、可选方案分析、详细方案分析、系统实现与测试、作品包装与分享,基本体现了“产品设计—产品生产—消费使用”的一般过程。

正向项目教学之所以在STEM教育中如此盛行,其中一个重要原因就在于,正向项目教学能够将生活中的实际问题或需求整合成一个跨学科的项目,以学生为中心,让学生通过逐步的设计、制作、评价等工作,从零开始完成一件项目作品的开发。正向项目教学的一个最大的问题是,它需要学生从零开始完成一个完整的项目,在时间消耗和能力要求上均有较高要求。

  • no.2基于逆向工程教学的STEM教育

逆向工程,又称反求工程或反向工程,是以造物为目的,以先进产品的实物、样件、软件等作为研究对象,运用现代设计理论、方法、测量技术,对已有产品进行建模、仿真,最终实现优化既有产品和再创造的过程。它的实施过程一般分五个阶段:作品使用与工程分析、作品分解与复原、再设计与微创新、原型制作或产品再造、比较评估与反思。

在这个过程中,作品分解与复原是关键的步骤,需要引导学生学会观察、测量和记录。只有这样才能有效复原作品,并深入理解作品的制作过程和内在原理。拆解和拆分是儿童的天性,尤其表现在其对家庭玩具的“破坏性”拆解上,很多儿童因未得到正确的方法指导,导致玩具无法复原而被丢弃。遗憾的是,儿童的这种与生俱来的爱好又被排除在常规教学之外。

此外,逆向工程不只是单纯的仿制,再设计与微创新也是重要一环,以便让学生在“认识原型→再现原型→超越原型”的过程中深化学习。逆向工程教学在现阶段大学机械工程类课程中有着广泛的应用,并取得了相对显著的教学效果,但就中小学STEM教育而言,逆向工程教学尚未获得重视和广泛实践。

  • no.3基于纠错教学的STEM教育

纠错在教学中涉及两个不同层面的应用:一是指在工程教育中,学生从工程设计师的角度不断修正和调整自己设计的作品,以符合预期的目标;二是指教师人为地设计纠错任务,或是提供业已用坏或损坏的残缺作品,让学生接受系统的纠错任务训练,发现故障产生的根源,复原作品的功能。

作为一种教学方法,纠错教学一般指的是第二个层面的应用,其实施过程大体可以分为四个阶段:玩与观察、分析可能的原因、确定纠错的起点、纠错与测试。与逆向工程教学方法相比,两者都是从现成作品或产品的使用、观察入手,不同的是,纠错教学并不需要设计制作一件新的作品,而是聚焦于已有作品中科学问题的发现与解决,其关键环节在于“假设—尝试”的“试误”过程,有时甚至需要经历多次的迭代。

从这个意义上说,纠错教学本质上与科学探究的过程有高度一致性。STEM教育作为一种手脑并用的工程教育,对学生纠错能力的培养不容忽视,可以说,纠错是工程设计中必不可少的一个重要环节,是自然发生的。然而,同逆向工程教学类似,纠错教学在当前中小学STEM教育中的应用仍处于起步阶段,迫切需要严谨的实证研究,以探讨如何在STEM教育中开展纠错教学。

  • no.4基于科学探究的STEM教育

科学探究强调以科学问题为导向,以STEM教育理论指导科学探究活动的设计与实施,以培养学生掌握跨学科知识和科学探究能力为目标。其教学过程一般为,从生活中的科学问题出发,制订科学探究方案,开展科学探究实践并收集数据,利用程序设计或其他数据统计软件分析数据,使学生在习得跨学科知识、科学的思维过程与方法的同时,提高学生的科学探究能力。

开展基于科学探究的STEM教育对教师而言无疑是一项艰巨的任务,教师不仅需要具备STEM教育理念和扎实的科学素养,还需在必要时寻求其他学科教师的支持和配合。

另外,在设计科学探究主题时,必须考虑所涉及的科学知识与相关学科教学进度的呼应,不宜超前探究,且最好能在既有学科知识的基础上通过探究活动拓展其认识,或生发出新的探究问题。

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图3 STEM教育的四种方法

结合上述分析,本文进一步用图3呈现了STEM教育四种方法的实施过程和适用取向。总的来说,就STEM教育的发展而言,这四种方法在实践中均有重要的应用价值。不过,逆向工程教学和纠错教学在当前中小学STEM教育中的应用少之又少,属于STEM教育发展的前沿方向之一。

更为重要的是,就STEM教育的工程教育本质而言,强调从既有产品入手进行再设计的逆向工程教学和强调在纠错中训练问题解决能力的纠错教学更适合培养中小学生的微创新能力,积极尝试这两种方法将成为提升教师STEM教育能力的一个重要方面。