深度教學(xué)視角下STEM教育實(shí)施品質(zhì)課堂的策略

鄧漢盤 畢燕輝

摘 要：在當(dāng)前的政策背景下，依據(jù)建構(gòu)主義和杜威“做中學(xué)”兩大理論，東莞市常平鎮(zhèn)振興中學(xué)提出了構(gòu)建STEM課程的設(shè)想并付諸實(shí)踐。學(xué)校在近幾年的研究過(guò)程中取得豐碩的研究成果，開發(fā)一系列STEM課程和活動(dòng)項(xiàng)目，提出一系列的課程開展模式。經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，深度教學(xué)模式更能體現(xiàn)STEM課程的教育性。文章通過(guò)探究深度教學(xué)視角下STEM課程模式和實(shí)施深度教學(xué)的策略，從而有效提升學(xué)生的創(chuàng)新思維、工程思想和科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：深度教學(xué);STEM教育;課程模式;實(shí)施策略

2021年6月國(guó)務(wù)院印發(fā)《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要（2021—2035年）》的通知指出：“科學(xué)素質(zhì)是國(guó)民素質(zhì)的重要組成部分，掌握基本科學(xué)方法，了解必要科技知識(shí)，并具有應(yīng)用其分析判斷事物和解決實(shí)際問(wèn)題的能力具有十分重要的意義?！睆闹锌梢钥闯觯壳皣?guó)家非常重視學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，STEM課程不但是實(shí)施科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)的課堂陣地，也是培養(yǎng)學(xué)生工程思想和創(chuàng)新思維的場(chǎng)所。

一、目前STEM教育的現(xiàn)狀

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）的簡(jiǎn)稱。STEM教育就是集科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)多領(lǐng)域融合的綜合教育，對(duì)鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力、編程能力、培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神有很大幫助。開展STEM教育活動(dòng)，其根本目的在于發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造能力和綜合設(shè)計(jì)能力，進(jìn)而形成良好的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新思維品質(zhì)。然而，在傳統(tǒng)的STEM教育中，教師依然停留在技能的教育。近幾年，很多教師開始把開源硬件、3D打印、人工智能融入STEM教育中，但目前STEM課程尚缺乏系統(tǒng)的探討，大部分教師只進(jìn)行簡(jiǎn)單的學(xué)科疊加，或者把一般的機(jī)器人教育認(rèn)為是STEM教育。

二、借助深度教學(xué)相關(guān)理論，開展STEM品質(zhì)課堂教育

2005年，華中師范大學(xué)郭元祥教授率先在我國(guó)提出了深度教學(xué)理論，指出深度教學(xué)不是無(wú)限增加知識(shí)難度和知識(shí)量，不是對(duì)知識(shí)的表層學(xué)習(xí)和表演學(xué)習(xí)，不是對(duì)知識(shí)的簡(jiǎn)單占有和機(jī)械訓(xùn)練，而是基于知識(shí)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)知識(shí)完整處理，引導(dǎo)學(xué)生從符號(hào)學(xué)習(xí)走向?qū)W科思想和意義系統(tǒng)的理解和掌握，是對(duì)知識(shí)的深度學(xué)習(xí)。深度教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)的完整理解和深刻學(xué)習(xí)，追求的是教學(xué)的發(fā)展性，既讓學(xué)生在認(rèn)知、情感、技能等方面發(fā)生系統(tǒng)的變化，又能使學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力得到整體提升。在深度教學(xué)的課堂中，郭元祥教授提倡要有學(xué)習(xí)的豐富性和多樣性，提倡沉浸式學(xué)習(xí)與學(xué)習(xí)投入，深度教學(xué)采用的教學(xué)策略有理解性教學(xué)策略、問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)策略、回應(yīng)性教學(xué)策略。目前深度教學(xué)理念已經(jīng)廣泛被用于品質(zhì)課堂、STEM教育、創(chuàng)客教育、PBL項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等教學(xué)中。

三、品質(zhì)課堂理念下，STEM課程的開展模式

品質(zhì)STEM課堂以三個(gè)核心為主，包括課程、活動(dòng)、評(píng)價(jià)。課程是基礎(chǔ)，是學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)技能的保證;活動(dòng)是提升，是在課程基礎(chǔ)上，對(duì)學(xué)生知識(shí)機(jī)構(gòu)的提升和完善;評(píng)價(jià)是反饋，學(xué)生可以通過(guò)評(píng)價(jià)知道自己的不足，教師可以從評(píng)價(jià)中了解課程的發(fā)展性。

三大核心相輔相成，在課堂中，采用問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)策略，最終的效果是使學(xué)生提升三個(gè)關(guān)鍵能力點(diǎn)，分別是掌握傳感器技術(shù)、培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力，提高科學(xué)素養(yǎng)水平。品質(zhì)課堂STEM課堂模型如圖所示：

四、STEM課程實(shí)施，打造品質(zhì)課堂的策略

STEM課程主要使用問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)策略。郭元祥指出：體驗(yàn)和探究是學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)的必經(jīng)過(guò)程，是學(xué)生學(xué)科能力發(fā)展的根本途徑。以問(wèn)題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)和探究具體知識(shí)所隱含的思想與方法，以及問(wèn)題解決的核心策略，是發(fā)展學(xué)生學(xué)科能力的基本要求，也是豐富學(xué)生學(xué)科經(jīng)驗(yàn)和課程履歷的根本要求。在課程實(shí)施過(guò)程中，我們采用如下的具體措施。

（一）基于觀察法和實(shí)驗(yàn)法，突出STEM教學(xué)的教育功能

觀察法是指研究者根據(jù)一定的研究目的、研究提綱或觀察表，用自己的感官和輔助工具去直接觀察被研究對(duì)象，從而獲得資料的一種方法。在觀察法中，為了能對(duì)觀察到的數(shù)據(jù)得出結(jié)論，往往還需要我們對(duì)數(shù)據(jù)歸納分類，對(duì)比分析。例如，在教學(xué)生制作碰碰車項(xiàng)目時(shí)，可先讓學(xué)生觀察碰撞傳感器主要有哪些部件，碰撞開關(guān)的長(zhǎng)度是多少，碰撞傳感器的接口線接在主板哪個(gè)數(shù)字端口。在編寫完碰撞檢測(cè)程序后，可讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)觀察表格，學(xué)生必須要對(duì)觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和歸類，才能得到正確的結(jié)論，這鍛煉了學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)歸納的能力。在實(shí)驗(yàn)法里我們可以以基于項(xiàng)目的形式去開展實(shí)驗(yàn)研究，提高學(xué)生的自我探究能力。在開展實(shí)驗(yàn)法教學(xué)過(guò)程中，可以使用實(shí)驗(yàn)探究表，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能有一個(gè)指引方向，做到自主學(xué)習(xí)和任務(wù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合。最后是重視小組合作，讓學(xué)生在小組合作中學(xué)會(huì)對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解。

在STEM教學(xué)中，如果能適當(dāng)加入各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究方法，久而久之，學(xué)生經(jīng)過(guò)潛移默化，在研究新生事物時(shí)，或在自己設(shè)計(jì)新項(xiàng)目時(shí)候，就會(huì)應(yīng)用上所學(xué)的探究方法，這無(wú)論是對(duì)于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，還是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)都有很大的幫助。

（二）在傳感器應(yīng)用教學(xué)中融入科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)

基本科學(xué)素養(yǎng)的主要內(nèi)涵包括三個(gè)方面：1. 對(duì)科學(xué)知識(shí)（科學(xué)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)基本觀點(diǎn)）達(dá)到基本的了解程度;2. 對(duì)科學(xué)方法達(dá)到基本的了解程度;3. 對(duì)科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)和個(gè)人所產(chǎn)生的影響達(dá)到基本的了解程度。在傳感器教學(xué)中，如何完成提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的使命呢？我們可以采用以下幾種方法：第一，講原理。例如講超聲波傳感器的時(shí)候，可以和聲音的特性聯(lián)系在一起，給學(xué)生講清楚聲音的傳播需要的介質(zhì)和聲音的反射。講軌跡傳感器的時(shí)候，可以和光的直線傳播和光的反射聯(lián)系在一起。講顏色傳感器的時(shí)候，可以和光的組合和光的三原色原理聯(lián)系在一起，并了解不同顏色的光可以組合成不用的顏色。第二，講應(yīng)用。先讓學(xué)生明白所講的傳感器的作用是什么，可以應(yīng)用在哪些方面。例如講人工智能攝像頭時(shí)，可以向?qū)W生介紹，現(xiàn)在所有停車場(chǎng)、人臉識(shí)別、二維碼掃描都用到視覺攝像頭，講光敏傳感器的時(shí)候，和光感應(yīng)燈聯(lián)系在一起，講震動(dòng)傳感器的時(shí)候，可以和地震監(jiān)測(cè)儀聯(lián)系在一起。第三，講設(shè)計(jì)。學(xué)生學(xué)完傳感器之后，利用所學(xué)的傳感器來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)作品，從而不斷提升學(xué)生的工程思想。

（三）課堂采用6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式凸顯工程思想

美國(guó)國(guó)際技術(shù)與工程教育學(xué)會(huì)于2014年提出的6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式，它包含六個(gè)階段，參與（engage）、探索（explore）、解釋（explain）、工程（engineer）、深化（enrich）、評(píng)價(jià)（evaluate）等六個(gè)環(huán)節(jié)。其中參與階段是指讓學(xué)生通過(guò)自主觀察發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，自我思考，并確定自己的主題任務(wù)。例如讓學(xué)生去觀察現(xiàn)在的老人怎樣用嬰兒盤給嬰兒洗澡，從而他們定下要設(shè)計(jì)《會(huì)溫度報(bào)警的安全嬰兒沐浴盤》的任務(wù)。探索階段是學(xué)生基于主題任務(wù)開展的探究活動(dòng)，學(xué)生在這一階段通過(guò)頭腦風(fēng)暴法或文獻(xiàn)法，去對(duì)第一階段確定下來(lái)的主題任務(wù)進(jìn)行可行性設(shè)計(jì)。解釋階段是學(xué)生用所學(xué)知識(shí)來(lái)解釋自己項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，從理論上證明設(shè)計(jì)的科學(xué)性。這一階段，教師會(huì)針對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的作品進(jìn)行初步檢驗(yàn)，并要求學(xué)生向教師解釋作品的設(shè)計(jì)原理，所使用到的傳感器。工程階段是需要學(xué)生利用工程思路來(lái)設(shè)計(jì)自己的作品，對(duì)自己的作品不斷的迭代。在這一階段，是學(xué)生自己制作模型和編程測(cè)試。深化階段是對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行拓展和深入研究，在這一階段，我們可以要求學(xué)生在功能上、外觀上完善自己的作品。例如原來(lái)的電梯模型只有2層，如何加到3層;淘氣機(jī)器人如何在外形上改進(jìn)，使其更可愛。評(píng)價(jià)階段是指按照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行多維評(píng)價(jià)，在這一環(huán)節(jié)，可采用小組評(píng)價(jià)、自己評(píng)價(jià)、教師評(píng)價(jià)的方式評(píng)價(jià)學(xué)生的作品和課堂表現(xiàn)，具體的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以參考STEM教育、創(chuàng)客教育評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（四）重視創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，讓課堂進(jìn)入微創(chuàng)新時(shí)代

在STEM課堂中，要重視創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。具體做法如下，第一課程設(shè)計(jì)上要突出微創(chuàng)新，立足的是知識(shí)的廣度而不是深度。不要求把系統(tǒng)做得多復(fù)雜，只需要學(xué)生在功能或程序方面進(jìn)行完善，強(qiáng)調(diào)的是微創(chuàng)新。例如在講《簡(jiǎn)易電梯》一章時(shí)，課本上電梯的結(jié)構(gòu)和功能還不是很完善，可以引導(dǎo)學(xué)生從外觀、功能、結(jié)構(gòu)等方面去進(jìn)行“增加”“調(diào)整”“代替”“改進(jìn)”，這就是微創(chuàng)新。讓學(xué)生了解，創(chuàng)新并不是一件很難的事。

第二，STEM課程的設(shè)計(jì)可以從生活中物品的改造入手，以智創(chuàng)生活為主題進(jìn)行開發(fā)。這些物品可以是喝水的水杯、掃把、臺(tái)燈，取材容易，成本不大，家長(zhǎng)也可以一起參與進(jìn)行親子活動(dòng)。例如，學(xué)生對(duì)家里的遙控器并不陌生，但有時(shí)往往要找很久才能找到，在此可以啟發(fā)學(xué)生，在電視遙控器上安裝一個(gè)接收器和蜂鳴器，當(dāng)找不到遙控器時(shí)，按一下安裝在固定位置的開關(guān)，遙控器上的蜂鳴器開始響，就能夠找到遙控器了。再例如家里的臺(tái)燈，我們可以啟發(fā)學(xué)生，安裝一個(gè)光敏傳感器，當(dāng)主板檢測(cè)到光線暗的時(shí)候，讓臺(tái)燈亮起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化。學(xué)生還可以參考以下實(shí)例：會(huì)自動(dòng)加熱的座位墊、倒水自動(dòng)顯示文字的杯子、自動(dòng)澆花器等。實(shí)踐證明，學(xué)生對(duì)這些設(shè)計(jì)是非常有興趣的，我們?cè)谡n堂中也很容易組織這些活動(dòng)。

（五）利用智慧課堂環(huán)境進(jìn)行高效課堂教學(xué)

在STEM課堂中，教師借助智慧課堂系統(tǒng)來(lái)提高課堂效率和課堂組織，實(shí)現(xiàn)教學(xué)決策數(shù)據(jù)化、評(píng)價(jià)反饋即時(shí)化、交流互動(dòng)立體化。學(xué)生在項(xiàng)目制作過(guò)程中，可以通過(guò)智慧課堂系統(tǒng)，提交自己工程筆記或模塊任務(wù)，教師通過(guò)查看學(xué)生工程筆記或模塊任務(wù)，了解學(xué)生項(xiàng)目進(jìn)度，及時(shí)介入遇到問(wèn)題而無(wú)法繼續(xù)項(xiàng)目的小組，實(shí)現(xiàn)教學(xué)決策的數(shù)據(jù)化。在評(píng)價(jià)方面，可以通過(guò)班級(jí)優(yōu)化大師系統(tǒng)，進(jìn)行課堂實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，提高學(xué)生積極性，實(shí)時(shí)把教師的評(píng)價(jià)反饋給學(xué)生，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)反饋即時(shí)化，在整個(gè)項(xiàng)目開展過(guò)程中，師生可以通過(guò)倒計(jì)時(shí)、隨機(jī)點(diǎn)名、生生互動(dòng)等方式實(shí)現(xiàn)交流互動(dòng)立體化。倒計(jì)時(shí)，可以對(duì)學(xué)生制作的任務(wù)計(jì)時(shí)，提高學(xué)生積極性;當(dāng)項(xiàng)目需要展示或回答問(wèn)題，可以使用隨機(jī)點(diǎn)名功能，讓系統(tǒng)自動(dòng)選擇一個(gè)學(xué)生或小組，使得學(xué)生可以高度集中精神;生生互動(dòng)可以讓學(xué)生對(duì)自己的項(xiàng)目進(jìn)行拍照或錄像，上傳分享，師生進(jìn)行點(diǎn)評(píng)討論。

五、打造STEM品質(zhì)課堂的成效

自學(xué)校開展STEM課程建設(shè)以來(lái)，無(wú)論是學(xué)校還是學(xué)生，都取得了不錯(cuò)的成績(jī)，集體榮譽(yù)方面，學(xué)校先后被評(píng)為東莞市首批百校創(chuàng)新人才培育基地、首批東莞市創(chuàng)客教育學(xué)校、2012—2017東莞市優(yōu)秀科技活動(dòng)學(xué)校;學(xué)生成績(jī)方面：2015年我校獲得第八屆亞洲機(jī)器人錦標(biāo)賽冠軍，從2017年?yáng)|莞市有科技特長(zhǎng)生政策以來(lái)，我校共有16位學(xué)生通過(guò)科技特長(zhǎng)生途徑進(jìn)入五大校和普通高中。負(fù)責(zé)課程建設(shè)的教師中，鄧漢盤老師被評(píng)為名師工作室主持人、信息技術(shù)學(xué)科帶頭人、綜合實(shí)踐學(xué)科帶頭人、廣東省青少年科技活動(dòng)咨詢專家，林輝德被評(píng)為初中綜合實(shí)踐教學(xué)能手。

■參考文獻(xiàn)

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