STEM教育与跨学科课程整合

【摘 要】跨学科课程整合是当今关于组织课程内容和课程设计理论实践活动研究的新趋势,STEM 教育是典型的跨学科课程整合方式。本文在论述跨学科课程整合的意义和STEM 教育概念的基础上,将以“温室建造”项目为例,从学习主题、教学目标、教学活动、教学支架、教学评价等方面介绍STEM 课程的教学研学旅行课题设计方法,为一线教师提供理论与实践指导。

【关键词】跨学科课程整合;STEM 教育

 

我们已经进入“旅行社+”时代,这个时代的特征表现为“跨界融合、创新驱动、重塑结构、尊重人性、开放生态、连接一切”。科技发展也从高度分化走向高度融合,交叉学科不断涌现,各学科之间在理论层次和方法层次上互相渗透与融合,使人类的科学知识形成了一个新的统一知识整体,必须打破以往只强调分化而忽视综合的局面,跨学科课程的设计与实施已是科学发展的必然要求,跨学科课程整合逐渐成为世界范围内课程改革的重要形态。

 

一、跨学科课程整合的意义

课程整合(Curriculum Integration) 是20 世纪80 年代以来课程设计领域出现的新趋势。课程整合是一种组织课程内容的方法,也一种课程设计的理论,是现代课程改革面对的问题之一。有学者预言,课程整合是未来21 世纪课程设计的主流。

现代科学技术的一个重要特征是多种学科在思想、理论、方法乃至工具上的互相渗透和影响。美国 2011年颁布的《K-12 科学教育的框架:实践,跨学科概念与核心概念》中提出6 个跨学科概念,分别是模式、原因和结果( 机制和解释)、尺度、比例和数量、系统和系统模型、能量和物质( 流动、循环和守恒)、结构和功能,并详细阐述了其价值和应用[1]。在这种形势下,要求基础教育阶段的课程教学要采用多学科课程整合的视角,让学生感受科学是一个整体,要了解和探索自然界中多学科之间的互相融合。但传统的课程体制是以学科为中心的,各学科的基础知识和基本技能是按其自身的逻辑结构形成分科课程的。通过分科课程的学习,学生虽然可以把学科知识基础打得非常扎实,但由于各学科之间比较孤立分化,学生接受的是一个个封闭的学科体系教学,不利于知识的相互贯通,容易造成知识僵化、教学方式日益远离社会发展的现实、远离学生生活和已有经验,到应用时就难以摆脱知识割裂的困境,难以融会贯通,严重限制了学生的视野,学生因受到单一学科的制约可能影响其判断一些科学现象的整体性,使其形成局部的、割裂的事实判断,难以与社会实际问题相对应起来,同时也阻碍了学生创新精神、实践能力乃至人格的发展。

为了克服这些弊端, 我国在2001 年的《基础教育课程改革纲要(试行)》中提出:“改变课程结构过于注重学科本位、科目过多和缺乏整合的现状,整体设置九年一贯的课程门类和课时比例,并设置综合课程,以适应不同地区和学生发展的需求,体现课程结构的均衡性、综合性和选择性。”[2] 要求基础教育课程改革要确立课程整合的理念, 将课程结构综合化作为改革的重要目标。为此,许多中小学校和中小学开展了多种形式课程整合的设计与实施的课程改革试验。包括基于课程内容知识的多学科教学的整合、基于以专题内容为中心的多课程教学活动的整合和基于真实情境主题以问题为中心的跨学科的课程整合等多种形式。

跨学科课程整合目前没有统一的定义。笔者认为跨学科课程整合就是围绕一个共同的主题,打破学科界限, 把不同学科不同领域的理论和方法有机地融合,有目的、有计划地设计组织课程内容和教学活动,以提高学生能力、促进学生全面发展为最终目的的一种课程组织方式和课程设计理论。其中,STEM 教育就是一种基于真实情境主题的典型跨学科课程整合方式。它从真实情境出发,选择学习主题,提出探究问题和学习任务,以问题解决、任务完成过程作为课程内容的组织中心,采用跨学科知识和方法,学习者作为实践活动研究者直接参与学习活动,通过问题的解决和任务的完成来进行课程学习。

跨学科课程整合应具有如下基本特征:1. 课程内容包含多学科知识和方法的整合。课程内容在一定程度上打破了学科之间的人为界限,探寻不同门类知识的内在联系并将其进行重组,从而把分散在各科之中的“知识点”串联起来,形成了融通一体的“知识树”。2. 课程内容与学生经验的整合。一方面,从学习者现有的经验和生活出发,将课程知识尽量回归到它被抽象出来的原来的经验,另一方面,在学习者已有的经验和未来的经验之间架设桥梁,将学习者现有的经验引导到更广泛、更具社会性的经验,促使学生新、旧经验的整合。3. 课程内容与社会生活的整合。课程内容必须与社会生活相整合,必须反映学习者面对的真实而生机勃勃的当下社会生活。加强课程内容与学生生活以及现代社会和科技发展的联系,以期满足学生理智生活、情感生活、审美生活、道德生活的需要。4. 课程内容中包含多种学习方式的整合。不同类型的知识和课程要求有多样化的学习活动方式,整合的课程需要整合的学习方式,并根据学生的特点及特定的学习内容来设计有利于学生发展的学习方式。5. 课程内容包含多种学习资源的整合。课程内容要注重资源的拓展和补充,充分利用研学资源、国际旅行社资源等,还要将各学科的研学导师与教育家组织起来,充分发挥人力资源的作用,形成一个校园活动研学和教育家有机结合的群体,以便重选课程内容和重构课程模式。

二、STEM 教育基本概念

从历史发展上看,STEM 教育起源于美国,强调科学、技术、工程和数学四门学科的有机融合。2015年美国正式颁布了STEM 教育法案,从教师培训、教学制度、社会与学校结合等方面规划了STEM 教育的新方向。进入21 世纪后,全球多个国家也加入到STEM 教育改革的队伍中,积极推进本国STEM 教育的发展。国内许多学者也对STEM 教育理念以及基于STEM 教育的相关课程设计进行了实践活动研究[3-4]。

2016 年6 月,我国研学导师颁布了《教育信息化“十三五”规划》文件,明确指出“积极探索信息技术在众创空间、跨学科学习(STEAM 教育)、创客教育等新的教育模式中的应用,着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力”。 这个纲领性的文件,标志着我国正式踏入STEM 教育改革的队伍中。STEM 教育作为今后发展的大趋势,对于我国教育教学方式的革新有着更加重要的价值和意义。

STEM 教育就是让学生面对真实情境中的问题,通过将科学探究、工程设计、数学方法和技术制作有机统一,运用跨学科的知识和方法来解决实际问题,学生通过做中学,学会应用跨学科的知识和方法,提升学生的创新意识和创新能力,是跨学科课程整合促进学生全面发展的一种教育方式。

这里S 代表科学(Science),它是人类试图了解自然界、探究新知识的方法,包括发现问题、提出问题、做出假设、进行实验、现场调查等。E 代表工程(Engineering),它是人类利用科学知识和运用技术去建立问题解决方案的研学旅行方案咨询策划服务学校项目,包括明确任务、初步设计、画图标识、计划步骤、原型试验、修改原型、产品定型等。T 代表技术(Technology),它是人类为了满足自己的需求,或为了解决实际问题而去改变世界的手段,包括选择材料、选择工具、技巧与方法等。M 代表数学(Mathematics),它是人类在解决问题或进行每项科学实践活动研究时所涉及到的对客观世界的描述或运算过程,包括测量数据、数据列表、曲线描述、数学关系描述等。

STEM 教育作为跨学科整合课程的一种方式,它的课程具有如下特点:1.STEM 教育的课程(以下简称“STEM 课程”)强调多种学科知识和方法相结合。主要指综合运用科学、工程、技术和数学知识和方法去解决问题,而不是以某一学科知识体系为中心。2.STEM课程是一门跨学科整合的课程,而不是“科技活动”,包括一系列的教学要素。课程实施过程包括明确的教学主题、教学目标、教学进度、教学策略、学生实践和教学评价等内容。3.STEM 课程的学习主题主要来源于社会、日常生活和学生自身,学习活动多以围绕主题的事实进行观察、探究为主。STEM 课程打破了学科知识之间的壁垒,跨越了学科知识和社会知识的鸿沟。4.STEM 课程以项目学习为基础,其核心是以问题驱动激发学生发现问题需要,强调通过科学探究方法获得隐含在问题背后的知识,强调以工程设计的思想规划学生作品制作方案,以问题解决的方式组织课程内容。5.STEM 课程强调学生在学习过程中采用多种学习方式进行学习,学生通过体验、观察、记录、设计、创造、动手制作、完成作品等一系列活动,使学生能够“做中学”,并能在学习活动中学会综合运用跨学科知识分析并解决复杂的问题。6.STEM 课程以培养学生的自主性、主动性和创造性为目标。它强调要关注学生在学习的全过程中的表现,从而依照其创造性和个性特色检查学习的质量。7.STEM 课程的评价是一种形成性评价。形成性评价是一种过程性评价,是多元评价,而不是与某个“科学参照”标准进行比较的评价。STEM 教育的学习评价是以学生已有的发展基础为评价标准,评价重点在于评价学生的发展层次和发展水平,为此,在STEM 教育课程实施的各个阶段,要收集学生在每一个学习环节具体详细的信息,以检验学生是否能够有效实现学科知识与能力的转化融合,并反思STEM 教育课程设计存在的问题。8.STEM 课程的实施强调团队合作,在团队内协同设计、协同制作、协同测试、协同修改完善学习作品。在团体中分享成果,从而获得创造的成就感。

在推进STEM 课程的实施中,我们认为有几个问题还需要引起注意:1.STEM 教育是对学生进行跨学科素养的培养,而不只是追求创新作品的产生。2.STEM 教育要面向全体学生,而不只是关注少数具有创新能力的学生。3.STEM 教育要面向学生“做中学”的全过程,关注学生在不同学习环节中的表现,而不只是关注其最终作品的水平。4.STEM 教育面向的是自然真实的需要认识的问题,并不一定是创新的问题和创新的成果。

STEM 教育作为跨学科课程整合的一种方式,它的设计与实施是推动教师专业发展的有效途径。课程整合有助于发挥教师的主体作用,教师通过参与STEM 课程的设计与实施、课程资源的整合与开发、结合学校实际状况对现有课程内容进行二次加工和建构以及创造性实施等实践活动,将有助于提升教师的专业素养,推动教师由知识的传递者向学习的促进者转变,由经验型教师向实践活动研究型教师转变,使教师角色实现根本性的转变。因此,深入实践活动研究STEM 课程教学活动的设计与实施,对促进教师专业发展具有重要意义。

 

三、STEM 课程教学活动的设计

 STEM 课程教学活动的设计与实施,必须明确其出发点:1. 基于真实情境的学习主题。2. 以培养科学精神和跨学科方法为目标。3. 以问题驱动并通过科学探究获得知识。4. 以工程设计并通过技术制作展示成果。5. 鼓励协作学习并关注学生学习全过程。6. 通过学习反思和自我评价检验学习效果。

(一)选择STEM 课程学习主题

STEM 教育是跨学科整合课程的一种方式,其课程的学习主题不同于一般的学科教学。STEM 课程学习主题的教学目标应具有多样性,除了学科知识和学科专项技能外,它还注重跨学科知识、跨学科技能的学习及跨学科思维的培养。STEM 课程的学习主题还必须具有实践性,学生需要通过“做中学”来操练相关跨学科技能,以实践为依托将知识技能内化和外化。

STEM 教育强调学生对知识的情境化应用。STEM 项目应该是真实的,是学生可以识别和可理解的,并能产生社会效果的。学生从实践活动研究项目出发,对多种学科知识进行获取、加工、处理、转化、融合,通过综合应用已有知识完成模型制作。

STEM 课程的学习主题可以从多方面去选择:1. 自然现象或问题的实践活动研究。如水资源实践活动研究、植被实践活动研究、能源实践活动研究、环境生命科学实践活动研究等。2. 社会问题的实践活动研究。如社会或研学的历史变迁、研学文化传统、地区风土人情的考察与探讨等。3. 社会实践的实践活动研究。如社会服务活动、社会现象的考察活动、社会公益活动等。4. 科学技术与社会的实践活动研究,个人、群体与制度的实践活动研究等领域。5. 生活学习的实践活动研究。如与学生生活能力、适应能力相关联的实践性学习。总之,这些跨学科课程主题内容要能体现综合性、实践活动研究性、生活性和实践性等基本特征,通过对这些主题内容的学习,学生能够发现问题、学习知识和提升能力。

STEM 课程主题按学习任务划分,可分为多种类型:1. 验证型主题,其学习任务是要对已知定律和现象进行验证,如“东西部地区是否存在时差的验证”,“大城市是否存在热岛效应的验证”。2. 探究型主题,其学习任务是对一些现象进行探究并解释,如“探究太阳能热水器倾斜角度”“探究植物攀树的秘密”“发现身边的历史”等。3. 设计型主题,其学习任务是根据一定的条件,设计符合条件的物品,如设计再生纸、设计喂鸟器、设计环保清洁剂、设计净水系统等。4. 制作型主题,其学习任务是根据一定的科学原理,制作出符合科学原理的物品,如制作量雨器、制作发电机、制作喂料器、制作饲料盒、制作LED 遥控器、制作防盗监察装置等。5. 创新型主题,环绕创新物品的设计和制造而设计的主题。

(二)确定STEM 课程的教学目标

STEM 课程的总体教学目标是综合运用多门学科知识,在真实问题情境中进行探究式学习,从而培养学生的创新能力、实践能力、探索精神、协作意识和科学素养。在遵循总目标的前提下,STEM 课程的教学目标可以分别从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等不同角度描述。学生在教师的引导下,以小组为单位,利用多学科知识和方法,运用多种工具资源进行探索式的学习,通过观察、思考、实践和感悟,掌握分析问题和解决问题的方法,通过真实体验和探索实践,提高学生动手解决问题的兴趣,培养学生勇于探究、主动参与、互帮互助的学习精神和学习目标。例如,有一个STEM 课程《制作雨量器》,其项目教学目标描述如下:“学生通过体验式的学习和探索了解如何观察天气,以及天气数据有哪些用途。通过小实验:制作风向标,让学生学会如何测定风向,按照工程设计过程,学会设计制作雨量器并学会如何进行雨量测量。”这一目标描述就包含有知识和能力、过程和方法、情感态度与价值观等要素。

(三)STEM 课程学习活动的设计

STEM 课程学习活动是学生获取知识、认识客观世界的中介。STEM 课程的学习不是简单地将科学、技术、工程、数学等学科知识组合起来,而是让科学、技术、工程、数学等学科知识通过项目学习活动形成连贯的、有组织的课程结构,学生的认知与学习发生在完成任务和解决问题的过程中。STEM 教育(课程)强调学生不是直接从书本或教师处获得知识,不是让学生掌握孤立、抽象的学科知识,而是把知识还原于真实生活情境,利用合作和多种资源来构建学习环境,通过解决富有挑战性的项目,让学生体验真实的生活,获得社会性成长。

STEM 课程学习活动的设计,就是教师根据教学目标、教学内容、教学情境灵活选择和设计学习活动,让学生通过参与活动进行学习,促进知识的内化,真正提高学生的学习效率,促进学生学习的发生。STEM课程的学习活动包含多个教学环节,不同教学环节和研学旅行方案咨询策划服务学校项目安排上有不同特征,各个教学环节之间有其自身相对固定的活动逻辑步骤和每环节应完成的教学任务。不同环节的活动序列组合自然形成不同的教学模式。我们可以把学习活动内容分解为:1. 课题导入活动。2. 科学探究活动。3. 数学练习活动。4. 工程设计与技术制作活动。5. 学习扩展与联系社会活动。

每一个学习环节,我们需要设计教师指导活动、学生实践活动与学生工作纸、学习资源的支持、器材准备等。

1. 课题导入活动的设计

课题导入的方式有多种,包括:(1) 阅读相关的科普资料。这些科普资料包含与课题相关的术语和概念,也可以提供一些扩展性资料,如介绍项目近年的最新成果。(2) 利用图片、视频,介绍当地与项目相关的真实情境。(3) 到与项目相关的企业、工场、农场或其他活动真实的现场参观。(4) 做简易的小实验等。这些方式的引入,是要为学生创设解决问题的真实课堂情境,实践活动研究的项目是真实的、有现实意义的。在学生进行上述活动之前或之后,教师必须提出思考性问题,激发学生头脑风暴,让学生发现问题,提出问题,最好还让学生把与本项目相关的所见所闻用几个关键词进行归纳概括。

2. 科学探究活动的设计

STEM 项目学习的任务之一就是通过科学探究活动培养学生的科学精神和掌握科学探究的方法。它包含两个主要环节:一是探究问题的提出。可以采用多种方法,例如通过展示情境,激发思考,进入主题,由教师提出问题。让学生阅读资料,观察现象,发现问题,由学生提出问题。在问题提出后,教师要引导学生分析问题,分清主次,思考问题,形成初步假设。二是探究问题的方法。教师要引导学生按照科学的探究方法,有步骤地进行探究,包括:(1) 提出问题,作出假设。(2) 科学实验(或社会调查、现场参观、实际测量)。(3) 观察记录,获得数据,收集资料。(4) 比较数据,分析数据。(5) 显示特征,发现关系,比较差异,形成结论。

3. 数学练习活动的设计

在STEM 课程的学习过程中,会涉及到许多数学知识,例如模型制作的成本核算,学生制作模型都要按比例缩小,这里包含了比例尺、计算等数学知识的应用和数学知识与技能的支持。数学作为STEM 项目实践数据处理和分析的工具,使得工程设计更加严谨、准确。在STEM 活动中科学、技术、工程、数学等学科知识的融合,绝不是知识点的堆叠,而是综合各学科的优势,使科学、技术、工程和数学互为补充和促进,这样的模型制作活动能有效地培养学生综合解决问题的能力,提升学生的科学素养。

在STEM 项目实施中,主要要求学生:(1) 用标准单位进行测量并记录不同类型的数据,使用国际单位制和测量工具对常用数据进行测量,如质量、温度、长度、时间和液体体积等。(2) 利用表格显示数据的关系。(3) 利用图形显示数据的关系。(4) 利用数学公式表达变量的关系。

4. 工程设计与技术制作活动的设计

STEM 课程学习的另一个重要任务就是通过工程设计和技术制作过程,让学生利用简单的工具和材料设计、制作作品。在活动中,学生以制作作品为基点,通过确定制品制作的需求和任务,明确设计选项及其约束条件,制订计划,建造模型,进行测试,在不断地改进与完善工程设计中,制作出自己满意的制品。在工程设计和技术制作过程中,学生用尽可能多的方式进行头脑风暴,寻求解决问题的方法。有效的头脑风暴需要迅速高科技生想法,但并不要求学生进行对错的判断,而是让学生用设计图来解释自己的想法,然后分享交流,优选图示模型。学生选择自己所需材料,并进行成本核算,然后依据设计图制作出作品。

在工程设计和技术制作过程中,要让学生明白,制作模型过程中失败时有发生,要学会测试与改进制品。对制作的原型进行测试,找出造成失败的原因,进而改进与完善自己的工程设计方案。学生经历这一过程,理解工程学中,从提出需求、约束条件到明确问题、设计方案、优选方案、制作产品、产品测试和优化改进等系统性步骤。

工程规划活动的内容包括:(1)需求分析,明确任务。(2)初步设计,画出草图。(3)选择材料。(4)深入设计(画图,表明各部分材料和功能)。(5)制作原型。(6)测试效果,发现问题。(7)修改原型,作品定型。

 5. 学习扩展与联系社会活动的设计

学习扩展与联系社会活动是指学生通过科学探究和工程设计与制作活动之后,对主题内容的相关知识和能力获得认知,STEM 课程需要让学生通过查找信息、访问现场、人物专访的活动,激发学生拓展和加深知识学习的兴趣。例如本文所介绍的案例“温室建造”中,学生通过工程设计与制作完成常规的用泥土栽培的“温室建造”任务之后,进一步让学生思考,如果在没有泥土的环境中,应建造怎样的温室?激发学生通过查找信息获得“水栽培”的知识,创造条件参观“水栽培”的现场,组织学生访问温室设计和管理的农业工程师,让学生再次按工程设计的方法设计一个具有“水栽培”功能的温室,使学生对温室的认知得到拓展和深化。

(四)STEM 课程学习支架的设计

学习支架是一种支持学生有效学习的方式。它针对学生在不同的学习环节(学习活动)过程出现的不同情况给予及时反馈和帮助,指导学生开展独立探索或协作,调动学生参与的主动性,帮助教师在学生问题解决过程中设置关键的控制点,规范学生学习,同时也有利于学生反思、深化所学知识。

学习支架的形式和方法有多种,在STEM 项目学习中,最常用的有活动进程型学习支架,支架提供不同学习环节的进程顺序。有问题研讨型学习支架,支架提供在某一个学习环节中问题提出和开展研讨的活动方式。也有实验探讨型学习支架,支架提供在某一个学习环节中,如实验操作步骤、实验现象观察、实验数据获取等方法。图1 是STEM 教育的活动进程型学习支架,支架用框图表示不同学习环节的顺序。图中的顺序并非固定,可以因学习内容不同有所调整,同一类环节也可重复多次使用。其中不同的环节中也可以包含有实验探讨型学习支架或问题研讨型学习支架。
 

 

(五)STEM 课程学习评价的设计

学习评价设计是STEM 课程的一个重要环节,其目的是检验学习者是否达到课程目标、达成效果如何,以及为改进课程提供依据。STEM 课程的核心目标是培养学生的问题解决能力、协作能力和创新能力三个方面。

由于STEM 课程目标的多元性以及STEM 学习活动的复杂性,STEM 课程的学习评价是将过程性评价和总结性评价相结合,综合运用多种方法进行评价。典型的有观察记录、量规评价、汇报展示等方式。在运用这些具体方法时,应根据课程主题以及课程实施的实际情况选择和开发相应的评价工具。常见的有协作学习评价表、问题解决能力评价量表、STEM 作品评价量规等。

STEM 教育的评价应以过程性评价为主、总结性评价为辅,并采用多元评价对象即教师、社会研学导师学者和学生均参与评价,主要是对学生的创造意识、问题解决能力和创造能力进行评估。过程性评价方面,教师和社会研学导师主要评估学生在学习过程中表现出的STEM 素养、实践能力和探究意识。具体可以采用视频行为采集、过程记录表、实践活动学习行为记录、随堂测试等方式。学生互评主要是对同伴在学习过程中的表现进行评价,比如参与度、积极性等,促使同学之间互相鼓励。学生自评主要是对自己的表现情况进行评价,如利用PMIQ 表对学习情况进行反思(如表1)。总结性评价方面,在教学活动结束之后,教师和学生对学习效果进行检验,看是否达到预期效果。在这里需要强调,评价不是目的,只是一种手段,STEM 教育的真正目的是让学生体验真实情境中探究学习的过程,达到热爱学习、热爱生活的实质目标。
 

 

(六)教学工具与教学资源的准备

 

教学工具与教学资源是开展STEM 项目学习的必要保障。教学工具分为硬件工具和软件工具,硬件工具包括日常五金工具、数字电路板、传感器、3D 打印机等设备;软件工具包括与项目相关的带彩图的文字资料、视频资料、可视化编程工具、概念图工具、可视化图谱、3D 建模工具等。教学资源不仅包括国际旅行社、微视频、导学手册、练习册等,还包括校内教师、校外研学导师等资源。

此外,根据项目的内容,设计学生活动指导材料,包括实验操作指南,社会参观、调查活动指南。设计学生学习工作纸,包括各种学生活动记录表,如测量数据记录,问题思考表述,问题探究过程记录,工程设计表格,制作过程记录,以及学生自主学习反思与评价表格。

 

四、STEM 课程教学研学旅行课题设计案例

下面我们以主题为《建造温室》的课程教学研学旅行课题设计为例,分析其设计过程。

《建造温室》课程的主题是基于寒冷的下雪天还能种蔬菜吗? 我们是否见过温室房子?见过的温室为什么大多是玻璃房?在温室里是怎样种植作物的?等真实情境提出的主题。环绕这个主题,在美国和国内部分学校,分别结合当地的实际情况开展相关主题的STEM 课程教学,积累了经验。

(一)STEM 课程教学目标的描述

STEM 课程的教学目标可以分别从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等不同角度描述。本项目学习目标描述为:“学生通过阅读和探究式学习来区别生物与非生物,通过实验探究种子长大的过程,理解植物生长所需的条件,按照工程设计和技术制作过程,完成一个设计任务,制作温室并进行测试,最后根据测试结果改善设计方案。”
      教学目标可分解成表2 所示:
 

 

(二)STEM 课程学习活动的设计

本课程主题的学习活动共分6 个环节,我们重点对各个活动环节中教师的指导活动和学生的实践活动做出说明。

教学活动1课题导入活动:认识如何在寒冷的环境中种植植物?

教师指导活动:(1) 指导学生阅读附有彩色图画(略)的材料。通过阅读了解温室必须能控制温度、水和光照。温室是由工程师建造的,在建造之前,工程师要先进行规划和设计。(2) 向学生展示本地区的著名温室建筑(如广州市的云台花园里的温室,植物园里的温室等)。(3) 安排学生参观本地温室, 作实地考察, 了解巨大而复杂的温室是如何建造的,让他们详细列出温室内的植物, 了解植物的多样性。(4) 提出思考问题:寒冷的下雪天还能种蔬菜吗? 为什么温室大多是玻璃房?为什么温室必须有通风口?你在哪里见过温室房子?温室的环境满足了植物的哪些需求?

学生实践活动:(1) 学生对教师展示的有根植物的图画,指出植物的主要部分( 根茎、叶、花) 及其功能。认识植物的五种需求( 水、空气、养分、能量, 即阳光,以及生存环境), 然后让学生说出植物的哪些部分分别满足了这些需求。(2) 学生创建个人STEM 词汇表,在学生工作纸“词汇练习”处填写对“农业工程师”“农业”“厘米”“目标”和“需求”等词语含义的理解。(3)两人一组, 设想一座温室, 并把设想画出来。向同学介绍你的温室如何运作。课题导入环节的教师指导活动与学生实践活动过程如图2 所示。

教学活动2科学探究活动。通过小实验,让学生学会科学实验的方法和观察事物的方法。认识生物和非生物,认识植物的生长过程。

教师指导活动:(1) 让学生查找生物和非生物的相关资料,组织小组讨论,请学生列举他们日常见到的事物,并判断这些事物是生物或非生物,将其名称归类填入学生工作纸表格中。(2) 组织并指导学生分组进行实验1:哪个是生物?(3) 让学生查找植物的相关资料,包括名称、类别、生长过程、必需条件等,接着小组个人分别列举各种植物的名称,让学生认识植物种类具有广泛多样性。(4) 组织并指导同学分组进行实验2:种子的生长过程。

学生实践活动:(1) 查找生物与非生物、植物的相关资料。(2) 分别进行实验1 与实验2 并观察记录,解释实验结果。

学生实验1,实验方法:(1) 把三颗种子放在一个装有砂砾的透明塑料碗。注入水至略低于砂砾顶部。(2)每天观察种子,并在学生作业纸上记录每天的观察结果。(3) 解释观察结果:塑料碗中哪个是生物?为什么?

学生实验2,实验方法:(1) 把种子和纸巾放进一个透明密封袋里, 然后把袋口封住, 放在一个温暖的地方。(2) 每隔一天观察种子一次, 并在学生作业纸上记录每天的观察结果。(3) 解释观察结果:种子有什么变化?推测种子接下来还会有什么变化?

科学探究环节的教师指导活动与学生实践活动过程如图3 所示。
 

教学活动3数学测量练习:通过测量掌握利用标准厘米尺测量长度的方法。

教师指导活动:(1) 首先让学生使用非标准单位,如以回纹针、积木或步伐为单位测量长度或距离。先作估算,再进行测量。(2) 让学生用非标准单位估算出所看到的某颗植物的长度并对估算做出近似的描述,如“那棵树大概有3 个人那么高”。(3) 指导学生学习运用标准化测量工具(厘米尺)进行测量。

学生实践活动:(1) 学生运用标准化测量工具(厘米尺)测量自己一根手指的长度,学会从直尺的零刻度开始向右数得出长度数值。(2) 运用厘米尺测量铅笔的长度,测量不同叶片的长度。(3) 以厘米为单位把测量叶片长度的结果记录在学生工作纸上。

教学活动4设计并建造温室活动

教师指导活动:(1) 教师向学生介绍一些背景知识:在古代人们便开始使用温室。温室的功能有多种,有些温室用于种植蔬菜, 使人们能在寒冷的冬天也能吃到不当令的蔬菜, 有些温室则是植物学家的实践活动研究场所。有些温室属于民用机构, 有些则属于中学。在温室里工作的人, 有些是科研人员, 也有些是为花店或园林绿化工程而工作的人。(2) 提出问题,组织小组讨论:①温室是由工程师设计建造的,工程师的工作包括什么?( 设计、规划、建造、制作)。工程师在设计制作每一件东西时, 需要考虑什么问题?(确定功能与用途,挑选材料, 考虑成本等)。②植物生长需要什么条件?(养分、光照、适合的温度、水和空气)③校园活动研学应如何为温室里的植物提供以上条件?(3)按照工程设计和技术制作的基本步骤指导学生规划设计并建造温室。④你打算在你设计的温室里种植什么样的植物?

学生实践活动:学生按表3 列出的各步骤规划设计并建造温室。各步骤分别体现了工程设计与技术制作的基本思想:明确任务(步骤1)—初步设想(步骤2)—需求分析(步骤3-7)—选择材料(步骤8-9)—制作原型(步骤10-11)—原型测试(步骤12-14)—修改原型(步骤15)—产品定型(步骤16)。这一环节是STEM 课程教学活动的核心部分。

在制作原型的环节中,强调必须先计划并画出设计图再动手制作,要让小组中每个学生都能理解计划,统一想法。制作使用的材料包括:筷子、鞋盒、塑料薄膜、胶水、美纹纸胶带、直尺或卷尺、种子、钢丝衣架、厚塑料、泥土、橡皮泥( 每组一条)、铝箔、蜡纸、沙、塑料盆或塑料盘、钢丝钳等。
 

 

在完成制作活动后,组织小组讨论在建造过程中遇到什么困难,怎样克服?必须要向学生说明工程师通常需要进行多次修改,才能使设计达到预期效果。

设计与建造温室环节的教师指导活动与学生实践活动过程如图4 所示。
 

 

教学活动5知识扩展活动

知识扩展活动1利用水栽培方法无土的月球也可以种植作物。

教师指导活动:提出问题,“月球上既没有泥土,也没有空气, 能否种植作物?应该怎样种植作物呢?”引导学生了解到不用泥土也能种植作物,这种不用泥土而用水的种植方法叫做“水培法”。

学生实践活动:设想一个在月球上使用的“水培法”温室,并把设想画出来。

知识扩展活动2进一步认识植物的生命周期。

教师指导活动:(1) 向学生介绍植物的生命周期的知识。(2) 指导学生画出南瓜的生命周期图画。让学生画一个大圆,接着在大圆的不同位置画上代表南瓜生命周期各阶段(南瓜种子发芽──南瓜苗长出叶子──南瓜开花──南瓜成熟,果实里有种子)的图画,然后在各幅图片之间加上箭头,表示“植物的生命周期”。

学生实践活动:(1) 画出南瓜的生命周期图画与过程。(2) 小组学生举出他们熟悉的另一种植物,讨论这种植物的生命周期如何循环,并画出相应的图画。

教学活动6联系社会活动(职业聚焦—农业工程师)

教师指导活动:(1) 向学生介绍农业工程师这一职业的特点和作用,如农业工程师是运用科学知识帮助农民,他们不仅实践活动研究如何使作物长得更健壮、如何提高干旱地区的作物产量, 还设计和制造各种有用的农业机械。有些农业工程师在田间工作, 有些则在实验室里工作。他们的目标都是一致的, 就是要设法用最少的资源获得最多的食物。(2) 组织学生进行社会调查和访问。

学生实践活动:到附近的农业科学实践活动研究所或农技站访问农业工程师,了解他们的农业工作内容和农业实践活动研究工作项目。

(三)学习评估的设计

学习评估活动可以采用“小测验”“能力评估:建造温室过程与结果评估”和“任务评估: 建造无土温室”来评估学生对STEM 各概念和实践能力的掌握情况。学生也可以利用PMIQ 表进行自我反思。

 “小测验检查学生对基本知识的理解情况,也可用作常规测验的练习。

 能力评估:对建造温室的过程和结果进行评估,可以利用表4,让学生进行自我评估,也可以让同学和教师进行评估。比较各方评估结果,从中找出差距。

 

任务评估:通过建造无土温室的任务考察学生的知识和能力扩展水平。

教师提出一项新任务,设计一个无土温室,并提出设计要求。要求学生按照工程设计思想,提交一个具备水培系统的无土温室设计方案和设计图,并给出如何测试这项新设计效能的说明。学生按照要求完成一个具备水培系统的无土温室设计方案和设计图,并给出如何测试这项新设计效能的说明。

STEM 课程的设计与实施在我国刚起步不久,还需要广大一线教师通过教学实践,总结经验,发现规律,形成比较完善的跨学科课程整合的理论和方法,以指导新一轮的课程改革实践。

 

参考文献:

[1][美]美国科学促进会.面向全体美国人的科学[M].北京: 科学普及出版社,2001.

[2] 中华人民共和国研学导师. 基础教育课程改革纲要(试行)[M]. 北京:中华人民共和国研学导师,2001.

[3] 余胜泉, 胡翔.STEM 教育理念与跨学科整合模式[J]. 开放教育实践活动研究,2015,(04):13-22.

[4] 王玲玲. 基于STEM 的小学科学课程设计实践活动研究[D]. 上海 :华东师范中学,2015.