STEM視野下科工整合路徑與創(chuàng)新人才培養(yǎng)

王唯真

摘要：我國基礎(chǔ)教育階段科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的整合應(yīng)以已有科學(xué)課程為載體，開發(fā)整合與不同學(xué)科內(nèi)容相關(guān)的工程設(shè)計(jì)任務(wù)，將工程設(shè)計(jì)作為科學(xué)知識(shí)在應(yīng)用層面上的延伸，或在工程項(xiàng)目情境中兼顧探究科學(xué)原理和發(fā)展工程設(shè)計(jì)思路?？茖W(xué)教育領(lǐng)域?qū)＜覒?yīng)幫助教師把握整合STEM教育的目的，注重教學(xué)實(shí)施中科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合，針對特定科學(xué)內(nèi)容開發(fā)電子計(jì)算機(jī)技術(shù)環(huán)境，在其中融合簡單的工程設(shè)計(jì)和科學(xué)原理探究等。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)科學(xué)教育 STEM 科學(xué)探究 工程設(shè)計(jì)

STEM課程開發(fā)倡導(dǎo)由問題解決驅(qū)動(dòng)的跨學(xué)科理科教育，整合STEM學(xué)科在國際上已成為科學(xué)教育政策主導(dǎo)和研究熱點(diǎn)。整合STEM教育，目的是給學(xué)生展現(xiàn)這些學(xué)科的現(xiàn)實(shí)面貌，讓他們體驗(yàn)更真實(shí)的科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，幫助他們理解數(shù)學(xué)如何成為探究與設(shè)計(jì)的有力工具，技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用如何拓寬科學(xué)的疆域，科學(xué)的發(fā)展如何幫助工程師把握技術(shù)原理和改進(jìn)技術(shù)，以及STEM領(lǐng)域的實(shí)踐與發(fā)展是如何與自然世界和人創(chuàng)世界相互關(guān)聯(lián)和交互作用的[1]。

一、科工整合思路的借鑒與探索

科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的整合，對我國基礎(chǔ)科學(xué)教育發(fā)展、創(chuàng)新人才培養(yǎng)都至關(guān)重要，應(yīng)該成為我們努力的主要方向。筆者綜合分析國內(nèi)外對STEM整合課程的研究案例，認(rèn)為適用于我國基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)創(chuàng)新人才的科工整合途徑主要有以下3個(gè)方面。

1.將工程設(shè)計(jì)作為科學(xué)知識(shí)在應(yīng)用層面上的延伸

將工程設(shè)計(jì)作為科學(xué)知識(shí)在應(yīng)用層面上延伸的一種手段，是源于工程學(xué)和應(yīng)用科學(xué)之間本質(zhì)上的一脈相承。在工程設(shè)計(jì)活動(dòng)中，教師為學(xué)生提供一種接近實(shí)際生活的問題情境，引起學(xué)生興趣，幫助學(xué)生用科學(xué)思維解決問題、設(shè)計(jì)制品，鼓勵(lì)學(xué)生將科學(xué)知識(shí)應(yīng)用到設(shè)計(jì)問題解決方案中，應(yīng)用到制品設(shè)計(jì)反饋、合理性檢驗(yàn)、方案權(quán)衡、討論修正等過程中，自然而然地強(qiáng)調(diào)了科學(xué)知識(shí)的應(yīng)用、遷移和提升，以及創(chuàng)新、創(chuàng)造力的培養(yǎng)。一個(gè)有效的工程設(shè)計(jì)活動(dòng)必定需要以一定的先前知識(shí)為基礎(chǔ)，而已習(xí)得的科學(xué)知識(shí)體系又在活動(dòng)中得以再建構(gòu)和深化，從而形成一個(gè)螺旋形循環(huán)往復(fù)的過程。

例如在“報(bào)警器的設(shè)計(jì)”[2]一課中，教師在項(xiàng)目開始之前先對學(xué)生進(jìn)行了基礎(chǔ)知識(shí)的筆試，用多項(xiàng)選擇題的方式考查電流、電阻、電壓、串并聯(lián)等相關(guān)電學(xué)知識(shí)。這樣做是為了確保所有的核心概念都是之前教過的。學(xué)生由于個(gè)體差異，試卷分?jǐn)?shù)有高有低，表現(xiàn)出對這部分知識(shí)掌握程度的不同。教師讓各組學(xué)生根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)出能用于特定場所、具有特定功能的報(bào)警器，并運(yùn)用反映表實(shí)時(shí)反映學(xué)生是如何將科學(xué)概念運(yùn)用到設(shè)計(jì)過程中的。觀察發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生都會(huì)在串聯(lián)之前先采用并聯(lián)方式，他們將并聯(lián)稱作“完全連接”。學(xué)生反映，是因?yàn)閷W(xué)習(xí)的時(shí)候是先學(xué)習(xí)串聯(lián)再學(xué)習(xí)并聯(lián)，因此認(rèn)為并聯(lián)是更全面有效更高級(jí)的方式，如果調(diào)換串并聯(lián)知識(shí)的講授順序，學(xué)生的操作順序也可能會(huì)相反。這說明學(xué)生在設(shè)計(jì)工程制品的時(shí)候，會(huì)主動(dòng)調(diào)取已學(xué)過的知識(shí)，并在頭腦中作出簡單的權(quán)衡選擇，加以應(yīng)用。工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目結(jié)束后，教師又對學(xué)生的電學(xué)知識(shí)進(jìn)行了后測。結(jié)果表明，學(xué)生該部分知識(shí)水平都有了顯著提高，并且在前測中表現(xiàn)得更好的學(xué)生提升的程度更大，這也反映了科學(xué)知識(shí)與工程設(shè)計(jì)融會(huì)貫通、相互促進(jìn)的關(guān)系。

2.在工程項(xiàng)目情境中，兼顧探究科學(xué)原理和發(fā)展工程設(shè)計(jì)思路

這種整合思路更傾向于以工程項(xiàng)目為主，讓學(xué)生在實(shí)際操作過程中自己發(fā)現(xiàn)科學(xué)原理，主動(dòng)探究科學(xué)過程，形成工程設(shè)計(jì)思路;或者以學(xué)生角色為主，教師角色轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者，通過提出循序漸進(jìn)的問題，采用“腳手架”等方式幫助學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理，培養(yǎng)科學(xué)思維。由于工程項(xiàng)目通常是團(tuán)隊(duì)作業(yè)，因此學(xué)生們的溝通表達(dá)能力也得到相應(yīng)鍛煉，通過分享討論，他們能獲得比個(gè)人學(xué)習(xí)可能得到的更多的知識(shí)。

例如“降落傘”[3]項(xiàng)目，專注于航空航天工程，挑戰(zhàn)學(xué)生為宇宙飛船設(shè)計(jì)將要降落在比地球大氣更稀薄的行星的降落傘。一開始，教師先詢問設(shè)計(jì)之前需要弄清楚哪些問題，學(xué)生表示需要知道降落傘是在哪個(gè)星球使用、要用什么材料制作、需要什么附屬物……接著，教師向?qū)W生展示2個(gè)塑料瓶，分別充滿了有顏色的液體和空氣。2個(gè)塑料瓶代表2種不同的大氣，一個(gè)薄一個(gè)厚。教師向2個(gè)塑料瓶中同時(shí)丟進(jìn)1顆高爾夫球，讓學(xué)生觀察并回答哪一個(gè)塑料瓶代表著更厚重的大氣。學(xué)生回答說是高爾夫球下降得更慢的那個(gè)。教師進(jìn)一步詢問“為什么降落傘在密度更大的大氣里下降得更慢”，學(xué)生回答說是因?yàn)橄陆档臅r(shí)候需要將周圍的空氣排開。在這個(gè)過程中，教師啟發(fā)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象猜測原因。大氣模型幫助學(xué)生理解大氣厚度和密度對下落物體的影響，在工程設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備階段兼顧了對科學(xué)原理的探究。緊接著進(jìn)入正式的工程設(shè)計(jì)階段，教師讓學(xué)生測試3個(gè)降落傘因素（頂篷材料，頂篷尺寸、懸浮線長度）中的1個(gè)（保持另外2個(gè)因素不變）對降落傘下落速度的影響。為此，學(xué)生需要用3種不同的頂篷材料（或頂篷尺寸、懸浮線長度）制作降落傘，從同樣的高度同時(shí)釋放3只降落傘，記錄它們著地的順序。分別實(shí)驗(yàn)3次后，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在表單上。最后各組學(xué)生分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果，盡管每組只探討了1個(gè)因素，但通過匯總他們得以用更充分的數(shù)據(jù)得出降落傘各因素如何影響下落速度的結(jié)論。在分析解釋數(shù)據(jù)階段，教師要求學(xué)生解釋為什么更大的頂篷能使降落傘下降得更慢，很短的懸浮線對降落傘的表現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響，再一次引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與探究科學(xué)原理。學(xué)生聯(lián)想到之前的塑料瓶現(xiàn)象，進(jìn)行對比，嘗試透過現(xiàn)象剖析本質(zhì)，得出更大的頂篷需要排除更多的空氣，所以更慢;更長的懸浮線能夠使降落傘徹底打開，所以更慢的結(jié)論。最后教師讓學(xué)生分析全班的數(shù)據(jù)，權(quán)衡各種因素的影響，制作出不僅下落得慢，還適合宇宙飛船的第2個(gè)降落傘。在新的工程設(shè)計(jì)任務(wù)中，學(xué)生頭腦中的背景知識(shí)跟第1次有了明顯的不同，因此他們會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，利用之前研究中收集的數(shù)據(jù)，考慮其他隊(duì)員的意見，設(shè)計(jì)出更滿足要求的降落傘。在整個(gè)制作過程中，學(xué)生的工程設(shè)計(jì)思路也逐漸清晰起來。

3.在電子技術(shù)環(huán)境中融合簡單工程設(shè)計(jì)和科學(xué)原理的探究

根據(jù)科學(xué)機(jī)制建立計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境，讓學(xué)生通過完成模擬工程設(shè)計(jì)任務(wù)探究科學(xué)原理，在引發(fā)興趣、鍛煉工程設(shè)計(jì)思維的同時(shí)，還可利用模擬技術(shù)展現(xiàn)難以感知的理想或微觀世界，降低科學(xué)學(xué)習(xí)難度。

用計(jì)算機(jī)為物理學(xué)科的學(xué)習(xí)提供一種物理環(huán)境和智力環(huán)境，其中一個(gè)具體的嘗試是“龜標(biāo)”的使用，它可以幫助學(xué)生探索力學(xué)[4]。學(xué)生在屏幕的任何位置點(diǎn)擊便可以產(chǎn)生一個(gè)“力”，它將改變龜標(biāo)運(yùn)動(dòng)中加速度的大小和方向，如果不點(diǎn)擊，它便以恒定的速度直線前進(jìn)，這符合牛頓第二定律和牛頓第三定律。研究結(jié)果表明，學(xué)生很樂意花足夠的時(shí)間在動(dòng)態(tài)龜標(biāo)項(xiàng)目中，學(xué)生對于動(dòng)態(tài)龜標(biāo)逐步加深的理解，來源于對一系列不同策略下所繪制出的圖案的直接觀察。學(xué)生在嘗試中發(fā)現(xiàn)，若要使龜標(biāo)朝著與前進(jìn)方向偏離45°的方向前進(jìn)，只需要在其前進(jìn)方向的垂直方向施加一個(gè)力。動(dòng)態(tài)龜標(biāo)的使用，糾正了學(xué)生幼稚的力學(xué)概念結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生對牛頓定律等物理學(xué)知識(shí)有了更深刻的理解和記憶。

二、我國現(xiàn)有科工整合嘗試與改進(jìn)意見

國際STEM教育的發(fā)展為我國中小學(xué)科技教育改革提出了新的課題，為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，我國各地中小學(xué)也開始進(jìn)行各種有益的嘗試。除信息技術(shù)、通用技術(shù)外，STEM教育還通過綜合實(shí)踐活動(dòng)、研究性學(xué)習(xí)、專題講座等方式得到體現(xiàn)。

經(jīng)過調(diào)查，筆者發(fā)現(xiàn)重慶一些中小學(xué)除了組織學(xué)生開展與化學(xué)、生物、地理等科目相關(guān)的實(shí)踐活動(dòng)外，還鼓勵(lì)學(xué)生參與各種各樣的艦船、飛機(jī)、建筑模型，機(jī)器人項(xiàng)目等偏重工程知識(shí)的比賽，而在相應(yīng)的日常教學(xué)中，教師也有意地在科技課中穿插了這方面的指導(dǎo)。

筆者通過深入真實(shí)課堂，收集了一些整合工程設(shè)計(jì)的科技課實(shí)例，現(xiàn)提供一個(gè)較有代表性的課堂實(shí)例——塔吊的設(shè)計(jì)。首先，教師播放了一段反映塔吊安全事故的視頻，吸引學(xué)生的注意力，通過提供塔吊公司要招聘員工這樣一個(gè)事件背景，引出本節(jié)課工程設(shè)計(jì)的目標(biāo)——制作穩(wěn)固的框架結(jié)構(gòu)。教師為每組學(xué)生準(zhǔn)備了1個(gè)由12根吸管構(gòu)成的正方體框架結(jié)構(gòu)，要求學(xué)生思考怎樣用其他的吸管對其進(jìn)行加固。制作結(jié)束后，教師讓每組學(xué)生用逐步添加書本的方式測試框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固程度，并強(qiáng)調(diào)輕拿輕放，避免不相關(guān)變量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。測試結(jié)束，能承受最多書本的小組放置了19本，而最早結(jié)束的小組只放置了1本。學(xué)生對差異如此懸殊的結(jié)果產(chǎn)生了興趣，教師將這兩組的框架結(jié)構(gòu)帶上講臺(tái)，讓學(xué)生觀察它們的不同之處。“一個(gè)根本沒有加固，一個(gè)在正方體的若干面的對角線上添加了吸管”，學(xué)生們回答道。教師繼續(xù)提問： “為什么兩種框架結(jié)構(gòu)的承重力會(huì)如此不同？”引導(dǎo)學(xué)生們回憶起了三角形具有穩(wěn)定性的知識(shí)。緊接著，教師讓學(xué)生們思考三角形為什么具有穩(wěn)定性，當(dāng)在三角形的一個(gè)角上施加力時(shí)，力是如何傳遞的。 “力是沿兩個(gè)邊分散傳遞的”，學(xué)生回答道，教師對這個(gè)答案給予了肯定，并補(bǔ)充說明分散的力在底邊又匯合在了一起，因此作用力被抵消，所以三角形具有穩(wěn)定性。學(xué)生認(rèn)識(shí)到三角形對加固框架結(jié)構(gòu)的作用后，被要求重新制作新的框架，這一次，教師讓學(xué)生對添加對角線多的框架和添加對角線相對少的框架進(jìn)行對比測試，結(jié)果顯示前者更穩(wěn)固，進(jìn)一步說明了三角形的穩(wěn)定性。學(xué)生們在整個(gè)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中不僅體驗(yàn)到了探索的樂趣，還弄清了現(xiàn)象背后的科學(xué)原理和規(guī)律。

在這些嘗試整合工程設(shè)計(jì)的科技課中，也存在著一些問題。首先，教師的代勞部分過多，具體表現(xiàn)在材料基本由教師準(zhǔn)備，學(xué)生不能通過自己的思考選擇恰當(dāng)?shù)牟牧现R(shí)點(diǎn)基本由老師總結(jié)，學(xué)生通過自己的觀察、查閱相關(guān)知識(shí)探索原理的機(jī)會(huì)不多;教師有時(shí)候刻意引導(dǎo)學(xué)生回答出自己教案里設(shè)計(jì)好的答案，甚至在學(xué)生回答之前先將答案板書在黑板上，禁錮了學(xué)生的思維，可能錯(cuò)過學(xué)生很多具有閃光點(diǎn)的想法。其次，工程設(shè)計(jì)思路存在欠缺，一個(gè)完整的工程設(shè)計(jì)思路應(yīng)當(dāng)包括回憶已有知識(shí)、學(xué)習(xí)基本概念、梳理相關(guān)信息、計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)、解釋辨別、類比討論、批判性思考、求證改進(jìn)、遷移應(yīng)用等，然而其中的很多步驟在課堂實(shí)踐中并沒有被涉及到。第三，應(yīng)當(dāng)注重過程性評(píng)價(jià)的應(yīng)用，在這種以實(shí)際操作為特點(diǎn)的科技課中，不應(yīng)單純根據(jù)最后的設(shè)計(jì)制品評(píng)判學(xué)生的表現(xiàn)，而應(yīng)當(dāng)多采用學(xué)情調(diào)查表、科學(xué)日志、合作檢查清單等方式在項(xiàng)目的進(jìn)行過程中隨時(shí)對學(xué)生的知識(shí)和能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

筆者建議，在我國基礎(chǔ)教育階段開展科工整合課程，培養(yǎng)STEM綜合發(fā)展的創(chuàng)新人才，可以在現(xiàn)有嘗試的基礎(chǔ)上，從以下方面進(jìn)一步思考和探索。第一，以已有科學(xué)課程為載體，開發(fā)整合與不同學(xué)科內(nèi)容相關(guān)的工程設(shè)計(jì)任務(wù)，將工程設(shè)計(jì)作為科學(xué)知識(shí)在應(yīng)用層面上的延伸，或在工程項(xiàng)目情境中兼顧探究科學(xué)原理，發(fā)展工程設(shè)計(jì)思路。第二，科學(xué)教育領(lǐng)域?qū)＜規(guī)椭處煱盐照蟂TEM教育的目的，注重教學(xué)實(shí)施中科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合，針對特定科學(xué)內(nèi)容開發(fā)電子計(jì)算機(jī)技術(shù)環(huán)境，在其中融合簡單的工程設(shè)計(jì)和科學(xué)原理探究等。

參考文獻(xiàn)

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點(diǎn)評(píng)

2018年中國青少年科技輔導(dǎo)員協(xié)會(huì)征文主題為“科學(xué)教育：開啟培養(yǎng)未來創(chuàng)新人才的新探索”，而“從STEM到STEAM——跨學(xué)科的科學(xué)教育對培養(yǎng)未來創(chuàng)新人才的啟示”，亦是詮釋該主題的重要視角之一。本文作者依托對STEM整合課程的研究和自身教學(xué)實(shí)踐，提出了“將工程設(shè)計(jì)作為科學(xué)知識(shí)在應(yīng)用層面上的延伸” “在工程項(xiàng)目情境中，兼顧探究科學(xué)原理和發(fā)展工程設(shè)計(jì)思路”“在電子技術(shù)環(huán)境中融合簡單工程設(shè)計(jì)和科學(xué)原理的探究”3個(gè)有益于科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)整合的途徑，對廣大科學(xué)教師和科技輔導(dǎo)員具有一定的啟示、參考或借鑒作用。

當(dāng)然，如果作者能夠依據(jù)相關(guān)科學(xué)教育理論和更為全面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為上述論點(diǎn)提供佐證，以及進(jìn)而能夠剖析其與科技創(chuàng)新后備人才培養(yǎng)的關(guān)系，則全文的學(xué)術(shù)性還會(huì)增色不少。

——翟立原（中國青少年科技輔導(dǎo)員協(xié)會(huì)理論工作委員會(huì)副主任委員，第26屆全國青少年科技輔導(dǎo)員論文征集活動(dòng)評(píng)審委員會(huì)主任委員）