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(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)科、跨領(lǐng)域人才的培養(yǎng)。一般來說，“集成式STEM”教學(xué)基于問題、基于設(shè)計和基于項目學(xué)習(xí)，強調(diào)以學(xué)生為中心、學(xué)習(xí)經(jīng)歷和結(jié)果的開放性，強調(diào)對學(xué)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(xué)中心與美國聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）在哈特福德公立學(xué)校合作開發(fā)，面向全體8年級學(xué)生。單元活動的設(shè)計兼顧康涅狄格州的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、《美國州共同核心英語語言藝術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》《美國州共同核心數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》（CommonCore Stale Standards for Mathematics，CCSSM）和《新一代K-12科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generalion Scienc，eStandards，NGSS）?？茖W(xué)與工程實踐是這一單元課程的重點，要求學(xué)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(xué)科課程，幫助學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)過程中運用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)知識。

本單元的整體教學(xué)思路包括5個方面：一是教師圍繞工程問題為學(xué)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(xué)建造一個有效、負(fù)載最大、符合成本效益的電梯。二是在情境的引導(dǎo)下，學(xué)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(xué)習(xí)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(fù)載等。四是在完成知識和能力學(xué)習(xí)之后，學(xué)生再次回到具體的工程問題中，采用探究與合作的方式進(jìn)行設(shè)計、建構(gòu)、測試、改進(jìn)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(xué)生對完成任務(wù)的情況進(jìn)行交流，并寫一篇有說服力的工程提案。

本單元課程要求學(xué)生設(shè)計并構(gòu)建一個電梯模型，在構(gòu)建模型之前由學(xué)生自己設(shè)計工程流程及細(xì)節(jié)。本單元的核心概念屬于物質(zhì)科學(xué)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(xué)知識。核心概念的學(xué)習(xí)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(biāo)準(zhǔn)》和《美國州共同核心數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》也貫穿于每個活動。這些標(biāo)準(zhǔn)作為語言藝術(shù)和數(shù)學(xué)技能的指導(dǎo)，供學(xué)生完成課程使用。

科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的有機融合

《電梯》單元教學(xué)期望學(xué)生通過系列背景經(jīng)驗活動學(xué)習(xí)特定的物理知識，并能夠綜合運用數(shù)學(xué)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(xué)習(xí)特定的物理知識，同時還運用數(shù)學(xué)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(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)和工程各方面的部分學(xué)習(xí)內(nèi)容，體現(xiàn)了科學(xué)、數(shù)學(xué)、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(xué)與學(xué)習(xí)。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(jìn)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(xué)已經(jīng)通過增加教師和教室的數(shù)量來擴大科學(xué)部門。為了容納新的科學(xué)教師，學(xué)校已經(jīng)增加科學(xué)教學(xué)樓的教室。這所學(xué)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(xué)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(xué)校董事會批準(zhǔn)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(xué)教師的需要，電梯必須能達(dá)到所有樓層，學(xué)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(xué)生思考，并引導(dǎo)學(xué)生將知識轉(zhuǎn)向?qū)嵺`，學(xué)生自己設(shè)計工程流程和細(xì)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(xué)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(xué)習(xí)過程中，學(xué)生在每次探究活動中都能切實感受到知識學(xué)習(xí)與實際任務(wù)解決之間的關(guān)系。

運用多樣性的學(xué)習(xí)方法關(guān)注解決的問題

本單元課程的學(xué)習(xí)以自主探究或小組合作的方式開展，組織學(xué)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(xué)生的探究能力。其中，運用多種方式進(jìn)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(fù)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(xué)生進(jìn)行討論交流和改進(jìn)，讓學(xué)生體會并認(rèn)識技術(shù)在實驗探究中的重要性（見圖1）。

當(dāng)然，實踐調(diào)查部分也很必要，動手實驗?zāi)茏寣W(xué)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(xué)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(xué)生對做功和機械效率的理解（見圖2）。

通過循環(huán)的方式學(xué)習(xí)科學(xué)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(xué)探究活動與工程設(shè)計活動相互嵌套而成，其中科學(xué)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(xué)習(xí)科學(xué)的知識和培養(yǎng)科學(xué)探究的能力。因此，課程在科學(xué)及工程領(lǐng)域的日標(biāo)也是相?；デ短住⑾嗷ゴ龠M(jìn)的。為了在學(xué)習(xí)過程巾學(xué)生始終能了解和達(dá)成綜合目標(biāo)，課程通過循環(huán)的方式學(xué)習(xí)科學(xué)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(biāo)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)生理解工程過程。然后，在“科學(xué)知識建構(gòu)”的學(xué)習(xí)過程中不斷地反復(fù)回顧工程過程，幫助學(xué)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(xué)生理解“科學(xué)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(xué)知識建構(gòu)的活動最后，教師都要求學(xué)生回顧“電梯設(shè)計”的工程問題。因此，學(xué)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(xué)生進(jìn)行真正意義上的探究性學(xué)習(xí)，將科學(xué)知識轉(zhuǎn)化為科學(xué)探究能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的探究和創(chuàng)新思維。

評估貫穿整個教學(xué)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(xué)生共同開發(fā)評估標(biāo)準(zhǔn)，可以增加學(xué)生的參與意識并促進(jìn)學(xué)生積極地進(jìn)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(xué)生工程流程的框架圖，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)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(xué)生進(jìn)行電梯模型的構(gòu)建，同時幫助教師評價學(xué)生的實驗探究活動。

然后，學(xué)生對自己的設(shè)計不斷進(jìn)行修正和優(yōu)化，教師根據(jù)活動前與學(xué)生共同完成的工程流程量規(guī)對學(xué)生記錄的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)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(xué)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(xué)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(xué)生繼續(xù)探究實驗的理解，教師可以重新審視或改進(jìn)自己的課堂設(shè)計，從而保證已設(shè)目標(biāo)能夠完成。

課程的最后是讓學(xué)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(xué)生的語言表達(dá)能力。該工程提案由學(xué)生自己創(chuàng)建，包括設(shè)計圖、細(xì)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(xué)生工程提案的完整性和科學(xué)性。

《電梯》這個案例中，教師將科學(xué)學(xué)科背景知識學(xué)習(xí)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(xué)科教學(xué)更深入的教學(xué)目標(biāo)與教育價值。

由此可見，要培養(yǎng)學(xué)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(xué)生主動參與活動，以達(dá)成STEM教育的最終目標(biāo)。

主要參考文獻(xiàn)：

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