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STEM教育:基于真实问题情景的跨学科式教育

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第一作者:秦瑾若

作者简介:秦瑾若,陕西师范大学教育学院在读博士,研究方向为新技术与教育、网络与远程教育(bruceqin362@163.com);傅钢善,陕西师范大学教育学院教授,博士生导师,研究方向为教育信息化理论与实践、网络与远程教育(fugsh@snnu.edu.cn)(陕西 西安 710062)。

人大复印:《中小学教育》2017 年 07 期

原发期刊:《中国电化教育》2017 年第 20174 期 第 67-74 页

关键词: STEM教育/ 学习品质/ 跨学科知识/ 真实问题/ STEM Education/ Learning Quality/ Interdisciplinary Knowledge/ Real Problems/

摘要:STEM教育是当今知识经济时代下全新的教育范式,以培养具有善于质疑、勇于实践和敢于创新的学习品质,以及具有跨学科知识素养和解决真实问题能力的人才为根本目标,已经成为了各国教育领域的重要发展战略。文章对STEM教育的基本内涵和价值取向进行了详细的阐述,根据STEM教育的内涵、价值取向和教学理念,探讨了STEM教育在实际教学当中的应用模式。

中图分类号:G434

文献标识码:A

文章编号:1006-9860(2017)04-0067-08

一、STEM教育概述

(一)STEM教育的基本内涵

STEM教育即科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)教育的简写,提倡跨学科教育,使用多学科的思维和知识解决实际问题。STEM教育并不是将科学、技术、工程和数学四类学科简单的叠加,而是使它们彼此之间进行有效融合,组成为一个有机的整体,并以真实问题解决为任务驱动,在实践中应用知识、获得知识,培养学生的问题解决能力、复合思维和创新思维[1]。美国学者Georgette Yakman在此基础上又提出了STEAM教育的概念,即向STEM中加入了A(Art)元素,这里的A不单指的是艺术,还包括美术、人文、历史、哲学、宗教等学科。总之,不论是STEM教育还是STEAM教育,它们在本质上都属于跨学科教育的典型形式,鼓励学生用多学科的知识和视角解决真实问题,提升跨学科思维能力和创造性思维能力。为了更深刻地理解跨学科式教育的思想,这里借鉴由Georgette Yakman提出的STEAM教育模型[2],如图1所示,总共分为五层,最底层是具体课程层,是整个跨学科教育开展的基础,主要是科学、技术、工程、数学等学科所包括的具体课程;第二层是学科层,强调科学、技术、工程等学科之间的联系;第三层是学科融合层,在把科学、技术、工程和数学四门学科互相融合的基础上,渗透艺术类学科;第四层是STEAM层,开展STEAM教育,解决实际问题,培养跨学科思维和创新能力;最顶层是终身融合层,培养跨学科素养,融合各类跨学科知识,灵活应用,成为终身的技能和素养。这五层相互递进,彼此间互相影响,下层的融合是上层开展的基础,上层的开展又会影响下层融合的方式。该模型清晰地说明了跨学科教育的实质,有助于跨学科教育的开展。作为典型的跨学科式教育形式,STEM教育的核心价值在于既保留了每一门学科的特点,又可以使这些学科进行灵活地交叉融合,促进各个学科的发展[3]。从教学目标上看,STEM教育的目标是培养学生的STEM素养,即学生通过在真实项目中的实践,从多个方面对一个科学现象进行探索与思考,提升科学素养、技术素养、工程素养和数学素养,以达到培养学生跨学科多元思维的目标[4]。简言之,STEM教育实质是以培养STEM素养为目标,进行基于真实问题情景下的跨学科式教育。

(二)STEM教育的价值取向

1.多学科交叉融合,实现跨学科式教育

传统教育将知识按具体学科划分,割裂了学科与学科之间、学科与真实世界之间的联系,不能有效培养学生解决现实问题的能力,使学生的学习缺乏真实性和创造性。STEM教育从真实问题出发,以多学科交叉融合的理念为指导,在解决问题的过程中灵活运用科学、技术、工程和数学等学科知识。这种把多学科相融合的教育方式使学习与实际生活密切相关,满足了学生的认知需要,而且通过提供多门学科的方法和视角,提高了学生运用多门学科知识解决真实问题的能力,有利于解决学校课程滞后与学科发展之间的矛盾,增加学生对社会和未来的适应性。在此过程中,一方面,学生根据具体问题灵活选择相应的学科知识;另一方面,学生在解决问题的过程中,进一步加深了对学科知识的理解。STEM教育从多学科的视角来培养学生解决实际问题的能力,提高STEM素养,实现跨学科教育[5]。可以说,跨学科式教学是STEM教育的核心价值取向。

2.基于真实问题情景,回归现实生活

STEM教育注重学生学习与实际生活之间的联系,教育要立足于生活,从真实生活中的问题出发。强调“做中学”“学中做”的教学理念,开展基于真实问题情景下的探索式学习。STEM教育认为知识蕴含在真实的问题情境中,教师为学生创设情景,学生利用多门学科知识积极探索,培养发现、分析和解决问题的能力。真实问题成为贯穿整个学习过程的主线,把核心问题转化为一系列的学习任务,学生通过高投入的实践探索,达到对知识的意义建构和深层次理解。在STEM教育中,上课地点不再是黑板加粉笔、课桌椅子整齐摆放的教室,而是在配有平板电脑、传感器、电路板、单片机、模板、画刷、3D打印机、电线、体感设备等先进科技工具的工作坊中。学生使用先进的学习工具,通过自主、协作和创造性地应用多门学科知识,解决实际问题提高能力。此外,在学习过程中,教师还要为学生创设不同的问题情境,通过在多种情景下的迁移运用,培养了学生发散思维和创新思维,进一步巩固和深化所学知识,达到深度学习的层次。

3.重视学习过程,加强学习体验

学习的实质在于对过程的体验、思考和感悟,而非体现在试卷上的学习结果。STEM教育重视学习过程,强调学生主动、积极参与到学习过程中,使学生通过观察与实际操作来获得真实的学习体验,在学习体验中探究、反思与提高,实现理论知识与实践技能的有效衔接,促进知识的深层次建构。STEM教育通过为学生提供多种真实情景和先进工具,加强学生的学习体验。学生应用科学、技术、工程和数学等多门学科知识,协作和探究式地解决现实问题[6]。在参与和体验学习的过程中,学生不仅获得了结果性知识,更重要的是提高了他们的学习能力,学会从多学科、多视角、多维度来分析和解决问题,收获了蕴含在真实问题情境中的过程性知识,实现了从“学会”到“会学”的质的突破。

4.技术作为支持工具,有效开展学习活动

技术不仅是STEM教育的重要组成要素,也是整个教学得以开展的核心支持工具,无缝融合于学习活动的各个环节中。这里的技术工具不单是指前面提到的3D打印机、电路板、传感器等硬件设备,还包括Scratch可视化编程软件、思维导图等认知工具。认知工具是指帮助学生进行认知处理的计算机技术,即用来发展学生批判性思维和创造性思维的各种软件系统。现对Scratch可视化编程工具做一简单介绍,该工具由麻省理工学院(MIT)开发,旨在提高青少年的编程能力,是目前风靡全球的可视化编程软件。Scratch不仅操作简便,界面大方,学生可以在游戏、活动和创造中提高能力,而且该工具可以连接多种硬件系统,实现“软硬互通”,比如Picoboard传感器、Arduino单片机等硬件平台,把虚拟世界和真实世界联系起来。美国学者Yakman于2011年6月在MIT网站上开设Scratch课程,一经上线就受到学生们的喜爱,据统计,目前该网站上已经有17204968个项目被分享[7]。在STEM教育中,学生在教师的引导下使用技术工具来分析与解决问题,在这个过程中,锻炼了学生的动手实践和探索发现能力,提高技术素养[8]。

总之,STEM教育是一种以真实问题解决为任务驱动、立足学习过程、多技术交叉融合的跨学科式教育,以培

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