STEM教育創(chuàng)新的實踐探索

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，特別是日前國務院辦公廳印發(fā)的《全民科學素質(zhì)行動計劃綱要實施方案》明確提出，在中學階段要增強學科間橫向配合，開展跨學科實踐探究活動。北京八一學校在三年間進行了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。

課程整合設計與實施

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

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、設計性乃至實證性與學?，F(xiàn)有課程體系中的通用技術(shù)課有相似之處；而跨學科、協(xié)作性、情境性等又符合研究性學習的一些特點?；诖耍酝ㄓ眉夹g(shù)為切入點，將研究性學習與該課程進行整合，以項目研究的方式開展通用技術(shù)模塊內(nèi)容的學習，開始了第一輪的STEM教學嘗試。

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

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

例如電子控制與單片機模塊。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、電路原理、計算機等跨學科知識。課程采用開源單片機硬件平臺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 電子控制與單片機模塊的課堂教學

項目式引領

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

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

學生學習使用solidworks軟件進行建模，軟件應用與數(shù)學能力得到鍛煉；打印機的制作、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、材料學的相關(guān)知識；而學生們在數(shù)學課堂中所學的公式真實應用在滑輪控制及打印頭移動設計中；跨學科知識的融合在學生的設計原理報告中得以充分體現(xiàn)；成果匯報演講、宣傳海報設計、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生的團隊合作，提升了人文素養(yǎng)。

圖2 學生用自己設計制作的3D打印機打印的作品

老師們常說，學生們常是眼高手低，想得挺好做不出來，但當打印成品展現(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、王豐翼兩位同學還設計制作出3D打印、數(shù)控切割、激光雕刻一體機。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)，使用計算機運動控制卡G代碼來控制步進電機，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。

日常教學與活動設計體現(xiàn)STEM教育思想

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

“探月任務”是我?？萍脊?jié)中的一項比賽設計。參賽隊員要設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；設計制作帶有聲光效果的溫室模型；設計制作道具并進行短劇表演；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 劉哲王豐翼設計制作的3D打印、數(shù)控切割、激光雕刻一體機

圖4 綜合課——火山

STEM教育的問題與思考

日前，國務院辦公廳印發(fā)的《全民科學素質(zhì)行動計劃綱要實施方案》中明確提出：推進義務教育階段的科技教育，增強中學數(shù)學、物理、化學、生物等學科教學的橫向配合。推進高中階段的科技教育，鼓勵普通高中探索開展科學創(chuàng)新與技術(shù)實踐的跨學科探究活動。不難看出，從國家層面的政策引導，到社會發(fā)展對科技創(chuàng)新型人才的需要，在中學開展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)的單一學科教學到跨學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；學生在動手實踐項目上的大量時間精力投入與傳統(tǒng)學科學習間的沖突等。當然應對這些問題，我們也有一些思考：以學校特色小衛(wèi)星項目為推進重點，在技術(shù)類（通用技術(shù)、信息技術(shù)）學科中繼續(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)教師培訓相結(jié)合；建立STEM項目云平臺，豐富課程資源，提供學生展示空間；將學校原有科技教育與STEM教育、創(chuàng)客教育做有機融合;強化總結(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（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學（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學習的崛起”將成為“未來一至兩年技術(shù)驅(qū)動K12教育的重要趨勢”。在當下，推進跨學科知識融合的STEM教育，在幫助學生打好扎實的學科知識基礎的同時，以項目和真實問題為引領，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校）