孫 越 史 藝 詹光奕 相新蕾

(北京市第一〇一中學(xué),北京 100091)

STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)4個英文單詞首字母的縮寫,是這4門學(xué)科有邏輯、有組織地進(jìn)行交叉融合,體現(xiàn)跨學(xué)科思維,提升學(xué)生核心素養(yǎng)的教育理念.面對經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人才競爭的壓力,美國最早提出STEM教育理念,意在培養(yǎng)高科技人才來保持國家競爭力.

近10年,我國對 STEM 教育研究的熱度逐年增加,在引進(jìn)STEM教育的同時,也在研究與實(shí)踐中努力尋找STEM教育的本土化之路.2016年《“十三五”期間教育信息化指導(dǎo)意見》中指出:“有條件的地區(qū)要有效利用信息技術(shù)推進(jìn)眾創(chuàng)空間,跨學(xué)科學(xué)習(xí)(STEAM教育)、創(chuàng)客教育等新教育模式中的應(yīng)用”.同年關(guān)于STEM教育研究呈爆發(fā)式增長,這一年發(fā)表的論文接近300篇.2017年《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式(STEM).同年中國教科院頒布《中國STEM教育白皮書》指出:STEM教育在中國進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段.2018年,為進(jìn)一步發(fā)揮STEM教育在促進(jìn)科技創(chuàng)新和提高國家競爭力中的基礎(chǔ)性和先導(dǎo)作用,中國教科院啟動“中國STEM教育2029創(chuàng)新行動計(jì)劃”,以服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略為宗旨,打造覆蓋全國的STEM教育示范基地,培養(yǎng)國家急需的創(chuàng)新人才和高水平技術(shù)人才.同時中國教科院發(fā)布《中國STEM教育2029行動計(jì)劃》和《STEM教師能力等級標(biāo)準(zhǔn)(試行)》.2019年《關(guān)于新時代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》指出:注重加強(qiáng)跨學(xué)科綜合性教學(xué)(STEM教育).

對于STEM教育的認(rèn)識,首先它是分科的.不僅代表著科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)4門獨(dú)立的學(xué)科領(lǐng)域及其核心知識,也代表著這4科領(lǐng)域的大概念;其次,它又是整合的.美國“項(xiàng)目引路”(Project Lead The Way)機(jī)構(gòu)指出:“STEM教育整合的特點(diǎn)是學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的數(shù)學(xué)和科學(xué)知識來應(yīng)對世界重大挑戰(zhàn)時,他們創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作并解決問題.”再次,從STEM教育的發(fā)展來看,其內(nèi)涵也在不斷地擴(kuò)展延申.例如STEAM、STREAM、STEM+、STEMx等等變式不斷涌現(xiàn),表現(xiàn)出STEM的極大“包容性”.[1]

1 STEM教育的實(shí)施方式

STEM教育的實(shí)施方式有基于問題的學(xué)習(xí)模式(Problem-based Learning),基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式(Project-based Learning)等,其中基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)更為多見.基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)與基于問題的STEM學(xué)習(xí)有很多的相似之處,例如兩者均以建構(gòu)主義理論、情境認(rèn)知理論為基礎(chǔ),通過開放式的問題或者任務(wù),鼓勵學(xué)生通過小組合作交流,利用跨學(xué)科的知識解決問題、完成任務(wù).不同之處在于周期長短不同,基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)用時較長,通常為幾周或幾個月,而基于問題的學(xué)習(xí)多以短期為主,也有長期的;基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)通常是來源于真實(shí)世界的真實(shí)問題,而基于問題的學(xué)習(xí)通常使用個例研究或者是虛擬的情景問題;基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)更強(qiáng)調(diào)以產(chǎn)品或者表演的形式給予展示,而給予問題的學(xué)習(xí)通常是有形或者有計(jì)劃的解決方案,通常用書寫或者報告的形式展示.

通過分析和對比STEM教育的兩種實(shí)施方式,筆者認(rèn)為基于問題的教學(xué)形式能夠更有效地將STEM教育理念融入高中物理課堂．教師充分挖掘物理素材中具有STEM教育價值的教學(xué)內(nèi)容,以邏輯性強(qiáng)、合理且有針對性的問題為主線,充分考慮學(xué)生的最近發(fā)展區(qū),提出既要超出學(xué)生現(xiàn)有的能力水平但是在學(xué)生的努力下要可以順利解決的問題,以跨學(xué)科的形式消除單一學(xué)科的學(xué)習(xí)障礙.這樣不僅能夠加深學(xué)生對某一物理問題的理解,也能夠提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力.[2]

2 基于問題的STEM學(xué)習(xí)案例分析

進(jìn)行過跨學(xué)科案例研發(fā)的教師一定都會有深刻的體會,確定案例主題是非常重要的,也是一個難點(diǎn).所以在案例開發(fā)的過程中,可以由多學(xué)科教師針對某一個領(lǐng)域的知識,以問題為導(dǎo)向,開展跨學(xué)科合作,分別提取出自己學(xué)科的相關(guān)模型及知識點(diǎn),從不同學(xué)科的視角聚焦同一問題,最終將各個學(xué)科的知識點(diǎn)以具有邏輯順序的一系列問題的形式串聯(lián)起來,結(jié)合教學(xué)內(nèi)容開發(fā)出具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)活動.[3]通常,問題的提出多從某一學(xué)科角度出發(fā),在后續(xù)的深入研究其原因、或者開展探究活動時,再引入其他學(xué)科進(jìn)行解決問題,拓寬學(xué)生的橫向思維能力.具體的教學(xué)流程框架如圖1所示.

圖1 基于問題的STEM學(xué)習(xí)教學(xué)框架

2.1 確定主題

科技館里有一件非常有趣的展品叫做“物體上滾”(圖2),言外之意,物體可以在軌道上向上滾動.這個滾動物體不是一般的球體或者圓柱體,而是一個雙錐體.軌道的形狀也很特殊,呈一個大寫的八字,由兩根圓桿組成,一頭高一頭低.高的一端兩桿之間距離大,而低的一端兩桿之間距離小.雖然我們看到的是雙錐體在向上滾,但實(shí)際上錐體的重心是在向下運(yùn)動.這與物體在地球引力的作用下總是以降低重心來趨于穩(wěn)定的規(guī)律是不矛盾的.

圖2 中國科技館“物體上滾”展品

下面就以“物體上滾”實(shí)驗(yàn)為例,詳細(xì)說明基于問題的STEM學(xué)習(xí)如何開展.

2.2 教學(xué)流程框架圖

圖3 教學(xué)流程框架圖

本案例始于一個“物體上滾”的問題情境,這也是整個學(xué)習(xí)過程的主線,教學(xué)流程框架圖如圖3所示,學(xué)生利用物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科知識探索系列問題,達(dá)到對知識的構(gòu)建,分別從物理探究實(shí)驗(yàn)的角度、數(shù)學(xué)理論推理的角度、計(jì)算機(jī)3D建模驗(yàn)證結(jié)論的角度,削弱學(xué)科的邊界,組織學(xué)生開展學(xué)習(xí)活動,提高學(xué)生的問題解決能力.

2.3 教學(xué)流程(表1)

表1

提出問題(教師活動)學(xué)生活動學(xué)科問題4:如何驗(yàn)證你得到的數(shù)量關(guān)系是否正確?活動:改變軌道夾角β,軌道平面與水平面夾角(坡度)γ,是可以直接操作實(shí)現(xiàn)的,改變雙錐體錐角α則需要借助3D打印技術(shù).利用3D設(shè)計(jì)軟件Autodesk 123D Design制作不同錐角的雙錐體實(shí)體,記錄好每一次實(shí)驗(yàn)的α、β、γ,驗(yàn)證數(shù)量關(guān)系的正確性.學(xué)生填寫數(shù)據(jù)表格,驗(yàn)證猜想.αβγtan(α/2)tan(β/2)sinγsinγ( )tan(β/2)·tan(α/2)(填“>”、“<”、“=”)運(yùn)動方向計(jì)算機(jī)技術(shù)+數(shù)學(xué)問題5:你的收獲有哪些?請撰寫成研究報告.撰寫研究報告

3 小結(jié)

STEM教育是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的產(chǎn)物.在基于問題的STEM學(xué)習(xí)過程中,學(xué)生獲得知識的多少,取決于學(xué)生在頭腦中構(gòu)建有關(guān)知識的能力,學(xué)生單純的自我構(gòu)建知識是不可能完整的.通過跨學(xué)科的主題設(shè)計(jì)和結(jié)合認(rèn)知深度等級工具來設(shè)計(jì)的每一個問題,使學(xué)生積極思考并且思考的深度逐步增加,最終完成自我構(gòu)建,促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展.