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        基于STEM理念的課程對中小學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)
        ——以智能桌面實(shí)驗(yàn)盒學(xué)區(qū)課程為例

        2020-11-18 11:06:28勞浩勛
        教育觀察 2020年35期
        關(guān)鍵詞:學(xué)區(qū)桌面理念

        勞浩勛

        (廣州市八一希望學(xué)校,廣東廣州,510000)

        越秀區(qū)轄內(nèi)的16所中小學(xué)于2016年組成立體學(xué)區(qū),以學(xué)區(qū)內(nèi)資源共享及交流合作為途徑。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),形成學(xué)區(qū)一體化課程開發(fā)機(jī)制,共同建設(shè)體現(xiàn)學(xué)區(qū)特色的學(xué)區(qū)課程,能有效推動教育向優(yōu)質(zhì)、均衡的方向發(fā)展,促進(jìn)教育公平。STEM和創(chuàng)客教育的興起,給技術(shù)學(xué)科特別是信息技術(shù)與通用技術(shù)學(xué)科帶來了新的生命力。課程教學(xué)融入STEM理念,強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生不斷提問、假設(shè)、探究、試錯和總結(jié)的科學(xué)思維能力,給學(xué)生帶來全新的體驗(yàn)。

        一、概念界定

        進(jìn)行智能桌面實(shí)驗(yàn)盒項(xiàng)目中應(yīng)用STEM理念分析之前,有必要對STEM理念、學(xué)區(qū)課程、智能桌面實(shí)驗(yàn)盒、科學(xué)思維進(jìn)行概念界定。

        (一)STEM教育理念

        STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)四門學(xué)科英文首字母的縮寫,學(xué)習(xí)者接受STEM教育有助于更深入地理解數(shù)學(xué)和科學(xué)等內(nèi)容,有助于培養(yǎng)自身在真實(shí)世界中運(yùn)用這些知識來解決跨學(xué)科問題的能力。需要指出的是,STEM素養(yǎng),一方面是上述四種素養(yǎng)的組合,另一方面是需要把學(xué)習(xí)到的各學(xué)科知識融合與整合、拓展與創(chuàng)新,最終轉(zhuǎn)變成有機(jī)整體。STEM教育的課程設(shè)計應(yīng)該使用“整合的課程設(shè)計模式”,旨在培養(yǎng)學(xué)生超越傳統(tǒng)學(xué)科界限,動手解決實(shí)際問題的能力。

        (二)科學(xué)思維

        科學(xué)思維是一種正確、高效、具有可操作性的思維,在科技創(chuàng)新活動中起到核心作用,是創(chuàng)新活動的靈魂??茖W(xué)思維方式強(qiáng)調(diào)的是思維加工處理方式和途徑的科學(xué)性。學(xué)生在開展基于智能桌面實(shí)驗(yàn)盒的設(shè)計制作活動的過程中不斷提問、假設(shè)、探究、試錯和總結(jié),對自身用科學(xué)思維方式思考問題、解決問題有著積極的指導(dǎo)意義。

        (三)智能桌面實(shí)驗(yàn)盒項(xiàng)目

        智能桌面實(shí)驗(yàn)盒項(xiàng)目是技術(shù)學(xué)科的教育載體,STEM和創(chuàng)客教育的技術(shù)套件極為豐富,為智能桌面實(shí)驗(yàn)盒的設(shè)計提供了有力的支撐。廣州市第一中學(xué)、廣州市第三中學(xué)整合ScratchPi、樹莓派等產(chǎn)品,根據(jù)學(xué)習(xí)需求改件、補(bǔ)件,聯(lián)合設(shè)計了智能桌面實(shí)驗(yàn)盒1.0版本(表1)。

        (四)學(xué)區(qū)課程

        學(xué)區(qū)課程是一門特色創(chuàng)新的課程,應(yīng)是介于地方課程與校本課程之間的課程,是能體現(xiàn)學(xué)區(qū)教育思想和課程觀念的課程。它應(yīng)根據(jù)學(xué)區(qū)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)、政治、文化發(fā)展水平和對人才的特定需求,充分利用現(xiàn)有課程資源進(jìn)行開發(fā)、設(shè)計、實(shí)施。其本位一是為了立體學(xué)區(qū),二是在立體學(xué)區(qū)的學(xué)校中,三是基于立體學(xué)區(qū)的所有學(xué)校。越秀區(qū)立體學(xué)區(qū)課程建設(shè)主要是在小學(xué)、初中、高中整個階段幫助學(xué)生進(jìn)行生涯規(guī)劃,將STEM教育理念應(yīng)用到智能桌面實(shí)驗(yàn)盒項(xiàng)目中,是重實(shí)踐的超學(xué)科教育概念創(chuàng)新,使STEM的內(nèi)涵和外延越來越豐富的同時也體現(xiàn)著創(chuàng)新科技、教育和技術(shù)協(xié)同發(fā)展的探索和趨勢。

        表1 智能桌面實(shí)驗(yàn)盒1.0版本

        二、STEM理念在智能桌面實(shí)驗(yàn)盒課程中的應(yīng)用案例

        STEM理念的特點(diǎn)是在建立學(xué)科集成的過程中將學(xué)生思維習(xí)慣由“低階思維”向“高階思維”提升。2019年,筆者觀摩了廣州市少年宮與廣州市名教師工作室聯(lián)合開展的基于STEM理念的智能桌面實(shí)驗(yàn)盒系列公益課堂,在基于活動、項(xiàng)目、問題解決的課堂上發(fā)現(xiàn)了有實(shí)現(xiàn)新課改目標(biāo)的可能性:教師與學(xué)生正在共同經(jīng)歷創(chuàng)造、設(shè)計、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作并解決問題的過程。筆者記錄、歸納、整理了以下優(yōu)點(diǎn)。

        (一)玩轉(zhuǎn)創(chuàng)意編程,提升學(xué)生科學(xué)與技術(shù)素養(yǎng)

        豐富多彩的游戲背后是怎樣的規(guī)則與布局?建構(gòu)一個個神秘的游戲世界需要怎樣的創(chuàng)造力與想象力?在體驗(yàn)課上,陳老師化身為“小小游戲設(shè)計師”,讓學(xué)生自主組合成6個組,每組4人,基于同樣的實(shí)驗(yàn)盒器材、初始程序和多學(xué)科知識錦囊,創(chuàng)造性地在90分鐘內(nèi)合作完成任務(wù),一起設(shè)計出專屬小游戲。這將大大拓展和提升學(xué)生想象的空間。游戲一:學(xué)生要解密打地鼠這款既簡單又充滿樂趣的游戲的制作過程,編寫程序后,用傳感器實(shí)現(xiàn)用編程密語喚醒魔法之錘。游戲二:在浩瀚的宇宙中,一大波蝙蝠突然向宇宙飛船襲來,學(xué)生被迫加入了太空之戰(zhàn)。學(xué)生在完成任務(wù)過程中會不斷遇到新問題,小組設(shè)計與制作的難度不斷加大:怎樣更快打到地鼠?如何精準(zhǔn)打中蝙蝠?需要用到哪些器材?怎樣快速編寫程序?……教師引領(lǐng)學(xué)生逐步應(yīng)用STEM理念了解游戲背后的編程世界,在項(xiàng)目中突破常規(guī)思維,在解決問題的過程中提升學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。

        根據(jù)筆者觀測,在合作過程中,小組成員發(fā)揮各自獨(dú)特作用,每個學(xué)生都專注地設(shè)計、編寫、搭建,思維是高度活躍的。這正是基于STEM理念的智能桌面盒下的理想課堂:既是玩耍,又是學(xué)習(xí)。學(xué)生用ScratchPi制作出自己團(tuán)隊(duì)的專屬游戲,體現(xiàn)了STEM 理念所倡導(dǎo)的學(xué)科集成理念:在問題解決的基礎(chǔ)上進(jìn)行建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作與創(chuàng)造??偨Y(jié)下來,課堂上團(tuán)隊(duì)制作現(xiàn)場具備真實(shí)情境、探究、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、解決問題等要素,也是STEM理念所要達(dá)到的目的,即趣味編程讓學(xué)生的思維活躍起來,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力、想象力和不斷試錯的問題解決能力。

        (二)突出STEM理念的試錯功能,體現(xiàn)科學(xué)性與創(chuàng)新性

        智能桌面實(shí)驗(yàn)盒課程是避開煩瑣的代碼語法也能做出精妙的創(chuàng)意編程的課程。在黃老師的帶領(lǐng)下,學(xué)生迎來創(chuàng)意無處不在的“蘋果大豐收”。在ScratchPi里要體驗(yàn)到“摘蘋果”的樂趣,學(xué)生就要思考如何才能進(jìn)行高效摘取和運(yùn)輸,考慮需要用到的工具。學(xué)生在設(shè)計、制作、展示、闡述的過程中總結(jié)和感悟,分享心得,提煉問題,擬定修改方案,這體現(xiàn)了技術(shù)學(xué)科應(yīng)有的科學(xué)性與創(chuàng)新性。

        李老師為大家介紹了新的硬件工具——傳感器,借助這一裝置,學(xué)生可以創(chuàng)作出更為豐富多彩的互動作品。在現(xiàn)場設(shè)計與制作環(huán)節(jié)中,學(xué)生自主探究,打開程序,安裝驅(qū)動,將傳感器與電腦連接起來。在解決問題的過程中,教師發(fā)揮協(xié)助、指導(dǎo)、監(jiān)督、評價的作用,允許學(xué)生反復(fù)試驗(yàn),鼓勵組員之間相互糾錯,讓學(xué)生設(shè)置接口,添加指令,隨著手在光敏傳感器上移動、遮擋,燈或點(diǎn)亮或熄滅,再試試有什么新發(fā)現(xiàn)。在反饋完善的過程中,學(xué)生明白了“科學(xué)就是一個不斷犯錯,不斷修正,不斷假設(shè),不斷驗(yàn)證的過程”的道理。

        (三)彰顯STEM理念對學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng),評價標(biāo)準(zhǔn)多維度

        在有限的時間里選用實(shí)驗(yàn)盒里的器材完成任務(wù),是對學(xué)生現(xiàn)場創(chuàng)造力的一種考查。在體驗(yàn)課堂現(xiàn)場,學(xué)生與李老師一起研究老鼠晚上才會出來覓食的原因。他們用ScratchPi模擬怕光的老鼠,將光敏傳感器與電腦連接起來,編寫腳本,點(diǎn)擊綠旗后,仔細(xì)觀察舞臺發(fā)現(xiàn):用手遮擋住光敏傳感器,當(dāng)昏暗的時候,“老鼠”便會出來覓食,將手移開,燈光亮的時候,“老鼠”就被嚇跑了。在完成任務(wù)的構(gòu)思與制作過程中,學(xué)生的綜合能力、分析能力與實(shí)踐能力都將得到激發(fā)與展示,學(xué)生將成為一個全面發(fā)展的完整的人。

        為了使課堂評價具有可實(shí)施性,有說服力,在參考其他STEM科技項(xiàng)目規(guī)則及評分標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,筆者采納了13位課程實(shí)施教師的建議,整合設(shè)計了三個有梯度的評價標(biāo)準(zhǔn),多維度對學(xué)生進(jìn)行評價,詳見表2。清晰可量化,每一個梯度的上升也是對學(xué)生綜合能力的一次肯定。

        表2 中小學(xué)智能桌面實(shí)驗(yàn)盒學(xué)區(qū)課程課堂評價標(biāo)準(zhǔn)

        三、體現(xiàn)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的智能桌面實(shí)驗(yàn)盒課程

        STEM理念注重打破學(xué)科界限,建立學(xué)科集成理念。這與核心素養(yǎng)的“跨領(lǐng)域性”強(qiáng)調(diào)其連接學(xué)科知識與生活世界(真實(shí)情境)的“可連接性”是不謀而合的。鑒于此,筆者梳理了智能桌面實(shí)驗(yàn)盒課程中體現(xiàn)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的精髓。

        (一)彰顯人文底蘊(yùn),提升科學(xué)精神

        STEM理念以“智能桌面實(shí)驗(yàn)盒”作為教育載體,融入中外兒童故事和游戲,這是對人文積淀與情懷的一種喚醒與傳承。筆者發(fā)現(xiàn),學(xué)生在編程與制作的過程中,或多或少會對自己設(shè)計的作品賦予特殊的含義,有對傳統(tǒng)文化的理解,有對自己未來職業(yè)的向往……這正是學(xué)生人文底蘊(yùn)核心素養(yǎng)的顯性表現(xiàn)。

        勇于探究、批判質(zhì)疑、理性思維的科學(xué)精神核心素養(yǎng)在基于STEM理念的智能桌面實(shí)驗(yàn)盒體驗(yàn)課中也得到了很好的體現(xiàn)?!昂Q蟮纳钐?,兇惡的鯊魚要把海底所有的小魚都吃掉……”跟著陳老師的腳步,學(xué)生一起走進(jìn)“海洋”。怎么拯救小魚?怎么保護(hù)生態(tài)環(huán)境?怎么把生活語言轉(zhuǎn)換成計算機(jī)語言?對這些問題的解答,學(xué)生需要綜合跨學(xué)科的知識與技能,運(yùn)用理性思維進(jìn)行批判質(zhì)疑,嘗試個性化的創(chuàng)新。

        (二)真正學(xué)會學(xué)習(xí),進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新

        體驗(yàn)課堂體現(xiàn)STEM理念,強(qiáng)調(diào)問題的真實(shí)性,倡導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立完成每個項(xiàng)目,學(xué)生在項(xiàng)目完成過程中提升對信息的篩選能力,從網(wǎng)絡(luò)或其他渠道獲取有用的資源,更便捷地完成設(shè)計與制作,以達(dá)到理想的狀態(tài)。在體驗(yàn)課中,陳老師念起“嘛哩嘛哩哄”的咒語,學(xué)生就想到選用哪個傳感器才能產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流,實(shí)現(xiàn)吹走前方障礙物的風(fēng)之魔法目的。謝老師提出有些生活噪聲是無法忍受的。在制作創(chuàng)意噪聲監(jiān)測儀的過程中,學(xué)生通過循環(huán)往復(fù)的試驗(yàn)與改進(jìn)措施,不斷提高檢測儀的性能,達(dá)到準(zhǔn)確、便捷地用波形圖檢測聲音大小的目標(biāo)。基于STEM理念的評價側(cè)重考查的是定義不良情況下學(xué)生的反應(yīng),即實(shí)踐創(chuàng)新能力。這是對以往應(yīng)試教育下定義優(yōu)良問題解決的一次改進(jìn),與學(xué)生發(fā)展所倡導(dǎo)的實(shí)踐創(chuàng)新核心素養(yǎng)理念一致。

        (三)構(gòu)建應(yīng)用智能桌面實(shí)驗(yàn)盒的教學(xué)流程

        智能桌面實(shí)驗(yàn)盒課程參照“生活即教育”的理念,教學(xué)方法是“教學(xué)情境化、知識生活化、創(chuàng)作體驗(yàn)化”。筆者所在團(tuán)隊(duì)在基于STEM理念的體驗(yàn)課實(shí)踐中,總結(jié)出“1+1”雙師導(dǎo)學(xué)課內(nèi)翻轉(zhuǎn)的有效教學(xué)流程。(圖1)

        圖1 智能桌面實(shí)驗(yàn)盒體驗(yàn)課(主教+助教)教學(xué)流程

        四、結(jié)語

        廣州市實(shí)施科技教育提升工程的建設(shè)需要更多STEM教育試點(diǎn)課程提供基礎(chǔ)支撐。作為一個融合STEM理念,創(chuàng)新與實(shí)踐并重的課程,考查學(xué)生在課堂活動中思維開發(fā)的過程將是重點(diǎn)。學(xué)生享受科學(xué)探索的過程,是發(fā)現(xiàn)自己隱性優(yōu)點(diǎn)的過程,也是展示自己領(lǐng)導(dǎo)力、計劃力、學(xué)習(xí)力、創(chuàng)新力與綜合素養(yǎng)的過程。因此,如何依據(jù)學(xué)區(qū)平臺,開發(fā)學(xué)區(qū)課程,以STEM跨學(xué)科知識融合的教育理念,研究構(gòu)建和開發(fā)具有跨學(xué)科性、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、設(shè)計性的全學(xué)段拓展性課程體系,以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問題解決的方式推進(jìn)實(shí)施科技教育提升工程是非常有價值的。

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