在STEM教學(xué)中與學(xué)生一起經(jīng)歷真實(shí)的項(xiàng)目

(東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210096)

1 引言

眾所周知，STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)四個(gè)學(xué)科的首字母組合，對(duì)STEM教育嚴(yán)格的定義雖然還有所爭(zhēng)議，但是一般認(rèn)為，STEM教育是一種多學(xué)科融合的教學(xué)模式，[1]有學(xué)者將STEM拓展為STEAM或其他更復(fù)雜的形式，以期STEM教育所涉及的學(xué)科不僅包括理工科領(lǐng)域，也應(yīng)包含人文、社會(huì)、藝術(shù)等社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。[2]

STEM教育目前已經(jīng)成為眾多國(guó)家提升自身綜合國(guó)力的重要戰(zhàn)略，[3]并給予了提升學(xué)生科技創(chuàng)新素養(yǎng)、提高學(xué)生創(chuàng)造創(chuàng)新能力等眾多期望。[4]在STEM教學(xué)的研究與實(shí)踐中，筆者一直在探索STEM教育到底能帶給學(xué)生怎樣的收獲。

2 項(xiàng)目教學(xué)與STEM的結(jié)合

目前，諸多文獻(xiàn)提出其實(shí)施的STEM教育與PBL(Project Based Leaning，基于項(xiàng)目的教學(xué))教學(xué)法是緊密結(jié)合的。[5-8]PBL面向現(xiàn)實(shí)世界、面向?qū)嵱玫慕虒W(xué)理念，有著蓬勃的生命力，因此也能和STEM形成天然的整合。[9]

STEM教育在國(guó)內(nèi)興起，是教育模式在長(zhǎng)期應(yīng)試教育壓抑下的一次釋放，也是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的一種補(bǔ)充。大量的文獻(xiàn)對(duì)STEM與PBL進(jìn)行了諸多詮釋，教師在進(jìn)行STEM+PBL教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)為遵循某種特性而過(guò)度設(shè)計(jì)，或者忽略一些重要細(xì)節(jié)，從而使教學(xué)過(guò)程失去了一些原本應(yīng)有的教學(xué)意義，這些問(wèn)題包括：

(1) 過(guò)于為了真實(shí)的情境而創(chuàng)造“真實(shí)”的情境。在原有活動(dòng)的基礎(chǔ)上“講故事”，從而形成模擬的甚至是虛構(gòu)的“真實(shí)問(wèn)題”。

(2) 過(guò)于僵硬地執(zhí)行項(xiàng)目過(guò)程，不能真正理解項(xiàng)目中的每一個(gè)環(huán)節(jié)的真實(shí)作用。

(3) 過(guò)于生硬地進(jìn)行多學(xué)科融合，但是在融合中忽略了學(xué)科之間內(nèi)在的關(guān)聯(lián)，使得學(xué)科的融合變得生搬硬套。

(4) 教師給出了過(guò)于完美的解決方案，從而壓縮了學(xué)生創(chuàng)意和思考的空間，使得學(xué)生的動(dòng)手過(guò)程變成了按圖索驥，也使整個(gè)課程變成了說(shuō)明書式的課程。

(5) 課程設(shè)計(jì)重視學(xué)生自由探究的過(guò)程，但是過(guò)于放手探究，或過(guò)于重視課程作品的可展示性，對(duì)問(wèn)題的探究淺嘗即止，忽視了引導(dǎo)學(xué)生抓住問(wèn)題的本質(zhì)。

(6) 教師對(duì)項(xiàng)目的實(shí)施缺乏自信，由于教師本身工程經(jīng)驗(yàn)的缺失，難以把控整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)展，并難以解決學(xué)生在項(xiàng)目中遇到的各種問(wèn)題。

3 真實(shí)的項(xiàng)目教學(xué)

無(wú)論是STEM，還是PBL，重要的不是具體的概念和范疇，而是在教學(xué)過(guò)程中，真正以學(xué)生為中心，為學(xué)生的探索、收獲和進(jìn)步去思考，并以開放的心態(tài)去面對(duì)項(xiàng)目，面對(duì)學(xué)生，面對(duì)學(xué)生的困惑。在這過(guò)程中，教師不一定是所有知識(shí)和技能的傳授者，但一定是整個(gè)項(xiàng)目過(guò)程的指引者、激勵(lì)者。因此需要教師和學(xué)生一起去經(jīng)歷真實(shí)的項(xiàng)目，共同去面對(duì)困難，相互鼓勵(lì)并提出有效的解決方案。

3.1 真實(shí)的情境

在目前的學(xué)科教育中，學(xué)生面對(duì)的問(wèn)題具有一定的抽象性，它們雖然面向科學(xué)概念和規(guī)律，但是脫離生活和應(yīng)用，其潛在問(wèn)題是學(xué)生不知道為什么要學(xué)，也不知道學(xué)了有什么用。面向真實(shí)的情境，是為了讓學(xué)生在實(shí)踐中的體驗(yàn)更加深入，是為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)后能運(yùn)用所學(xué)。也只有在真實(shí)的場(chǎng)景中，學(xué)生才會(huì)發(fā)現(xiàn)那些在習(xí)題與考試中不會(huì)考慮、卻又是至關(guān)重要的細(xì)節(jié)。

目前，教師們往往習(xí)慣于在每一個(gè)STEM主題的開篇，引入一個(gè)現(xiàn)實(shí)且具有應(yīng)用價(jià)值的情境。比如，在活動(dòng)“搭房子”中，有教師創(chuàng)設(shè)的情境是因?yàn)榘l(fā)生了自然災(zāi)害，要重建家園。然而，真實(shí)的房屋與學(xué)生搭建的模型差異巨大，通過(guò)這樣的情境會(huì)不會(huì)讓孩子誤解建個(gè)房子就是像搭建模型一樣簡(jiǎn)單呢？如果把情境變成“構(gòu)建倉(cāng)鼠的家”，或者“小人國(guó)歷險(xiǎn)記”，會(huì)更加貼近學(xué)生所構(gòu)建的房屋模型的屬性。

在真實(shí)的情境中，學(xué)生必須考慮模擬環(huán)境中“不需要”考慮的問(wèn)題。一座模擬的房子可能不需要考慮樓梯，而對(duì)于倉(cāng)鼠的家，那么每一層的樓梯就不可以是擺擺樣子，而是倉(cāng)鼠真的能爬上去的。房子每一個(gè)空間，是不是倉(cāng)鼠都能到得了？會(huì)不會(huì)有倉(cāng)鼠通不過(guò)的通道？倉(cāng)鼠排泄物的清理是否方便？倉(cāng)鼠晚上喜歡睡在你為它搭建的“床”上嗎？這一系列的問(wèn)題都是基于對(duì)真實(shí)情境的思考。

雖然我們?cè)赟TEM中提倡問(wèn)題的“實(shí)用”性，但有趣的問(wèn)題亦可以是很好的STEM主題。曾有教師為一些趣味性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)用性的STEM主題的情境創(chuàng)設(shè)絞盡腦汁，比如“水火箭”和“水果電池”。但是，與其制造一個(gè)生搬硬套的應(yīng)用場(chǎng)景，不如坦然地和學(xué)生一起體驗(yàn)其“趣味”。

STEM情境的選擇，關(guān)鍵在于符合學(xué)生的學(xué)段，能與其平時(shí)所接觸的事物產(chǎn)生共鳴，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展和延伸。

3.2 理解工程的每一個(gè)環(huán)節(jié)

通常一個(gè)項(xiàng)目會(huì)經(jīng)歷許多步驟。不同的文獻(xiàn)對(duì)項(xiàng)目所經(jīng)歷的步驟描述是不同的，但大致都會(huì)經(jīng)歷前期調(diào)研、工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、測(cè)試分析等環(huán)節(jié)。[9-12]理解各個(gè)步驟在STEM活動(dòng)中的作用，才能帶著學(xué)生真正融入這些過(guò)程，而不是表面上形式化的參與。

在文獻(xiàn)[9]和[10]中，STEM活動(dòng)的各個(gè)步驟被設(shè)計(jì)呈環(huán)形，也就是對(duì)項(xiàng)目過(guò)程進(jìn)行整體的大循環(huán)設(shè)計(jì)。但是，在真實(shí)的工程中，回溯可能發(fā)生在項(xiàng)目的任意一個(gè)步驟，并可向前追溯到任意一個(gè)步驟。工程人員通常期望問(wèn)題在整個(gè)過(guò)程中越早暴露越好，因?yàn)閱?wèn)題越早暴露，那么修正該問(wèn)題的代價(jià)也就越小，這也正是工程設(shè)計(jì)的重要價(jià)值所在。

設(shè)計(jì)是工程人員相互交流的最有力的語(yǔ)言。設(shè)計(jì)方案(圖紙)能夠讓所有的成員都明白團(tuán)隊(duì)要做什么，自己應(yīng)該怎么做，以及相互之間如何銜接。設(shè)計(jì)也是為了避免錯(cuò)誤的發(fā)生，在動(dòng)手之前，就預(yù)先能判斷問(wèn)題，并進(jìn)行糾正。

3.3 多學(xué)科的、自然的融合

在實(shí)際的工程中，需要調(diào)用一切可用的理論知識(shí)和工程資源來(lái)解決問(wèn)題。因此，面向真實(shí)問(wèn)題時(shí)，STEM中的融合也不是簡(jiǎn)單地將多個(gè)學(xué)科拼湊到一起，而是根據(jù)項(xiàng)目和工程的實(shí)際需要自然形成的。

例如在以筆者為主要設(shè)計(jì)者的南京師范大學(xué)附屬小學(xué)《博物館之夜》的課程中，為了解決報(bào)警器的問(wèn)題，光學(xué)、信息學(xué)科自然地融入課程中；為了搭建模擬場(chǎng)景，結(jié)構(gòu)工程自然地融入了進(jìn)來(lái)；為了在有限的鏡子反射下建立更為有效的激光防護(hù)網(wǎng)，幾何學(xué)知識(shí)也會(huì)融入其中。

3.4 給予學(xué)生創(chuàng)意與思考的空間

開放性的路徑是STEM教育中學(xué)生思維培養(yǎng)的重要途徑。只有開放的達(dá)成途徑才能促使學(xué)生從多個(gè)角度去思考問(wèn)題，去主動(dòng)地尋找解決問(wèn)題的方法，而不是由教師給出現(xiàn)成的路徑。因此，教師在STEM課程設(shè)計(jì)中，須避免面面俱到，在必要的環(huán)節(jié)進(jìn)行“留白”，給予學(xué)生思考和創(chuàng)意的空間。

真實(shí)的工程任務(wù)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)不可能是單一指標(biāo)，當(dāng)需要對(duì)多個(gè)工程目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)時(shí)，就必然出現(xiàn)不同的選擇。在工程設(shè)計(jì)中，多目標(biāo)的開放性設(shè)計(jì)是工程方案設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)沒有所謂的正確答案，只有更多更好的優(yōu)化方案。

開放性多元的設(shè)計(jì)方案，還需要多元的器材支持。STEM課程鼓勵(lì)學(xué)生盡可能使用身邊容易獲取的材料作為他們探究的器材。學(xué)生在選擇材料時(shí)，需要從材料的特點(diǎn)、材質(zhì)、用途、價(jià)格等多方面進(jìn)行考量，同時(shí)還需要考慮安全、環(huán)保等問(wèn)題。

3.5 帶著學(xué)生去尋找問(wèn)題的本源

為了更好地讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，思考問(wèn)題的本源至關(guān)重要。教師能不流于形式和表面，引導(dǎo)學(xué)生找到不同現(xiàn)象背后相同的本質(zhì)，或者能夠發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象背后截然不同的原因。很多科學(xué)課程中都有類似的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，比如探究暗盒背后秘密等，但這里所講的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的本源，通常是在工程實(shí)施的過(guò)程中，能夠找到影響實(shí)施效果的各種關(guān)鍵因素。

在學(xué)生活動(dòng)中，設(shè)置一些小小的不起眼的問(wèn)題，往往背后卻有著重要的思維鍛煉意義。例如，我們總是說(shuō)三角形最堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，那為什么在“雞蛋保護(hù)計(jì)劃”的STEM活動(dòng)中，立方體結(jié)構(gòu)小組保護(hù)雞蛋的成功概率可能比三棱錐結(jié)構(gòu)小組更高？

尋找問(wèn)題的本源，是運(yùn)用合理的科學(xué)和數(shù)學(xué)原理，抽絲剝繭，撥開云霧，去偽存真，看到影響事物進(jìn)展的關(guān)鍵性因素。這里既有科學(xué)的探討，更有對(duì)學(xué)生思維的鍛煉，以及面對(duì)問(wèn)題的態(tài)度。在任何時(shí)候，我們都期望學(xué)生能養(yǎng)成勤于思考的習(xí)慣，因?yàn)樵谖磥?lái)他所要解決的任何問(wèn)題都必須經(jīng)歷思考的過(guò)程。

4 建立STEM教師的自信

STEM教育對(duì)教師提出了新的要求，STEM多學(xué)科的整合，使得很多習(xí)慣于單科教學(xué)的教師無(wú)所適從，因而對(duì)STEM教學(xué)缺乏自信。新加入STEM教學(xué)領(lǐng)域的教師必須盡快進(jìn)行角色轉(zhuǎn)變，并建立起自身對(duì)STEM教學(xué)的自信。這些自信來(lái)源于以下幾個(gè)方面：

(1) 教師要多接觸科普書籍，拓展自身在科學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)面，養(yǎng)成善于發(fā)現(xiàn)與思考問(wèn)題的好習(xí)慣。

(2) 積極參與相關(guān)的STEM教育活動(dòng)，親自動(dòng)手感受STEM。只有通過(guò)自身的實(shí)踐，才會(huì)有更多的對(duì)工程技術(shù)的領(lǐng)悟和體會(huì)。

(3) 在課程教學(xué)中轉(zhuǎn)變角色，用更包容、更開放的心態(tài)看待自身與學(xué)生的關(guān)系。教師不再是唯一的知識(shí)技能傳授者。在STEM項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，教師更多的是項(xiàng)目研究的引領(lǐng)者、項(xiàng)目進(jìn)度的監(jiān)督者、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在遇到困難時(shí)的鼓勵(lì)者。教師也不是高高在上的項(xiàng)目管理者，而應(yīng)該更多地參與到學(xué)生的項(xiàng)目中，與學(xué)生一起共同進(jìn)步。

(4) 專業(yè)問(wèn)題求助專業(yè)人士，讓更多不同背景的教師、專業(yè)領(lǐng)域人士(大學(xué)教師、企業(yè)工程師等)參與到課程中來(lái)，對(duì)學(xué)生技術(shù)上產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行指導(dǎo)。

5 結(jié)語(yǔ)

STEM教育是學(xué)科教育的重要補(bǔ)充，同樣，“沒有學(xué)科知識(shí)和思維方法的支撐，僅僅通過(guò)STEM綜合活動(dòng)，不可能有良好的培養(yǎng)效果。”[4]我們期望STEM教育能夠讓每一個(gè)學(xué)生都能受益，除了提高STEM素養(yǎng)與創(chuàng)新能力之外，我們還期望學(xué)生養(yǎng)成思考的習(xí)慣，在面對(duì)問(wèn)題時(shí)勇于探索堅(jiān)持不懈。與學(xué)生一起經(jīng)歷真實(shí)的STEM項(xiàng)目，需要在STEM教學(xué)的過(guò)程中，透過(guò)形式化的外表，加深學(xué)生對(duì)項(xiàng)目本身的真實(shí)體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)意，引發(fā)學(xué)生對(duì)問(wèn)題本質(zhì)的思考，并在此過(guò)程中，教師能夠?qū)虒W(xué)不斷地進(jìn)行反思與改進(jìn)。