“集成式STEM”課程如何實(shí)現(xiàn)各領(lǐng)域的集成

葉兆寧 朱麗娜 楊元魁

“集成式STEM”強(qiáng)調(diào)知識(shí)和技能的融會(huì)貫通，要求學(xué)生學(xué)習(xí)每個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)和技能，并將這些知識(shí)和技能融會(huì)貫通到其他領(lǐng)域，或者將一個(gè)領(lǐng)域的方法和技能用于解決另一個(gè)領(lǐng)域的問題，從而實(shí)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(jì)和基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)，強(qiáng)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(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)能力和解決問題能力的培養(yǎng)。

《電梯》這一課程單元由美國(guó)康涅狄格州科學(xué)中心與美國(guó)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(jí)學(xué)生。單元活動(dòng)的設(shè)計(jì)兼顧康涅狄格州的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、《美國(guó)州共同核心英語語言藝術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》《美國(guó)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(shí)踐是這一單元課程的重點(diǎn)，要求學(xué)生設(shè)計(jì)自己熟悉的實(shí)物模型。這樣的設(shè)計(jì)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(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)知識(shí)。

本單元的整體教學(xué)思路包括5個(gè)方面：一是教師圍繞工程問題為學(xué)生提供一個(gè)真實(shí)的生活情境，要求他們?yōu)榧亦l(xiāng)的一所中學(xué)建造一個(gè)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(dòng)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(yàn)活動(dòng)來學(xué)習(xí)解決這些問題所需要的知識(shí)和技能，如什么是動(dòng)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(shí)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(jì)、建構(gòu)、測(cè)試、改進(jìn)等一系列環(huán)節(jié)，完成本單元開始時(shí)所提出的任務(wù)。五是學(xué)生對(duì)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(jì)并構(gòu)建一個(gè)電梯模型，在構(gòu)建模型之前由學(xué)生自己設(shè)計(jì)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(diǎn)、力與運(yùn)動(dòng)、力的相互作用和能量等科學(xué)知識(shí)。核心概念的學(xué)習(xí)包括一個(gè)預(yù)活動(dòng)和六個(gè)背景經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)（見表1），其中所應(yīng)用的《美國(guó)州共同核心英語語言藝術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和《美國(guó)州共同核心數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》也貫穿于每個(gè)活動(dòng)。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(jī)融合

《電梯》單元教學(xué)期望學(xué)生通過系列背景經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)學(xué)習(xí)特定的物理知識(shí)，并能夠綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)和計(jì)算機(jī)模擬操作能力來設(shè)計(jì)與構(gòu)建電梯模型，解決現(xiàn)實(shí)存在的問題。

在課程內(nèi)容上，每個(gè)背景經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)都與建構(gòu)電梯模型的任務(wù)要求息息相關(guān)，通過實(shí)驗(yàn)探究的方式學(xué)習(xí)特定的物理知識(shí)，同時(shí)還運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)和語言藝術(shù)能力來加強(qiáng)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(shí)情境，將知識(shí)與實(shí)踐相聯(lián)系

本課程單元基于真實(shí)情境，強(qiáng)調(diào)以活動(dòng)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(shí)向?qū)嵺`過程的轉(zhuǎn)變。在整個(gè)活動(dòng)中，教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)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(kuò)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(chǔ)備室運(yùn)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(zhǎng)已請(qǐng)學(xué)校董事會(huì)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(jì)一部能滿足建筑獨(dú)特局限性的電梯還是很困難。因?yàn)榻ㄖ芾?，在建筑物的?nèi)部沒有空間建設(shè)一個(gè)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(huì)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(shí)轉(zhuǎn)向?qū)嵺`，學(xué)生自己設(shè)計(jì)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(gè)背景經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)的設(shè)計(jì)都是為了將特定科學(xué)知識(shí)更好地運(yùn)用在電梯設(shè)計(jì)中。例如，活動(dòng)1中關(guān)于靜摩擦與動(dòng)摩擦的探究是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)電梯時(shí)，在兩個(gè)提升繩索或電纜和驅(qū)動(dòng)器之間滑輪的摩擦力是一種非常重要的考慮因素，它會(huì)影響到電梯的安全問題；活動(dòng)2通過計(jì)算機(jī)模擬滑板運(yùn)動(dòng)員在固定滑道上運(yùn)動(dòng)的情境探索動(dòng)能和勢(shì)能之間的關(guān)系和特點(diǎn)，并聯(lián)系到電梯運(yùn)行時(shí)動(dòng)能與勢(shì)能的轉(zhuǎn)化過程。與活動(dòng)1和活動(dòng)2一樣，所有背景經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)都與電梯設(shè)計(jì)的任務(wù)有直接關(guān)聯(lián)，這使得實(shí)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(dòng)中都能切實(shí)感受到知識(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)際任務(wù)解決之間的關(guān)系。

運(yùn)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(yùn)用多種方式進(jìn)行探究，尤其是計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合的方式。例如，活動(dòng)4減輕滑輪負(fù)載的設(shè)計(jì)分為計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐調(diào)查兩部分。計(jì)算機(jī)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(shí)間供學(xué)生進(jìn)行討論交流和改進(jìn)，讓學(xué)生體會(huì)并認(rèn)識(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)探究中的重要性（見圖1）。

當(dāng)然，實(shí)踐調(diào)查部分也很必要，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生自己定義問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)，并體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程中可能遇到的問題。例如，在活動(dòng)4的實(shí)踐中，學(xué)生使用自己列舉的實(shí)驗(yàn)材料、自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置和試驗(yàn)程序等，增加使用彈簧秤的熟練度和計(jì)算能力，加深學(xué)生對(duì)做功和機(jī)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(shí)踐的過程與方法

實(shí)際上，整個(gè)單元活動(dòng)的設(shè)計(jì)是由科學(xué)探究活動(dòng)與工程設(shè)計(jì)活動(dòng)相互嵌套而成，其中科學(xué)探究活動(dòng)的目的不僅是為了完成設(shè)計(jì)需求，而且也為了學(xué)習(xí)科學(xué)的知識(shí)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(jì)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(diǎn)，課程從第一部分“真實(shí)情境”到第二部分“提出和定義問題”，并通過探索活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生理解工程過程。然后，在“科學(xué)知識(shí)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(shí)運(yùn)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(shí)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(gè)科學(xué)知識(shí)建構(gòu)的活動(dòng)最后，教師都要求學(xué)生回顧“電梯設(shè)計(jì)”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(jì)，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(shí)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(píng)估貫穿整個(gè)教學(xué)過程

本單元采用終結(jié)性評(píng)價(jià)和形成性評(píng)價(jià)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方式。首先，教師和學(xué)生共同開發(fā)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，可以增加學(xué)生的參與意識(shí)并促進(jìn)學(xué)生積極地進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，形成良好的自我效能感。例如，開始設(shè)計(jì)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(jì)《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(shí)幫助教師評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。

然后，學(xué)生對(duì)自己的設(shè)計(jì)不斷進(jìn)行修正和優(yōu)化，教師根據(jù)活動(dòng)前與學(xué)生共同完成的工程流程量規(guī)對(duì)學(xué)生記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，此過程構(gòu)成形成性評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)貫穿在整個(gè)探究活動(dòng)中，有利于學(xué)生隨時(shí)調(diào)整自己對(duì)知識(shí)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(gè)人理解能力，如果發(fā)現(xiàn)使用的表和背景經(jīng)驗(yàn)知識(shí)阻礙了學(xué)生繼續(xù)探究實(shí)驗(yàn)的理解，教師可以重新審視或改進(jìn)自己的課堂設(shè)計(jì)，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(píng)價(jià)，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(jì)圖、細(xì)節(jié)、測(cè)試數(shù)據(jù)和有說服力的可行性分析。通過工程流程等級(jí)量規(guī)可以評(píng)估學(xué)生工程提案的完整性和科學(xué)性。

《電梯》這個(gè)案例中，教師將科學(xué)學(xué)科背景知識(shí)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(shí)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(jià)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(dòng)之間有著緊密的聯(lián)系，這些聯(lián)系同時(shí)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(jì)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與活動(dòng)，以達(dá)成STEM教育的最終目標(biāo)。

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