葉兆寧 朱麗娜 楊元魁

“集成式STEM”強調(diào)知識和技能的融會貫通，要求學生學習每個領(lǐng)域的知識和技能，并將這些知識和技能融會貫通到其他領(lǐng)域，或者將一個領(lǐng)域的方法和技能用于解決另一個領(lǐng)域的問題，從而實現(xiàn)跨學科、跨領(lǐng)域人才的培養(yǎng)。一般來說，“集成式STEM”教學基于問題、基于設(shè)計和基于項目學習，強調(diào)以學生為中心、學習經(jīng)歷和結(jié)果的開放性，強調(diào)對學生設(shè)計能力和解決問題能力的培養(yǎng)。

《電梯》這一課程單元由美國康涅狄格州科學中心與美國聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）在哈特福德公立學校合作開發(fā)，面向全體8年級學生。單元活動的設(shè)計兼顧康涅狄格州的科學標準、《美國州共同核心英語語言藝術(shù)標準》《美國州共同核心數(shù)學標準》（CommonCore Stale Standards for Mathematics，CCSSM）和《新一代K-12科學教育標準》（Next Generalion Scienc，eStandards，NGSS）?？茖W與工程實踐是這一單元課程的重點，要求學生設(shè)計自己熟悉的實物模型。這樣的設(shè)計可讓教師更好地協(xié)調(diào)各學科課程，幫助學生在科學學習過程中運用適當?shù)臄?shù)學知識。

本單元的整體教學思路包括5個方面：一是教師圍繞工程問題為學生提供一個真實的生活情境，要求他們?yōu)榧亦l(xiāng)的一所中學建造一個有效、負載最大、符合成本效益的電梯。二是在情境的引導(dǎo)下，學生提出并定義問題。如電梯的類型有哪些，電梯移動的物理原理是什么，需要使用哪些材料等。三是通過一系列背景體驗活動來學習解決這些問題所需要的知識和技能，如什么是動力、能量與力之間的關(guān)系、如何減輕滑輪的負載等。四是在完成知識和能力學習之后，學生再次回到具體的工程問題中，采用探究與合作的方式進行設(shè)計、建構(gòu)、測試、改進等一系列環(huán)節(jié)，完成本單元開始時所提出的任務(wù)。五是學生對完成任務(wù)的情況進行交流，并寫一篇有說服力的工程提案。

本單元課程要求學生設(shè)計并構(gòu)建一個電梯模型，在構(gòu)建模型之前由學生自己設(shè)計工程流程及細節(jié)。本單元的核心概念屬于物質(zhì)科學領(lǐng)域，涉及物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與特點、力與運動、力的相互作用和能量等科學知識。核心概念的學習包括一個預(yù)活動和六個背景經(jīng)驗活動（見表1），其中所應(yīng)用的《美國州共同核心英語語言藝術(shù)標準》和《美國州共同核心數(shù)學標準》也貫穿于每個活動。這些標準作為語言藝術(shù)和數(shù)學技能的指導(dǎo)，供學生完成課程使用。

科學、技術(shù)、工程與數(shù)學的有機融合

《電梯》單元教學期望學生通過系列背景經(jīng)驗活動學習特定的物理知識，并能夠綜合運用數(shù)學知識和計算機模擬操作能力來設(shè)計與構(gòu)建電梯模型，解決現(xiàn)實存在的問題。

在課程內(nèi)容上，每個背景經(jīng)驗活動都與建構(gòu)電梯模型的任務(wù)要求息息相關(guān)，通過實驗探究的方式學習特定的物理知識，同時還運用數(shù)學知識和語言藝術(shù)能力來加強理解。表2列舉了該課程單元在科學、數(shù)學、技術(shù)和工程各方面的部分學習內(nèi)容，體現(xiàn)了科學、數(shù)學、技術(shù)和工程的綜合。

基于真實情境，將知識與實踐相聯(lián)系

本課程單元基于真實情境，強調(diào)以活動為基礎(chǔ)展開教學與學習。有效的“集成式STEM”所設(shè)置的課程組織和硬軟件設(shè)施能夠促進知識向?qū)嵺`過程的轉(zhuǎn)變。在整個活動中，教師創(chuàng)設(shè)真實的工程問題情境：

在你的家鄉(xiāng)有一所中學已經(jīng)通過增加教師和教室的數(shù)量來擴大科學部門。為了容納新的科學教師，學校已經(jīng)增加科學教學樓的教室。這所學校的建筑是舊的，沒有電梯。教師從一樓的儲備室運送他們的科學材料設(shè)備到教室很困難，老師們很抱怨。經(jīng)過再三考慮，校長已請學校董事會批準安裝新的電梯。

雖然已經(jīng)做出決定，但找一般的工程師來設(shè)計一部能滿足建筑獨特局限性的電梯還是很困難。因為建筑很老，在建筑物的內(nèi)部沒有空間建設(shè)一個電梯轎廂。為了滿足科學教師的需要，電梯必須能達到所有樓層，學校董事會設(shè)置預(yù)算在75000美元范圍內(nèi)。

教師提出與生活相關(guān)的問題啟發(fā)學生思考，并引導(dǎo)學生將知識轉(zhuǎn)向?qū)嵺`，學生自己設(shè)計工程流程和細節(jié)，構(gòu)建并不斷改善自己的電梯模型。

每個背景經(jīng)驗活動的設(shè)計都是為了將特定科學知識更好地運用在電梯設(shè)計中。例如，活動1中關(guān)于靜摩擦與動摩擦的探究是因為在設(shè)計電梯時，在兩個提升繩索或電纜和驅(qū)動器之間滑輪的摩擦力是一種非常重要的考慮因素，它會影響到電梯的安全問題；活動2通過計算機模擬滑板運動員在固定滑道上運動的情境探索動能和勢能之間的關(guān)系和特點，并聯(lián)系到電梯運行時動能與勢能的轉(zhuǎn)化過程。與活動1和活動2一樣，所有背景經(jīng)驗活動都與電梯設(shè)計的任務(wù)有直接關(guān)聯(lián)，這使得實踐情境和問題解決始終貫穿于學習過程中，學生在每次探究活動中都能切實感受到知識學習與實際任務(wù)解決之間的關(guān)系。

運用多樣性的學習方法關(guān)注解決的問題

本單元課程的學習以自主探究或小組合作的方式開展，組織學生交流討論，最后以書面或口頭介紹的形式總結(jié)自己的解決方案，關(guān)注并培養(yǎng)學生的探究能力。其中，運用多種方式進行探究，尤其是計算機模擬和實驗探究相結(jié)合的方式。例如，活動4減輕滑輪負載的設(shè)計分為計算機模擬實驗和實踐調(diào)查兩部分。計算機模擬可以更好地操作不同滑輪系統(tǒng)、記錄數(shù)據(jù)并比較結(jié)果，從而節(jié)省出更多的時間供學生進行討論交流和改進，讓學生體會并認識技術(shù)在實驗探究中的重要性（見圖1）。

當然，實踐調(diào)查部分也很必要，動手實驗?zāi)茏寣W生自己定義問題、設(shè)計實驗、完成實驗，并體驗實驗過程中可能遇到的問題。例如，在活動4的實踐中，學生使用自己列舉的實驗材料、自己設(shè)計的實驗裝置和試驗程序等，增加使用彈簧秤的熟練度和計算能力，加深學生對做功和機械效率的理解（見圖2）。

通過循環(huán)的方式學習科學與工程實踐的過程與方法

實際上，整個單元活動的設(shè)計是由科學探究活動與工程設(shè)計活動相互嵌套而成，其中科學探究活動的目的不僅是為了完成設(shè)計需求，而且也為了學習科學的知識和培養(yǎng)科學探究的能力。因此，課程在科學及工程領(lǐng)域的日標也是相?；デ短住⑾嗷ゴ龠M的。為了在學習過程巾學生始終能了解和達成綜合目標，課程通過循環(huán)的方式學習科學與工程的過程與方法，突H體現(xiàn)在工程過程的循環(huán)、設(shè)計問題的循環(huán)兩方面。

一是工程過程岡的循環(huán)。了解工程過程是STEM課程的重要目標，也是學生學習的難點，課程從第一部分“真實情境”到第二部分“提出和定義問題”，并通過探索活動引導(dǎo)學生理解工程過程。然后，在“科學知識建構(gòu)”的學習過程中不斷地反復(fù)回顧工程過程，幫助學生在最后的解決問題時運用工程過程。

二是問題的循環(huán)。為了幫助學生理解“科學知識建構(gòu)”的內(nèi)容與工程問題之間的關(guān)系，課程設(shè)置了工程問題的循環(huán)。在每個科學知識建構(gòu)的活動最后，教師都要求學生回顧“電梯設(shè)計”的工程問題。因此，學生在工程循環(huán)過程中，不斷發(fā)現(xiàn)問題，不斷修復(fù)并提優(yōu)設(shè)計，尋找解決問題的最佳方法。讓學生進行真正意義上的探究性學習，將科學知識轉(zhuǎn)化為科學探究能力，從而培養(yǎng)學生的探究和創(chuàng)新思維。

評估貫穿整個教學過程

本單元采用終結(jié)性評價和形成性評價相結(jié)合的評價方式。首先，教師和學生共同開發(fā)評估標準，可以增加學生的參與意識并促進學生積極地進行自我評價，形成良好的自我效能感。例如，開始設(shè)計挑戰(zhàn)之前由教師提供給學生工程流程的框架圖，在教師的指導(dǎo)下，學生根據(jù)自己的理解設(shè)計《電梯》的工程流程圖（見圖3）和工程流程量規(guī)（見表3），工程流程圖和量規(guī)將指導(dǎo)學生進行電梯模型的構(gòu)建，同時幫助教師評價學生的實驗探究活動。

然后，學生對自己的設(shè)計不斷進行修正和優(yōu)化，教師根據(jù)活動前與學生共同完成的工程流程量規(guī)對學生記錄的實驗數(shù)據(jù)進行檢測，此過程構(gòu)成形成性評價。該評價貫穿在整個探究活動中，有利于學生隨時調(diào)整自己對知識的理解、解決方法和解決方案。教師可以選擇收集學生的工程筆記本來了解他們的個人理解能力，如果發(fā)現(xiàn)使用的表和背景經(jīng)驗知識阻礙了學生繼續(xù)探究實驗的理解，教師可以重新審視或改進自己的課堂設(shè)計，從而保證已設(shè)目標能夠完成。

課程的最后是讓學生寫一篇具有說服力的工程提案并介紹給客戶，這是一種終結(jié)性評價，目的在于提高學生的語言表達能力。該工程提案由學生自己創(chuàng)建，包括設(shè)計圖、細節(jié)、測試數(shù)據(jù)和有說服力的可行性分析。通過工程流程等級量規(guī)可以評估學生工程提案的完整性和科學性。

《電梯》這個案例中，教師將科學學科背景知識學習和解決工程問題嵌套在一起，“集成式STEM”很好地得以體現(xiàn)，使“集成式STEM”找到有效的解決途徑，實現(xiàn)比單一學科教學更深入的教學目標與教育價值。

由此可見，要培養(yǎng)學生的綜合能力，需要有精心組織的課程內(nèi)容，課程的活動之間有著緊密的聯(lián)系，這些聯(lián)系同時也把各領(lǐng)域間的概念鏈接起來，再加上有趣新穎的情境設(shè)計，激發(fā)學生主動參與活動，以達成STEM教育的最終目標。

主要參考文獻：

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