K12阶段的STEM教育：整合的视角（下）

人到中年空间 2018-07-05

展开全文

翻译：陈信宇东大生医学院脑与学习科学系

作者：Lyn D. English

在这一节中，我将提供一个例子，说明如何在数据建模的活动中提高数学和工程的作用。

点击

阅读上一篇

了解更多详情

基于工程的数据建模

表2 数据建模的特性（English,2015）

用数据进行建模包含了重要的学习特性，这些特性促进了不同的整合形式，包括表1的交叉学科和跨学科方法。如表2所示，在整合STEM中对数据进行建模涉及到几个工程的特性：设计过程、问题解决和思考，以及测试、校正和改进产品。

在一个合作研究项目中（English and Mousoulides, 2015），来自塞浦路斯K-6城市公立学校的48名六年级学生（12岁）共同解决2007年明尼苏达州35W明尼阿波利斯大桥的结构故障问题。这对学生来说是一种全新的体验。

首先是一个引导性部分（35-45min），学生们看到了一篇关于大桥倒塌的文章和一个视频片段；然后，回答问题，建立对上下文及其数据的理解。在第二个部分（1h20min-30min），学生们得到了两张数据表以及问题描述。第一个数据表包括四种主要桥梁类型的关键特征（桁架、拱、悬架、斜拉），即每一座桥梁的优缺点、跨度范围、建造中使用的主要材料，以及设计工作量（低、中、高）。第二张表包含了两种主要的桥梁类型和一些关键特性，包括总长度、车行道的数量、建造难度和建筑成本。

问题陈述：明尼苏达州公共工程部迫切需要在同一地点建造一座新桥，具体参数包括一个大约1000英尺的高速公路和带有额外侧车道的四车道桥面。学生们通过创建一种方法（模型）来比较不同的桥型，以便在每个跨度中选择合适的桥型来帮助该部门。

学生们在3-4人（按数学成绩混合分组）的小组中工作，利用给定的数据来生成、提炼和记录他们的模型。这些小组将开发一个模型：（1）包括计算四种桥梁类型各自的成本（使用四种主要桥梁类型）；（2）为重建的桥梁提供最佳的类型。所有与桥梁类型、使用材料、桥梁设计、安全、成本有关的可能因素都要考虑在内。在最后一节课，每个小组向大家展示他们所生成的模型。

下面介绍一个学生小组的模型开发的摘录，他们讨论了多学科知识问题。

这组在排除桁架式时解释说：“倒塌的桥是一个桁架式”(学生A)“选择桁架桥型会让人没有安全感，会引起那些不好的记忆”(学生B)。该小组决定按照不同桥梁类型的成本排名，但在开发一个初始模型时发现需要计算每个桥型的单位成本，他们认为这不是最合适的解决方案。该小组得出的结论是，可以在初始模型中整合更多的因素：

学生C：我们的计算是正确的。没有什么错的。成本是非常不同的。

学生D：还有其他一些重要的因素影响成本，例如靠近海洋的桥梁是比较困难的。

学生C：是的，就像金门大桥一样。它太贵了，而且没有那么长。

学生B：成本不仅与桥（面）相关，而且与施工的难度有关，就像金门大桥一样。

回归到四种主要桥梁类型的关键特征（优势、桥梁跨度等）后，该小组得出结论，所有类型都有其优缺点。因此，决定一个合适的桥梁类型不能仅从这一组数据中确定。当学生们进一步研究数据时，就促成了模型开发的下一个阶段。学生们对之前关于初始成本模型的讨论的反思，也促成了他们向建立更全面的模式转变。该小组下一阶段的模型开发涉及到工程、科学和社会因素，他们决定将这些内容纳入其早期的模型中。这些数据包括车道，自行车和行人通道，以及每一座桥梁建设的难度等级。改进后的模型最受支持的是斜拉型，其次是拱、桁架和悬索桥类型。然而，在决定他们的最终模型时，学生们意识到了科学和工程问题，他们担心长跨度斜拉桥的稳定性，因此选择了拱型作为最好的解决方案。

学生们解决上述问题的过程，表明了他们是如何利用多学科特征的，印证了Charette（2014/2015）关于STEM整合的观点：如果我们真的想要培养能够批判性思考、解决问题并清晰地表达自己想法的学生，那么就需要系统的、跨学科的指导。

讨论

在这篇评论中，我主张更关注于STEM的整合，并更加平衡地关注每一个学科。具体来说，我一直认为，在STEM教育问题的研究中，很缺乏对数学和工程学的关注。在项目实施方面，我曾指出，有必要研究如何使STEM学科之间的联系更加明确。

有效的STEM教育项目，需要学生在两个或更多的学科之间建立新的、有成效的联系，这可以从学生的学习、迁移、兴趣和参与的改善中得到证明。这些成果要求学生必须具备特定的学科知识和表达能力，以及在这些表现转化时的灵活性（Honey，2014，第144页）。这些能力需要教师提供脚手架，尤其对于年轻的学习者而言。Dorie（2014年）的研究展示了成人脚手架是如何适当地促进年轻学习者“自然”工程天赋（“natural” engineering talents）的。然而，应该提供多少脚手架的问题需要进一步的研究。English和King（2015）建议，当学生建立对核心概念的理解，并将其应用于问题解决中时，需要平衡这种支持。