韓瑩瑩 朱赫宇 賈曉陽
STEM(Science,Technology,Engineering,Mathematics)教育的理念可追溯到20世紀80年代的美國,它強調(diào)多學科的交叉融合,注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和實踐能力。21世紀初,STEM教育成為美國國家教育戰(zhàn)略,其代表性標志是2009年美國總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動的“教育創(chuàng)新”運動和美國2013年發(fā)布的《新一代科學教育標準》。[1]近年來,STEM教育理念在中國乃至亞洲迅速崛起,在世界范圍內(nèi)也是教育發(fā)展的熱點。
《新一代科學教育標準》強調(diào)三個要素:“實踐”“跨學科概念”和“學科核心概念”,亦稱為科學教育的“3個維度”。有美國學者認為“3個維度”也適用于STEM教育,指出“在每一個學科中,這些維度都緊密聯(lián)系在一起,每一個維度的缺失都將影響整個學科。也就是說,為了讓學習活動能夠真實,3個維度的內(nèi)容都必須清楚明白地體現(xiàn)在活動設計中”。[2]
STEM教育中的“實踐”特指“8種科學與工程的實踐”,這是科學學習的基礎,其宗旨在于通過實踐活動,檢驗學生所學知識,促使學生將知識用于解決實際問題,進而提高科學實踐和創(chuàng)新能力。[3]
STEM教育中的“跨學科”,不僅僅是“跨學科”的知識與技能,還包括“跨學科概念”。筆者將前者稱為對STEM教育的第一層次理解:解決現(xiàn)實問題根本不會在孤立的領域內(nèi)開展,而是在STEM領域的交疊處進行,即跨學科的知識與技能。關(guān)于STEM有個簡單而形象的比喻:如果能夠把科學、技術(shù)、工程和數(shù)學想象為人體的不同部位,那么科學是肌肉骨骼系統(tǒng),工程是大腦,技術(shù)是手,數(shù)學是心臟和血液。這些分離的學科之間事實上有很緊密的關(guān)系。
第二層次的理解即跨學科概念,關(guān)于跨學科概念,Hubert Duasi和Derek Bel對其解釋是:“有一些概念在所有STEM各學科中都會出現(xiàn),甚至出現(xiàn)在其他學科中……不論是科學家、工程師、技術(shù)專家,還是數(shù)學家,這些跨學科概念在看待世界上各種現(xiàn)象時可作為有力且全面的框架。因為它們超越了不同STEM學科之間的邊界,它們也被稱為統(tǒng)一的概念?!盵2]從美國《K-12科學教育框架》所列的“跨學科概念”內(nèi)容看(見表1),它含有某些適用于各個學科甚至社會生活、個人發(fā)展的科學的認識論、方法論和價值觀(即科學方法、科學思想和科學精神)的內(nèi)容,并且它們是通過“實踐”獲得的“直接經(jīng)驗”。
表1 科學、工程、技術(shù)領域中的跨學科概念[2]
“學科核心概念”是聚焦在各門學科內(nèi)的核心主題,為學生理解復雜的“跨學科概念”和解決問題提供工具與支持,一般涉及物質(zhì)、生命、地球與空間科學、工程、技術(shù)和科學運用。跨學科概念和學科核心概念的學習是相互聯(lián)系的,是需要通過多次反復學習逐步深化的。[2][4]
由此可見,STEM教育強調(diào)以“學科核心概念”和“跨學科概念”為主線的科學研究和工程實踐,最終目標是提高國民科學、技術(shù)、工程和數(shù)學綜合素養(yǎng)和解決問題的能力。
基于項目的學習(Project Based Learning,縮寫為PBL)是將分散的學科領域進行融合,以便應對具有挑戰(zhàn)性的課題的學習方式。這一方式強調(diào)長期的、跨學科的、以學生為中心的學習活動,利用問題驅(qū)使學生理解學科核心概念,與STEM教育3個維度中的“科學與工程實踐”相吻合。
為了完整、準確地理解STEM教育的基本特征,有文章將STEM教育歸納為“基于科學與工程實踐的跨學科探究式學習”。[5]對此,筆者深以為然,并認為基于項目的學習本身就是探究式學習的教學方法之一,是通過“實踐”的過程設計完成項目和探索解決問題,從中獲得知識和技能(“直接經(jīng)驗”)的教學法。
當代科學教育的目標已不局限于知識與技能了,而是追求更高層次的“過程與方法”“情感態(tài)度價值觀”,這正是STEM教育中強調(diào)的第三個維度“跨學科概念”,即科學的認識論、方法論和價值觀。PBL創(chuàng)造了“現(xiàn)象/任務/問題→判斷/假說/設計→驗證→發(fā)現(xiàn)/結(jié)論/實施方案”的過程,并通過這一過程使學生從實踐中體驗、領悟、掌握這些抽象的認識論、方法論和價值觀,與灌輸式教學和“偽探究”有著本質(zhì)的不同。因此,PBL既匹配了STEM教育的“3個維度”,也是實現(xiàn)當代科學教育高層次目標的有效教學方法。
科技館的英文表述science and technology museum直譯為科學技術(shù)博物館,在我國則特指那些相當于國際上的“科學中心”(science center)或以科學中心展示教育方式為主的科技博物館。[6]2013年,中國科學技術(shù)館研究員王恒等人提出:科技館教育的基本特征是“通過模擬再現(xiàn)的科技實踐,為觀眾營造探究式學習的情境,從而使其獲得直接經(jīng)驗”。[7]
科技館展品多以科學家進行科學研究、科學考察、技術(shù)發(fā)明的實驗裝置或?qū)ο鬄樵?,操作體驗展品不僅可以再現(xiàn)科學家通過“探究”獲得“直接經(jīng)驗”的“實踐”過程,還能夠體驗到其背后隱含的科學方法、科學思想和科學精神。這些信息,均可通過展示和教育活動傳遞給觀眾。因此,科技館的展品及基于展品的教育活動,不僅為觀眾提供了通過“實踐”和“探究”獲得科技知識“直接經(jīng)驗”的條件,同時也為觀眾了解掌握“跨學科概念”提供了便利。[5]這也是長春中國光學科學技術(shù)館(以下簡稱“光學館”)開展科普教育活動的開發(fā)思路之一。
上述科技館中的實踐條件和信息載體是其他教育機構(gòu)所不具備的,因此利用科技館展品開展教育活動與STEM教育的基本特征相吻合,而且具有天然的資源優(yōu)勢。[5]二者相得益彰,使科技館教育本應具有的功能得以充分實現(xiàn),成為提升科技館教育效果的突破口。
光學館教育活動的模式是由科技館教育的目的決定的,而教學過程則是基于學生解決問題的方式和對新知識的掌握程度確定的。教育活動期望獲得穩(wěn)定的教學質(zhì)量、對館內(nèi)科普資源的優(yōu)化配置和利用,以及活動面對不同類型受眾的更大適用性。筆者總結(jié)了幾點運用PBL教學法設計STEM教育活動的原則,作為教育活動設計的基礎。下面為了便于討論將各項原則分開列出,但在實踐中它們是融為一體的。
首先,活動提出的問題應與學生已有的相關(guān)知識聯(lián)系起來,為學生提供回答問題的機會,使學生不至于產(chǎn)生挫敗感;另外,要與學生已有的認知結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有效互動。著名發(fā)展心理學家讓·皮亞杰提出的認知發(fā)展理論中提到:人的認識發(fā)展,不僅表現(xiàn)在知識的增長上,更表現(xiàn)在認知結(jié)構(gòu)的完善和發(fā)展上。個體會同化和順應新鮮刺激以便發(fā)展和豐富已有圖式,認識永遠是外物同化于內(nèi)部圖式、內(nèi)部圖式順應于外物這兩個對立統(tǒng)一過程的產(chǎn)物。[8]實踐時,我們可以參考最近發(fā)展區(qū)理論并綜合以上原則設計教育活動的情境。
其次,堅持思維可視化??梢岳眉舛丝萍?,如電腦動畫演示、建模制作項目、動態(tài)描寫和科學信息顯示,給學生提供多種表達方式,讓學生能夠看到科學思維過程,促進學生發(fā)展自身的科學思維;輔導教師應該對學生的前概念進行全面的認識和理解,為學生搭建良好的“腳手架”,給學生提供清晰觀察自己的學習機會,鼓勵學習過程中的反思。
最后,要引導學生之間的社交互動。基于項目的學習是一種合作性的學習方式,小組內(nèi)的互動幫助學生培養(yǎng)團隊工作技能和有效的溝通技能,這些技能對于他們步入社會、踏上工作崗位都是必備的。小組討論時,鼓勵學生的批判性思維與合作精神,可以自由表達自己的觀點,也可以批判對方的觀點。鼓勵學生有意識地進行反思,整合他人的觀點,認真做出自己的貢獻。學生學習設置個人目標,從他人那里得到反饋,并據(jù)此調(diào)整行為及評估自己的觀點,這就是自主學習和終身學習。
STEM項目學習是以小組的形式共同解決現(xiàn)實生活中的真實任務,解決途徑不需要趨同,事實上有多種可能。教師對真實任務給予限制,使學生掌握目標、明確標準,在自主探究的過程中獲得知識,完成任務,同時培養(yǎng)學生的批判性思維和團隊協(xié)作能力?;陧椖康膶W習的實施步驟分為:選定項目、制定計劃、活動探究、作品制作、成果交流、活動評價六個基本步驟(見圖1)。[9]這個過程的本質(zhì)是迭代的,是閉環(huán)的,另外,在解決現(xiàn)實生活中的問題時,也不會在這些步驟中線性地工作,而是在明確最后設計方案之前,在不同步驟之間轉(zhuǎn)換。
圖1 基于項目的學習(PBL)實施步驟
筆者將基于項目的學習的6個實施步驟與8種科學與工程實踐進行了對比分析(見圖2),從中可以看出相互之間的某些對應關(guān)系,雖不完全對應,但流程基本吻合,可見在STEM教育活動中引入PBL教學法是合理的。下面就按照PBL教學法的6個標準流程,以光學館開展的科普教育活動為例,闡述如何運用PBL教學法開展STEM教育活動。
強動機的引入對于項目順利開展的重要性不言而喻,除了激活先前的知識和形成興趣以外,更需要從概念方面讓學生做好準備,思考活動涉及的科學“大概念”。教師需利用視覺元素融合各種各樣的情態(tài)向?qū)W生提供一些有關(guān)主題或內(nèi)容的背景信息。本案例中,讓學生自主參觀光學館第六展廳“光彩世界”中的“精彩光生活”展區(qū),了解光學技術(shù)在現(xiàn)代生活中的應用,之后為學生播放精心準備的關(guān)于能源緊缺和環(huán)境惡化的視頻短片,通過現(xiàn)實生活中的背景故事讓學生對將要完成的任務有一個初步的認知。給予學生的任務,應兼具挑戰(zhàn)性和可行性;而對于學生來說,解決現(xiàn)實生活中的問題顯然是一項極具吸引力和啟發(fā)性的任務和挑戰(zhàn)。最后,教師向?qū)W生們展示一份包含明確設計目標、制約因素和項目設計標準的摘要(見表2)。其中的制約因素包括時間、團隊和資源等;設計標準是指最后成品應具備的特征,如外形美觀、節(jié)能高效等,而不是整體教學項目的評價標準。
圖2 PBL教學法標準流程與8種科學與工程實踐的對應關(guān)系
表2 光電小家居的設計標準和制約因素
設計標準制約因素? 使用安全? 可調(diào)節(jié)? 可靠性(月故障率為零)? 經(jīng)久耐用(保證正常使用1年)? 視覺上美觀? 時間:必須在30天內(nèi)完成模型制圖? 項目團隊:必須3個人一起工作來完成項目? 檔案:會議記錄、草圖、計算和筆記必須有記載,并標明日期? 成本:控制在1000元及以下? 材料:環(huán)保
制定計劃包括時間安排和活動計劃。時間安排指學生對完成項目所需的時間做一個總體規(guī)劃,即詳細的時間流程安排。活動計劃是指對基于項目的學習中所涉及的活動預先進行計劃,如請教哪些專家,人員的具體分工,通過哪些途徑獲取資料等。[9]
在整個STEM項目學習過程中,有效管理時間對于學生來說是比較困難的一件事,教師可以對進度提供頻繁且清晰的反饋;對于長期項目,學生可能還沒有體驗到成就感就失去了動力,教師可協(xié)助其將長期任務拆分為小任務,在一次次的小成功中獲取持續(xù)動力。
這一階段是整個STEM項目課程實施的主體,包括調(diào)查研究和形成概念。
1. 調(diào)查研究
調(diào)查研究為形成設計觀點并對設計進行批判性分析提供了必要的信息,是決定產(chǎn)品成敗的決定性因素。工程師最常用的工作方式就是在設計之前對主題進行調(diào)查,例如有沒有已經(jīng)做過的工作,避免重復勞動;對任務進行分析,明確步驟,以及對相關(guān)法律、法規(guī)的調(diào)查。如今,學生可以借助網(wǎng)絡方便快捷地獲得信息,從原來過度強調(diào)記憶信息的狀態(tài),轉(zhuǎn)移到學會獲得有效信息并根據(jù)自己的觀察分析來創(chuàng)造新信息,這就使學生分析概念和應用概念的能力變得非常重要。
調(diào)查研究是教師為學生完成任務而搭建腳手架非常關(guān)鍵的一步。教師必須尋找每一個機會提供智力挑戰(zhàn)并應用具體的教學策略,促進學生的高階思維的發(fā)展。學生必須充分理解目標產(chǎn)品的相關(guān)理論和所需材料的特性,例如學生想利用太陽光制作太陽能臺燈,首先要懂得什么是光電效應,繼而確定所選材料應該是較容易產(chǎn)生光電效應的金屬或半導體材料。這其中還要考慮經(jīng)費的問題。如果教師發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學生對知識內(nèi)容的理解并不令人滿意,那么應該停下來,給予協(xié)助。資源應該在學生能夠接觸到的環(huán)境內(nèi)提供,因為并不是所有學生都有條件使用互聯(lián)網(wǎng)或者有成人的幫助。
2. 形成概念
創(chuàng)新性是這個過程的核心。這時需要輔導教師為學生提供創(chuàng)造性練習或者趣味活動,幫助學生放松大腦,鼓勵他們在常見的思維框架以外思考,這就是進行頭腦風暴的過程。學生們不用關(guān)注新點子是否完美、是否具有可行性,只需要把想到的全部記錄下來。經(jīng)歷這個過程后,學生最終得到的觀點經(jīng)常是所有想法的混合,有時候那些看起來不可能的觀點卻有可能在優(yōu)化后成為最好的觀點。事實證明,學生們的想象力很強。在這個過程中,教師可以適時地引導,但一定不能給學生列出具體的步驟讓他們來跟隨,最好提出開放式的問題,這是很重要的一點。
作品的制作方案即項目的解決方案。要想識別出一個問題的最佳解決方案,要求學生對備選方案進行細心而客觀的評價,要求學生考慮那些經(jīng)常頻繁地相互沖突的多項目標、評估標準和制約因素。不是提出單一的正確答案,而是在幾個可能的方案中識別出最好的方案,這是頗具挑戰(zhàn)性的一件事。例如,明確太陽能臺燈等光電家居的最低級別工作效能要求,必須在至少一年內(nèi)不出任何故障地正常運行,同時又要考慮經(jīng)費對材料的制約。分析出最佳解決方案后,開始嘗試著構(gòu)建一個完整的模型或者原型。
學生會基于測試的結(jié)果優(yōu)化他們的設計方案。這個過程需確保學生就自己的觀察作具體詳實的筆記,包括預測、測試的條件、測試過程和結(jié)果。例如,利用能量轉(zhuǎn)換原理設計腳踏車給家用照明發(fā)電,學生應該測試他們所設計的作品在可行性方面的設想,比較自己的預測和測試結(jié)果,進行批判性思考,識別出改善設計的新信息。之后,回到起點來修改內(nèi)容并開展頭腦風暴,建立新的模型,重新測試、優(yōu)化。在最終結(jié)果確定之前,這個優(yōu)化過程是不斷循環(huán)的,但是時間和經(jīng)費制約著這一優(yōu)化過程可能達到的效果。
這一過程需要鼓勵學生重新審視前面的步驟。起初,學生可能會把它視為設計過程的回頭路,甚至認為這是失敗的設計,教師需非常清晰而有意識地強化一個概念,那就是設計過程是迭代的,并非是完全線性的過程。
工程設計需要有效的溝通,尤其在團隊合作過程中,需要依據(jù)個體間實力強弱的不同分配工作任務,需要有效的確認和交接過程。這些環(huán)節(jié)能夠培養(yǎng)每位成員解釋自己設計的技能,而且是用大家都能聽懂的語言清楚地解釋。鼓勵學生使用插圖、圖形、圖表或其他視覺輔助方式把困難的概念與團隊溝通。每個人喜好不同,溝通形式可多種多樣。如果設計的是物質(zhì)產(chǎn)品,有必要將詳細的尺寸和量度單位標注清楚,避免混淆。
優(yōu)質(zhì)的項目學習活動應提供收尾總結(jié)、述職或反思的機會。自己為整個項目的完成貢獻了什么、學到了什么、有哪些問題需要反思、存在哪些后續(xù)問題,都可以在收尾環(huán)節(jié)進行總結(jié)。
發(fā)現(xiàn)式或者解決問題式的學習方式,是讓學生做好準備完成那些未知工作的最好辦法。進入21世紀后,技術(shù)和問題都在以前所未有的速度變化,學生必須具備發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。工程領域的項目本質(zhì)上比較復雜,且跨學科較多,設計過程鼓勵創(chuàng)造性,同時也提供了解決問題的結(jié)構(gòu)框架。此類項目通過調(diào)整評估標準、限制條件和整體持續(xù)時間,可以適應不同人群不同階段的不同要求,讓學生在恰當?shù)姆秶鷥?nèi)學習,從自己的錯誤中學習。此外,項目強調(diào)團隊協(xié)作,不論將來的職業(yè)規(guī)劃如何,這一點對于所有學生都是非常重要的。
STEM教育有關(guān)評價的嶄新視角要求教師和學生改變自己對評價的原有觀點,即評價重點由終結(jié)性評價轉(zhuǎn)變?yōu)樾纬尚栽u價,給學生提供定期的反饋來調(diào)節(jié)學生的學習過程,是一種批判性評價,關(guān)注的是擁有知識而不是測試結(jié)果。如果項目的目標是手工制品,那么最終作品便是學生所學知識的總結(jié),是一幅關(guān)于所學內(nèi)容豐富而完整的圖景。[10]
評價環(huán)節(jié)中推薦以下策略:策略之一是同伴評價,能讓教師洞察小組智慧中的個人貢獻。策略之二是反思,能鼓勵個人的責任感,有策略地使用反思,可以使學生對項目的改進做出回應。策略之三是讓學生融入評價過程,能夠?qū)崿F(xiàn)兩個層面的自我調(diào)控:①當學生共同參與評價時,會樹立主人翁意識并清楚理解該評價什么、怎么評價,對評價規(guī)則的深入理解可以引導學生實施自我調(diào)控,使學習活動達到評價標準的目標;②通過自我評價和同伴評價,能收集到其他同伴學習方面的信息,從而了解到自己的強項和弱項,并根據(jù)自身情況做出調(diào)整。
評價過程中,教師不必預先決定評價方法的每個方面,隨著學習環(huán)境的改變可選擇與其匹配的評價方法。例如,相同的評價方法會因為針對小組或個人而有所不同,所以教師可以根據(jù)學習情況而調(diào)整評估方法。
STEM項目課堂的優(yōu)勢顯而易見(見表3),和所有其他教學方法一樣,STEM項目課堂也有一些局限。但凡事都具有兩面性,分析其局限性的同時筆者也受到了幾點啟發(fā):
表3 傳統(tǒng)課堂和STEM項目課堂的比較
普通課堂時間短較易把控,而STEM項目課堂時間長且難把控;對于一線教師,并非都認為有足夠的時間來開發(fā)和實踐跨學科的項目課程,安排共同的時間集體備課更是頗具挑戰(zhàn)性的一件事。相比之下,科技館、博物館等社會機構(gòu)具有更豐富的教育資源,館校合作等教育模式應運而生。[11,12]
在STEM項目課堂中,學生不是坐在指定位置的,而是不停地來回走動。另外,并不是所有的教師都能習慣不遵從教科書教學這種情況。筆者認為,基于項目的STEM教育興起,并非是要完全取代傳統(tǒng)課堂。一種先進學習方法的推廣,除了提高教師水平和增加相應的研究投入,也需要一定時間。尤其在中國,需要結(jié)合我國教育現(xiàn)狀尋求一種具有中國特色的STEM教育。[13]
未曾體驗過跨學科項目課堂的學生會有消極的反應:“為什么在科學課上做數(shù)學題?”因此,教育者沒有必要在項目實施初期就過于激進,項目整合的學科不一定越多越好。更不要為了跨學科而跨學科,牽強地將各學科整合在一起,這是對STEM教育極大的誤解。
同一課堂上的學生具有不同的成熟度和智力水平,會給緊張的課堂或獨自教學的教師造成壓力,這就需要開發(fā)一種有意義的方式針對不同的學生,以利于個體特長得到發(fā)揮和利用。既然多樣性的課堂是不同能力和特征的集合,學生就有機會與不同語言、不同智力、不同情感和身體發(fā)展水平的同學共同學習,能獲得這些技能和體驗正是STEM項目課堂的優(yōu)勢所在。
運用PBL教學法開展STEM教育活動的本質(zhì)特征是開發(fā)基于實踐的教育項目,引導學生利用對不同概念的綜合理解自主完成探究任務。活動的核心目的是要求學生融合運用屬于相對獨立領域的概念和技能,以便解決難題和挑戰(zhàn);而這些難題又會促使學生進一步理解“跨學科概念”與“學科核心概念”。筆者在本文中沒有固化具體的案例,初衷是要融合更多不同的想法。無論讀者的觀點如何,總能找到適合自身的STEM教育方式。希望本文的拙見能夠?qū)ψx者理解、設計和實施STEM項目課程提供一定幫助。