文/朱凱 陳詠梅 李銳 常樹巖

STEM教育創(chuàng)新的實踐探索

文/朱凱 陳詠梅 李銳 常樹巖

近年來，STEM教育受到各界廣泛關(guān)注，特別是日前國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃綱要實施方案》明確提出，在中學(xué)階段要增強(qiáng)學(xué)科間橫向配合，開展跨學(xué)科實踐探究活動。北京八一學(xué)校在三年間進(jìn)行了STEM教育實踐探索，并已逐步建立起圍繞重點項目的系列課程。本文著重介紹了學(xué)校相關(guān)課程的實施步驟、策略及成果，希望能提供給相關(guān)領(lǐng)域同行們一些借鑒，共同思考STEM教育未來的發(fā)展。

課程整合設(shè)計與實施

對于STEM教育，近三年學(xué)校在教師中陸續(xù)開展了多項通識培訓(xùn)、專題培訓(xùn)，并以項目模塊為主導(dǎo)，進(jìn)行實踐教室的新建改建。在課程及活動設(shè)計中也進(jìn)行了一些嘗試。

首先我們分析了STEM教育的核心特征，不難發(fā)現(xiàn)STEM的技術(shù)性、體驗性、設(shè)計性乃至實證性與學(xué)校現(xiàn)有課程體系中的通用技術(shù)課有相似之處；而跨學(xué)科、協(xié)作性、情境性等又符合研究性學(xué)習(xí)的一些特點?；诖?，以通用技術(shù)為切入點，將研究性學(xué)習(xí)與該課程進(jìn)行整合，以項目研究的方式開展通用技術(shù)模塊內(nèi)容的學(xué)習(xí)，開始了第一輪的STEM教學(xué)嘗試。

起初我們把它稱為STEM課，并列出了該課程的管理辦法，從指導(dǎo)思想到課程目標(biāo)；從組織機(jī)構(gòu)到課時安排乃至課程評價、教師職責(zé)都做了詳細(xì)的說明。

我們以通用技術(shù)學(xué)科的選修模塊為載體，開設(shè)了7門課程供學(xué)生選擇。在教學(xué)內(nèi)容上，首先針對學(xué)生進(jìn)行研究方法的通識培訓(xùn)，繼而是基于任務(wù)的模塊基礎(chǔ)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。學(xué)生在掌握核心知識與技能后，在該模塊領(lǐng)域內(nèi)自主選題，以項目研究的方式完成接下來的學(xué)習(xí)。

例如電子控制與單片機(jī)模塊。課程涉及電子技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)及計算機(jī)編程等內(nèi)容，將硬件平臺和軟件程序相結(jié)合，整合物理學(xué)、電路原理、計算機(jī)等跨學(xué)科知識。課程采用開源單片機(jī)硬件平臺Arduino，在便捷高效的集成開發(fā)環(huán)境中編寫代碼，配以多種傳感器組合，實現(xiàn)光聲電、無線控制與探測等多樣化、個性化的電子控制項目方案。

表1 STEM課程模塊內(nèi)容

圖1 電子控制與單片機(jī)模塊的課堂教學(xué)

項目式引領(lǐng)

豐富的選擇、實踐性的任務(wù)，大大調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但在第一輪實踐中我們發(fā)現(xiàn)，開放性選題的輔導(dǎo)對授課教師的要求較高，學(xué)生開題想法好，但結(jié)題成果欠佳。隨著跟進(jìn)的培訓(xùn)和理念提升，我們開始聚焦于選擇并開發(fā)設(shè)計有針對性的，更為恰當(dāng)?shù)腟TEAM教學(xué)項目。師資上學(xué)校采取了校內(nèi)培訓(xùn)與技術(shù)專家外聘相結(jié)合的方式。

我們與清華工業(yè)中心團(tuán)隊合作開設(shè)了3D打印機(jī)制作項目。該項目要求學(xué)生團(tuán)隊設(shè)計制作一臺3D打印機(jī)，通過安裝Android操作系統(tǒng)的手機(jī)完成遙控，打印制作一個以環(huán)保為主題的創(chuàng)意組合作品。3D打印機(jī)項目涉及機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、管理等多個學(xué)科，學(xué)生以團(tuán)隊合作的形式，在做中學(xué)，完成構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作全過程。

學(xué)生學(xué)習(xí)使用solidworks軟件進(jìn)行建模，軟件應(yīng)用與數(shù)學(xué)能力得到鍛煉；打印機(jī)的制作、裝配調(diào)試與結(jié)構(gòu)優(yōu)化充分體現(xiàn)了工程思想；在材料選擇及加工過程中，涉及了大量物理學(xué)、材料學(xué)的相關(guān)知識；而學(xué)生們在數(shù)學(xué)課堂中所學(xué)的公式真實應(yīng)用在滑輪控制及打印頭移動設(shè)計中；跨學(xué)科知識的融合在學(xué)生的設(shè)計原理報告中得以充分體現(xiàn)；成果匯報演講、宣傳海報設(shè)計、記錄短片制作、科普短劇表演等最終結(jié)果的展現(xiàn)，在很大程度上鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊合作，提升了人文素養(yǎng)。

圖2 學(xué)生用自己設(shè)計制作的3D打印機(jī)打印的作品

老師們常說，學(xué)生們常是眼高手低，想得挺好做不出來，但當(dāng)打印成品展現(xiàn)在眼前，看著這生動蘋果果核，試圖拆開這無縫的立體結(jié)構(gòu)時，我們知道，想到做之間的路已經(jīng)打通，“窮理以致其知，反躬以見其實”。

學(xué)生的興趣與潛能都被大大激發(fā)，通過不斷探索，劉哲、王豐翼兩位同學(xué)還設(shè)計制作出3D打印、數(shù)控切割、激光雕刻一體機(jī)。該作品將三個系統(tǒng)共用一個傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，采用箱式結(jié)構(gòu)，使用計算機(jī)運動控制卡G代碼來控制步進(jìn)電機(jī)，帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，從而使電主軸、擠出頭、激光頭在三個方向均可自由移動。這個新產(chǎn)品不僅讓電影中的面具打印機(jī)變成現(xiàn)實，三個系統(tǒng)的融合將成品的逼真效果大大提升。這種概念既節(jié)省了對于傳動裝置、電器系統(tǒng)的需求，又很大程度上節(jié)約了制造成本。該作品獲得全國青年科普實驗作品大賽第一名。

日常教學(xué)與活動設(shè)計體現(xiàn)STEM教育思想

在課程實踐中，面對創(chuàng)新的教學(xué)內(nèi)容，我們經(jīng)常采納師生共同參與培訓(xùn)的策略。學(xué)校三十多位學(xué)科老師也報名參加了3D打印機(jī)的制作項目。理念培訓(xùn)結(jié)合實踐項目，老師們慢慢將STEAM作為一種教學(xué)方法滲透到日常。例如綜合課——火山，3D設(shè)計打印火山模型，通過化學(xué)實驗?zāi)M火山噴發(fā)過程，利用數(shù)學(xué)知識計算火山噴發(fā)影響的面積，充分體現(xiàn)了跨學(xué)科的思想。

“探月任務(wù)”是我?？萍脊?jié)中的一項比賽設(shè)計。參賽隊員要設(shè)計一輛制作通過性好（爬坡、不同摩擦力地面）、有抓取功能、自驅(qū)動、尋址的車輛；設(shè)計制作帶有聲光效果的溫室模型；設(shè)計制作道具并進(jìn)行短劇表演；拍攝一段視頻介紹。這就是STEAM。

表2 STEM課程課時實施方案

圖3 劉哲王豐翼設(shè)計制作的3D打印、數(shù)控切割、激光雕刻一體機(jī)

圖4 綜合課——火山

STEM教育的問題與思考

日前，國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃綱要實施方案》中明確提出：推進(jìn)義務(wù)教育階段的科技教育，增強(qiáng)中學(xué)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等學(xué)科教學(xué)的橫向配合。推進(jìn)高中階段的科技教育，鼓勵普通高中探索開展科學(xué)創(chuàng)新與技術(shù)實踐的跨學(xué)科探究活動。不難看出，從國家層面的政策引導(dǎo)，到社會發(fā)展對科技創(chuàng)新型人才的需要，在中學(xué)開展STEM教育已成為必然。

然而我們在實踐中也發(fā)現(xiàn)很多問題：如何尋找科技素養(yǎng)普及與科技精英培養(yǎng)的平衡點；教師從傳統(tǒng)的單一學(xué)科教學(xué)到跨學(xué)科整合的理念及專業(yè)水平有待提升；適恰的STEM項目資源匱乏；學(xué)生在動手實踐項目上的大量時間精力投入與傳統(tǒng)學(xué)科學(xué)習(xí)間的沖突等。當(dāng)然應(yīng)對這些問題，我們也有一些思考：以學(xué)校特色小衛(wèi)星項目為推進(jìn)重點，在技術(shù)類（通用技術(shù)、信息技術(shù)）學(xué)科中繼續(xù)加大項目開發(fā)，通過外引技術(shù)與校內(nèi)研發(fā)相結(jié)合，設(shè)計固化STEM項目；引入社會資源、高校資源，外聘教師與校內(nèi)教師培訓(xùn)相結(jié)合；建立STEM項目云平臺，豐富課程資源，提供學(xué)生展示空間；將學(xué)校原有科技教育與STEM教育、創(chuàng)客教育做有機(jī)融合;強(qiáng)化總結(jié)與評價；跨校聯(lián)合，共同開發(fā)共享資源等。

對于STEM教學(xué)的探索，我們剛剛起步，教育需要理性的思考與踏實的實踐。什么是一個好的STEM項目，到底如何設(shè)計出一個STEM項目沒有唯一答案，而這種開放性的，需要思考并獨立實踐探知的過程也是STEM所必須的。

STEM教育

STEM代表科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）。加之藝術(shù)（A），組成了STEAM教育。在《2015年地平線報告：K12版》提出，“STEAM學(xué)習(xí)的崛起”將成為“未來一至兩年技術(shù)驅(qū)動K12教育的重要趨勢”。在當(dāng)下，推進(jìn)跨學(xué)科知識融合的STEM教育，在幫助學(xué)生打好扎實的學(xué)科知識基礎(chǔ)的同時，以項目和真實問題為引領(lǐng)，創(chuàng)新性的解決問題，是近年來我們非常關(guān)注的話題。

（本文作者單位為北京市八一學(xué)校）