基于高阶思维的小学STEM课程的实践研究

原标题:基于高阶思维的小学STEM课程的实践研究

本文发表于 《数字教育》 2019年第5期(总第29期)特稿栏目,页码:1-7。转载请注明出处。

摘 要:STEM 教育目前面临诸多问题,尤其是缺乏高质量的教材。我们在两年的小学STEM 课程开发过程中,逐步明确了小学STEM 教材的研究思路、课程性质、课程设计的基本理念、课程设计的依据、课程教学目标、课程教学建议,形成了系统的小学STEM 课程教学大纲,对教材的落地生根具有巨大的指导意义。我们的目标是通过持续的理论结合实践的研究,开发出适合中国学生的STEM 课程。

关键词:高阶思维;小学STEM 课程;实践研究

一、引言

STEM 是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)这四门学科的英文首字母缩写。起源于美国的STEM 教育,从2001 年开始引入中国科技教育领域。STEM 教育目前已经进入我国国家课程标准之内。2017 年教育部发布的《义务教育小学科学课程标准》特地把STEM 教育列为新课程标准的主要内容之一[1]。2017 年6 月,中国教育科学研究院发布《中国STEM 教育白皮书》。

STEM 教育强调的对知识进行综合运用的能力和创新精神弥补了我国传统基础教育的短板,更有利于创新人才的培养。[2]因此,我们开展了小学STEM教材开发的实践研究,目前1~6 年级教材已经出稿,本套小学STEM 教材包括STEM 教科书、STEM学生用书、STEM 教师用书和STEM 教学资源包(含教学设计、教学课件、器材套件使用微视频、拓展资料等教学资源)四个部分,教师拿到教材,就能着手上课,有效解决了因为缺乏教材或者有教材却无从下手难以开课的困境。

二、小学STEM课程开发的研究思路

(一)发现问题

2017 年,我们对全区48 名科技创新辅导员教师就STEM 问题进行了问卷调查,调查结果表明,81.25% 的老师都没接触过STEM 教育,18.75% 的老师曾经开展过STEM 教育,但是也只是浅层次的,未曾深入了解。问卷显示,59.8% 的老师认为开展STEM 教育最大的困难是缺少课程,所以很多老师感觉备课压力大。当前全国各地出现了零星的教材版本,虽然各具特色,但是缺乏一定的科学规范和指导,而且大部分教材都类似造物说明书,离教材的标准还有一定距离。(二)分析问题

教材开发者对STEM 教育的性质、理念、教学要求、评价要求不甚了解,教学目标不明确,是造成教材质量问题的主要原因。因此,只有真正走进STEM 教育的核心, 了解STEM 教育的真谛,才能做出符合STEM 教育要求、符合中小学生思维发展特点、符合中国人才发展需求的STEM 教材。STEM 教育发展的关键是教师,有了专业精干的教师,才有开发课程的基础,因此,我们把建设一支高质量的STEM 教师团队放在第一位。

(三)解决问题

1.教师培养“五个一”,抓好队伍建设

2018 年5 月,52 位教师申报了瑶海区首批STEM 专业教师,申报者有一年考察期,需完成一个STEM 课例,一篇STEM 教学设计,一篇STEM 教学反思,一个自己辅导的学生创客作品,一篇关于STEM 或创客的教育论文。

2.STEM 发展“五个一”,抓好研究过程

在开发教材过程中,我们发现,单纯依靠大学教授、博士或者企业,都存在一系列弊端,他们不了解小学生的心理特点、认知规律和教学规律,开发出来的教材理论难度大,难以落地。所以,我们改变策略,紧紧依靠一线STEM 教师,通过发放资源—磨课研讨—展示探究— 修改定稿这条技术路线,从实践中来到实践中去。同时, 我们制定了创客及STEM 发展“五个一“思路:每两周开展一次STEM 研讨课,每年开展一次高端培训,每年建设一个创客空间,每年申报一个STEM 研究课题,每年出版一本STEM 教育案例集。

3.专家引领提升课程设计的高度

作为教育领域的新鲜事物,在大家都在摸索、没有统一概念的背景下,顶层专家引领能让研究少走弯路,更快更直接地切入STEM 教育的核心。中国教育科学研究院STEM 研究中心副主任罗夫运一直对该课题跟踪指导。华东师范大学的吴永和教授、中国电化教育杂志社许林社长也为我们的STEM 研究做了专题指导,让我们获益匪浅。

三、小学STEM课程的性质

两周一次的STEM 课堂教学实践,为我们的研究提供了丰富的营养。我们在学生的思维发展中,在不断的思维碰撞中,逐渐揭开了STEM 课程神秘的面纱。

STEM 课程是以学生实际生活情境和需求为基础, 以学生实际生活中发现的问题为契机,以体验、验证、探究、创新等方式解决问题为导向,以培养学生跨学科学习能力、科学探究能力、工程设计能力、创新能力为目标,以培养高阶创新人才、全面提升学生核心素养为目的的综合实践性课程[3]。

(一)科学性

STEM课程紧紧围绕学生身边发现的问题开展研究, 运用科学技术手段创新解决实际问题, 是基于工程的思维设计。激励学生在实践中运用已经学习的科学知识, 提出问题、作出假设、确定和控制变量、设计实验验证假设、采集数据及实验现象、解释数据、反复实验、得出结论,在批判与质疑中,培养学生独立思考与判断的能力,培养学生尊重科学、拥有实证意识和严肃求知的态度,养成多角度、辩证分析问题的思维,努力提高学生的科学核心素养。

(二)实践性

通过具体的实践活动,学生可以更好地学习STEM课程。STEM 教育充分鼓励学生实践创新,课程设计也是以实践创新过程为主要环节的,动手动脑、问题解决、技术运用均得以充分体现。课程把验证、探究、制造、创造活动当成学生学习的主要形式,让学生亲自体验既动手又动脑的实践活动,既掌握科学研究的方法,也会运用工程设计的技巧,发现实际生活中存在的问题并及时提出,运用跨学科知识、用科学和工程的独特方式来解决问题,在具体实施过程中丰富认识社会、改造社会的体验,拥有科学家与工程师的双重思维,最终成为一名未来社会所需要的创新型人才——创客(Maker)。

(三)综合性

了解自然现象、处理现实问题都会用到不同范畴的知识和方法。我们设计的STEM 课程涉及物质科学、生命科学、地球和宇宙科学、技术和工程四个板块,综合数学、工程、技术、科学等跨学科知识,重视培养学生运用跨学科知识发现并解决问题的综合实践能力,体现多种知识范畴的教育效用和思维培育价值,着力提升学生的工程师思维和动手、动脑、社会实践等综合能力,促进学生的全面发展。

(四)协同性

协作与分享,是创客精神的重要体现。STEM 课程在收集资料、制作思维导图、分析项目、制作作品、展示成果等环节,都离不开团队合作,学生在相互配合的行动中逐步培养了团队合作能力,在分享成果的过程中让别人也了解到自己的感受,在合作分享中找到成就感、获得感和幸福感。同时鼓励企业、社会、政府等多方合作,积极参与,协同创新。

(五)创新性

STEM 课程强调学生自主学习、勇于探究、敢于创新。在STEM 课程设计的各个环节里,要求学生能够大胆发挥好奇心和想象力,为了解决问题,能够不畏困难,比如前期的准备工作——查资料、作调查,后期的反复实践测试,鼓励学生坚持锲而不舍的探究精神,大胆创新, 积极寻求有效的问题解决方法。

四、小学STEM课程设计的基本理念

(一)以人为本,为每一个学生终身发展奠定坚实基础

要想让学生具备良好的科学素质、实践能力和创新精神,STEM 课程具有举足轻重的实用主义价值。不管学生的差异有多大,比如地域、民族不同,或是经济、文化背景之间存在相当大的鸿沟,抑或是性别、个性等个体条件存在差异,STEM 课程设计的目标都是为全体学生提供恰当、公平学习和进步的机会,力图让每个学生终身受益,成为未来社会需要的新型人才。STEM 课程应该是普惠性教育而不是精英教育,这是STEM 课程的基础。

(二)倡导PBL 项目式学习为主,改变学生传统学习方式,强调学生的主体地位

传统的课堂,学生和老师都缺乏“任务驱动—解决问题”的激情,死记硬背遏制了教育的生机!项目学习(project-basedlearning,简称PBL)与以往静态的学习方法有所不同, 它是以学生为中心,选取跨学科的主题内容,让学生基于现实情境,解决实际问题。在这个过程中学生是学习的主体,学生在处理问题中呈现出的方法和能力受到更多关注。学生学习方法的调整,在相当程度上可以推动教师改进教学行为,从而促进基础教育改革的发展。

(三)坚持学生独立思考与积极实践相统一, 引导学生形成正确的价值观

STEM 课程的项目形成,都是为了解决生活中给人们带来不便的问题,通过学生的独立思考和积极实践,对问题重新考量,通过创新解决生活中的难题。如和平东校的周文娟老师设计的课例“智能盲杖”,就是为了解决盲人生活的不便提出的,学生通过电子模块、编程、传感器等技术,设计出智能盲杖、智能晴雨表、智能家具等一系列物品,让盲人的生活也充满光明。

(四)整合课程资源,实现跨学科融合

跨学科理念有利于学生在面对现实问题时全面客观地解决问题。在STEM 课程教学中,教师引导学生提出问题,确定自己的学习目标,调动学生的知识储备,建立适宜的学习情景,指引学生积极研究,促进学生活跃思想,让学生对所学到的知识和技巧加以归纳、思考,使学生逐步学会在各种资源中选择,实现跨学科融合, 努力形成一个与传统课堂相辅相成的、颠覆传统教学方式的教学模式,提升学生核心素养,形成教育新生态。[4]

五、小学STEM课程设计依据

(一)依据小学生的心理及思维发展特点设置课程难度

处于低年级的小学生,想象往往是模仿和简单再现, 具有直观具体的特点,升入高年级,他们对具体形象的依赖会渐渐削弱,创造性想象逐渐萌芽并发展壮大。他们的思维从以形象思维为主,逐渐发展到以抽象思维为主。因此,我们在课程内容的设置上采取由易到难、螺旋上升的方式,每个单元纵向思维和知识的横向逻辑均逐步递进,适合不同学段学生的知识水平、认知与行为能力水平。

(二)依据STEM 教育的性质和特点设置知识板块

结合STEM 教育的性质和特点,参考美国《K-12年级科学教育框架》和中国2017 年《义务教育小学科学课程标准》,我们将课程具体设置成物质科学、地球与宇宙科学、生命科学、技术与工程四大板块,关键在于吸引学生对科学的兴趣,养成独特的思维方式以及良好的学习习惯。[5]

(三)依据学生认知规律和教学目标设置课程类型

根据不同学段学生的认知规律,STEM 课程把实现教学目标的类型分为验证型、制造型、探究型、创造型,但它们不是孤立存在的,而是根据项目性质和学生年龄特点互相联系,相辅相成,课程整体内容连续,由简单到复杂,由基础到提高,根据难易程度螺旋式设计,以满足小学阶段各个年级学生不同的生理和心理发育水平。[6]如下表所示。

六、小学STEM课程教学目标

小学STEM 课程设计的主要目标是培养学生创新意识和兴趣,让学生拥有科学研究的思维和工程设计的意识,努力成为一名具备科学家与工程师的思维方法的、具备解决问题能力的、具有创造力的人,让他们有意识地坚持学习,为成为合格公民、做到终身发展打下坚实基础。

STEM 教育旨在在课程引导和帮助下,使学生达到以下几个方面的目标:

(一)知识目标

初步学习技术与工程,如用电子积木模块制作蜂鸣器报警装置、制作食物包装盒、设计博物馆警报器、设计智能盲杖、设计MORSE CODE(摩斯密码)发报机、了解桥梁的秘密、设计便捷取物器等。

了解地球与宇宙相关知识,如陆地与海洋、月相、降雨、风向与风速、地球的运动、水质等。通过体验与探究,开阔视野,懂得自然界的自然规律;明白人类之所以能够生存下来,与自然环境是息息相关的;知道现在严峻的环境问题和其产生的原因;知晓与保护环境有关的信息。

了解生命科学相关知识,如植物生命状态、草木扎染、校园植物的土壤环境、动物生命状态、人体体征探究、水藻的呼吸与光合作用等与学生认识水平相符合的科学常识,懂得生命的可贵。

学习物质科学相关知识,如液体密度与溶解、书籍与纸张、磁铁、尤克里里、吸热与放热、连接电路、太阳镜、蔬菜水果的特性等,对神奇的大自然永葆一颗好奇心,有充沛的热情和精力开展探究活动。

了解数学、工程、技术、艺术、科学等多学科知识、技能与方法,注重知识积累。

(二)能力目标

培养自主学习能力、批判性思考能力、动手实践能力和创新思维能力,以及与他人交流时恰当运用科学语言的能力;形成尊崇实际、积极探索、与他人合作的严谨态度。[7]

具有问题意识,敢于批判质疑;培养独立思考、独立判断能力。[8]

具有工程思维,思维缜密,能多角度、批判性分析问题,从而做出选择和决定。可以从无形的创意和方案延伸出有形的物品,或者能够对已经成形物品进一步改进。[9]

能够与时俱进,学会搜集、处理、运用多种信息化技术的方法,提高技术素养,能够积极适应信息化社会。

(三)情感、态度、价值观

在跨学科综合学习中,理解个体成长与国家、社会的关系,树立国家意识和全球意识,拓宽国际视野。

通过解决身边的问题,理解自然环境和人类自身生存息息相关,通过自己的创新,改善环境,爱护环境,培养勤俭节约、珍惜资源的好习惯。

通过STEM 工程实践,形成热爱劳动、关心实践、尊重科学、自立自强、勇于竞争、积极合作、大胆创新的优秀品质。[10]

在积极参加劳动生产、公益活动等社会实践活动中,形成不断改善和革新劳动方法、提升劳动效率的意识。[11]

发掘自身潜力,用创新思维应对所有问题,成长为有坚定的人生方向、具备优良的生活质量、拥有爱国情怀的负责任的人。

七、小学STEM课程实施教学建议

实现STEM 课程目标的重要途径和基础环节在于教学。组织具体的教学活动、实施规定的教学步骤,应该全面贯彻党的教育方针,以全面培养学生核心素养为导向,坚持STEM 课程的理念和要求,贯彻STEM 教学原则,改进STEM 教学的实践效果, 遵循中小学生身心发展的规律,加快创新思维的产生和发展。

(一)STEM 教师培养建议

2018 年5 月8 日,中国教育科学研究院STEM 研究中心发布了《STEM 教师能力等级标准》。由于STEM 课程的综合跨学科特点,目前没有专业的STEM 教师,都是由有兴趣的各学科教师兼任,为更好地落实STEM 课程,必须依据《STEM 教师能力等级标准》,培养适合STEM 教学的“五专”教师即专职授课、专注研究、专门培训、专业学习、专于创新的新型教师。

在具体的教学活动中,STEM 教师需要意识到课程的综合性特点,精准把控,以学生高阶思维、创新能力提升必须面对的重要关系为突破口,将工程、技术、科学、数学等学科内容进行有机结合,通过科学设计将这些内容完美融合在一起,分板块、分领域展开教学活动;应深刻理解STEM 课程所具备的综合性和科学性的特征,不要将教授和背诵知识的环节简单地概念化和孤立化,而应出于对学生高阶思维提升的需求开展对知识的学习。[12]

( 二) 教学目标建议

培养学生的高阶思维、促进国家创新型人才的培养是STEM 课程的宗旨。小学时期开始STEM 教学, 是为从小培养学生对科学的兴趣、实践创新素养,为培养未来的工程师打基础的。STEM 教师需要把培养学生的实践创新能力当成教学设计和最终实施的最高标准。在制定教学目标时不仅要重视不同学科的知识, 还要关注有利于实践创新的平台设置与资源应用,注重各方面目标的整合与平衡。

高阶思维、科学素养的形成是长期的,只有通过连贯、进阶的STEM 学习与躬行实践才能达成。STEM 教师应从课程整体出发,掌握课程标准、教材设计的思考路径,梳理课程标准、教材在培养STEM 能力方面的纵向、横向脉络,包括和众多不同学科的横向关系,明晰每一堂课的教学目标和学期目标、课程目标的关系,从而合理确定课程的教学目标。[13]

( 三) 教学活动建议

为了更好地培养学生的核心素养,STEM 教师要为学生提供多样化的活动、实践和探究机会,让学生在合作探究、思维碰撞中提升核心素养。

1.设计好项目式学习

项目式学习是STEM 学习的主要方式,它把学生作为教学实践的核心,提供素材建立特定的学习环境,学生分组成立团队,在特定环境里解决开放式问题,从而自主探究学习。教师要注意安排好以下环节:学生合理分组、指导技术使用、合作设计思维导图、探究制作项目、分享成果、评价。教师要帮助学生克服畏难心理,采用多种方式激励学生,加深他们对问题的领会程度。项目式教学不同于传统意义上的填鸭式教学,它需要教师花费更多时间备课,准备足够的材料带领每个小组展开探究,发散、创新、拓展是课堂必不可少的环节。这种学习有助于培育小学生的创新思维能力、团队合作意识、实践能力、决策和实施具体项目的能力,从而成就学生的高阶思维。

2.开展好活动,动手动脑练思维

STEM 课与其他课的主要差别在于,STEM 课是通过项目式学习来解决问题,学生主要是亲自实践展开学习活动,例如展开实验,创作模型,观察、测量, 种植,考察、记录,等等。这些活动作为独特的学习方式,不仅深受学生喜爱,也可以帮助学生更好理解科学、工程、技术等抽象概念。教师设计课程时,要搭建平台, 让学生动手、动脑相结合。一边动手一边思考问题, 让双方相互支撑,相辅相成。

3.开展合作探究式学习

合作探究式学习是STEM 教育的主要学习方式, 这种学习方式契合小学生的天性,可以在一定程度上唤起小学生的求知欲,有利于他们对科学、工程、技术、数学等跨学科概念的理解。

指导学生进行合作探究式学习,应注意以下问题:

(1) 关注探究活动的所有要素。科学探究包括提出问题、做出假设、制订与实施研究方案、得出结论、表达交流等要素。每个要素都与不同的学科思维方式相关联,因此要尽量避免程序化、形式化的科学探究。只有给予学生足够的运用跨学科思维方式的机遇,才能使学生最终具备跨学科整合的思维方式。

(2) 精心设置探究问题。探究问题的来源有三个途径:学生身边发现的问题,项目学习中所必须探究的问题,课堂教学中生成的问题。无论问题来自何方,都要求符合学生自身探究能力的层次。控制好课堂探究的时间、问题的结构、效果及结论,对于启迪学生思维、促进创新因子发展有非常重要的价值。

(3) 安排好STEM学习中学生和教师的角色关系。STEM 探究式教学要求把学生作为教学的主体,但教师也要起到适当指导的作用。教师角色——引导者, 引导学生积极参与,启发学生创意灵感;参与者,学生边动手,教师边指导,培养学生创新思维;倡导者, 评价学生成果,倡导创客精神,激发学生创新兴趣和欲望。学生角色——发起人,学生在教师引导下自主探索、发现问题、提出问题;创造者,将自己的想法和创意制造成作品,变为现实;学习者,学生作为学习的主体,需要自己做主,通过阅读、观察、研究、实践等多种方式促进个体的持续变化。教师的指导要富于启发,要启发学生自己发现问题,所有过程都应该是生成式学习。

要多采用能吸引学生注意力、符合学生认知发展规律,以及可以充分调动学生学习积极性的教学方案和教学策略,使学生愿意主动学习。如做创客小导师、创造模型、辩论会、小组竞赛等,这些新颖的教学方法都能促进学生对STEM 的进一步深入学习。[14]

( 四)STEM 学习场所建议

创客空间、教室都可以成为STEM 学习的地方, 除此之外,还有更广阔的STEM 学习天地,如校园、家庭、科技馆、青少年科普实践基地等,处处是创造之地,时时是创造之时。需要教师根据项目学习的需要精心选题、精心策划。安排学生去之前,设计好任务清单,考察任务、目标、内容、问题都要清晰,才能真正让这些空间成为STEM 教育的鲜活资源。

( 五)STEM 教育创客器材建议

STEM 教育是一种新的教育理念,它最主要是基于项目引领学生学习。学生通过项目综合运用科学、技术、工程、数学等方面知识,解决现实世界中的问题是它主要的特点。其中的“创”是核心。完成项目的工具主要有创客编程软件Scratch、3D 打印、Arduino实施平台、知识检索资源库、各类传感器、通用工程工具设备等,现在又引进人工智能等新技术。在发挥新技术优势的同时,不应忽视真实情境、直接经验对小学生的重要作用。

八、结语

实践证明,没有教材的创客空间难以走长远。目前,我们课题组的小学STEM 教育1~6 年级12 册教材已经成稿,最终将形成适合中国小学生思维培养的STEM 教育地方教材。初中、高中STEM 教育教材也在持续开发之中。

工欲善其事,必先利其器。”最好的教育,就是让孩子们自己去发现、去创造。STEM 及创客教育不仅仅是信息化创新,也不仅仅是课程创新、方式创新, 更是社会在互联网时代对教育的召唤。一个人人皆学、时时可学、处处能学的环境,一个人人皆创、时时可创、处处能创的社会已经来临。瑶海STEM 及创客教育研究一直在路上,期望随着信息技术进步的浪潮不断前行,期望能为基础教育的改革与创新贡献出力所能及的力量!

[1][14] 中华人民共和国教育部. 义务教育小学科学课程标准[EB/OL].(2018-07-31)[20190423].https://wenku.baidu.com/view/6ddc542659fafab069dc5022aaea998fcd22405a.html.

[2] 中国教育科学研究院.2017 中国STEM 教育白皮书[EB/OL].

[3] 王素. 构建STEM 教育新生态[J]. 中小学数字化教学,2018(9):6.

[4] 朱建山. 美国STEM 教育跨学科整合的启示[J].中小学数字化教学, 2019(6):92.

[5]冯翠典.美国新一代《K-12年级科学教育框架》简介[J].比较教育研究, 2013(5):97-102.

[6] 中国教育信息化网. 浙江省中小学综合实践基地STEM 课程建设现场会召开[EB/OL].(2017-12-11)[2019-04-23].http://www.ict.edu.cn/news/n2/n20171211_46106.shtml.

[7][8][9][10][11] 中华人民共和国教育部. 中国学生发展核心素养[EB/ OL].(2018-01-27)[20190423].https://baike.baidu.com/item/%E4%B8%AD%E5%9B%BD%E5%AD%A6%E7%94%9F%E5%8F%91%E5%B1%95%E6%A0%B8%E5%BF%83%E7%B4%A0%E5%85%BB/20361439 ?fr=aladdin.

[12][13] 中国教育科学研究院STEM 教育研究中心.STEM 教师能力等级标准[EB/OL].(2018-08-07)[20190423].https://wenku.baidu.com/view/1f706e6d59fb770bf78a6529647d27284b7337d9.html.

光善慧(1966— ),女,中学高级教师,安徽合肥人,中国教育科学研究院STEM 研究中心兼职研究员,安徽省教育厅教育信息化专家库成员,瑶海区教育体育局信息中心副主任,研究方向为教育信息化、STEM 教育及创客教育。返回搜狐,查看更多

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