|
编译：庄纯珍 东南大学脑与学习科学系 研究生导师：柏毅 作者：Chikahiko Yata, Tadashi Ohtani, Masataka Isobe  【摘要】：学校教育应提高科学、技术、工程和数学（STEM）能力。然而，STEM教育的研究和实践缺乏明确的定义和方法。而且，STEM领域中包含的技术的定位和特点尚不清楚。因此，有必要从技术教育的角度提出一个合适的STEM实践框架。我们参考了日本课程中科学、技术和数学领域的视角和思维方式，列举了教育系统对 STEM 中包含的每个学科的方法，同时参考了日本、美国和英国提出的工程定义，确定 STEM 教育中的工程概念。我们将工程（即创建结构、过程、系统等）定位为一项实用的 STEM 活动，并试图将其与数学、科学和技术的独特视角和思维方式联系起来。最终，我们根据日本课程中的学科原则，提出了一个实践 STEM 教育的概念框架。概念框架表明，改进 STEM 教育实践的一种方法是在工程活动中保留科学、技术和数学的原则。可以推断，实践 STEM 教育的关键是根据所提出的概念框架，设计和检查学习和活动过程的适当顺序和组合。虽然这个框架是理论上的，但它有助于确定 STEM 教育的适当实践，并阐明 STEM 教育和技术教育之间的关系是有用的。 【关键词】：概念框架、STEM、日语课程、学科原则、设计过程、工程 1. 介绍 1.1 STEM概念与技术教育 McGarr 和 Lynch（2017 年）发现，虽然利益相关者普遍认为，关注 STEM 对于支持美国的全球竞争力很重要，但“STEM 没有共同的操作定义或概念化”。STEM教育牺牲技术和工程为代价，偏向科学和数学。而且不同国家学科课程的不同性质。因此，可能有必要根据各国相关学科的特点，制定适合STEM教育的课程。STEM 教育的特点是具有创造性和探索性的学习活动。在创造性学习活动方面，需要从技术和工程的角度推动STEM教育的实践和研究。为此，下文概述了几种有助于与技术教育相关的 STEM 教育实践的学习模式。 1.2 STEM教育模式与技术教育 以下所述的是，先前研究试图开发一门以工程过程和科学探究为重点的科学技术教育课程。这些因素可以作为STEM教育的一种方法，并且已经对各种学习模式进行了研究。6E DeSIGN™学习模型是一个利用STEM技术和工程的教学框架（Barry，2014；ITEEA，2015）。课程中将参与、探索、解释、工程、充实和评估框架作为结构顺序的。在图1所示模型的简化版本中，工程设计与科学探究之间的关系可以解释为单向系统。  图1 作者参考 ITEEA ( 2016 )简化的 6E Learning byDeSIGN™ 模型 Wells（2016）提出了PIRPOSAL模型，该模型是作为STEM教育的一种方法开发的，不基于单个学科框架。如下图2所示，PIRPOSAL模型的中心是提问，其阶段（绘制在外侧）包括问题识别、构思、研究、潜在解决方案、优化、解决方案评估、迭代和学习结果。如双头箭头所示，每个阶段都与提问相关，这些阶段没有顺序，而是定位在与内部提问相关的活动中，内部提问是学习的出发点。在图2所示模型的简化版本中，工程设计和科学探究之间的关系可以解释为一种动态、相互关联的双向活动。  图2 作者参考 Wells ( 2016 )简化的 PIRPOSAL 模型 在科学教育中，设计学习环境可以促进对科学内容和实践的深入学习。Kolodner（2002）提出了Design™学习，这是一种基于项目的探究方法，通过承担设计挑战来学习科学内容和技能。Design™学习周期由两个并行过程组成。一个是“设计/重新设计”的过程，另一个是“调查和探索”的过程。学习者参与设计挑战，需要进行调查，并且在设计过程中需要时进行调查。从“设计/重新设计”到“调查和探索”的过渡由标记为“需要知道”的箭头表示，而从“调查和探索”到“设计/重新设计”的过渡由标记为“需要做”的箭头表示。这种思维方式有助于考虑工程和科学过程的相互关联性。在图3所示的该模型的简化版本中，工程设计和科学探究之间的关系可以解释为由“知道”和“做”的需求联系起来的不同活动。  图3 作者参考 Kolodner ( 2002 )简化的Design™ 学习模型 上述每个模型都考虑了科学探究与工程设计过程之间的关系。然而，尚不清楚每个模型如何将数学、科学和技术的独特内容、方法和概念以及它们在工程过程中的参与结合起来。在规划和实施STEM教育时，必须尊重各个学科的内容、方法和概念，并考虑在它们之间建立关系的必要性和重要性。 1.3 了解日本的 STEM 教育 在日本，虽然考虑了STEM教育与数学和科学之间的关系，但没有构建一个正式的学校课程，其中包括基于STEM教育概念的学习内容和方法。从国际视角看日本的STEM教育，Ritz和Fan（2015）报告了20位国际技术教育学者对日本参与STEM教育的看法，有人指出：“日本正在尝试STEM的一个版本，将算盘（索罗班）带回学校，帮助3-4年级的学生加强数学学习，更好地理解其关键操作。”然而，大多数日本教育者并不认为学习数学算盘是STEM教育的一部分，这造成了对日本教育的严重误解。为了解决这些误解，有必要结合日本科技教育的现状，思考并提出STEM教育的规划和实施方案。 1.4 研究目的 在STEM教育中，没有明确定义STEM学科相关能力的目标、方法和内容。当STEM教育在不同国家实施时，该国课程中学科的特殊特征与STEM教育的结果有关。因此，构建一个考虑到每个学科的视角和特点的概念框架方便规划和实施STEM教育。在STEM教育中的学习活动中，缺乏从技术和工程角度进行的研究。因此，从技术教育的角度出发，创建一个融合科学、数学和工程特征的概念框架非常重要。 在这篇文章中，我们根据日本教育中相关学科的特点，提出了STEM教育的概念框架。我们将讨论如何将科学、数学和工程定位在STEM教育的正确规划和实施中。我们的目标是提出一种改进的实施STEM教育的方法。 2. 日本的教育体制和技术教育 2.1 日本教育的素质和能力 首先，我们参考了日本课程中科学、技术和数学领域的视角和思维方式，明确教育系统中每个学科的方法。2017年，日本文部科学省（2017）制定了中小学课程大纲标准。新课程的目标将整个学校课程中培养的素质和能力分为“知识和技能”、“思考、判断、表达能力等”和“利用学习的能力等”。 2.2 日本教育中的“视角和思维方式” 教育部门根据各学科的特点概述了“视角和思维方式”，目的是让学生系统地掌握这些素质和能力。在新课程中，“视角和思维方式”被定位为每个学科的学习核心，旨在将各学科的学习与社会联系起来。在初中，技术、科学和数学的“视角和思维方式”的定义如表1所示。 表1 技术、科学和数学的“视角和思维方式”  技术的“视角和思维方式”包括“从与技术的关系的角度理解日常生活和社会中的现象，并思考着眼于社会需求、安全、环境负担、经济效率等优化技术”。（文部科学省，2018a）。这个定义被解释为强调制造产品和系统的优化，而优化/系统化被认为是技术学习活动的特征。 科学的“视角和思维方式”包括“从科学的角度理解自然世界和现象，考虑定性/定量和时间/空间等关系，并考虑使用比较和关联等科学探究方法”。这个定义被解释为强调通过考虑自然世界和现象来探究科学理论和规律探究中的思考也意味着探索理论/规律，这是科学学习活动的一个特点。 数学的“视角和思维方式”的目标是“理解现象，关注数量、数字及其关系，并进行逻辑、综合和发展的思考”（文部科学省，2018c）。这个定义被解释为强调通过数字和符号进行思考。使用数字和符号的逻辑思维被认为是数学学习活动的一个特征。 2.3 日本的工程教育 在日本，工程不是义务教育中的一个独立子学科，只是作为专业和高等教育的一个分支领域存在。因此，没有真正通用的工程概念。它被用于技术教育的学习过程中。在科学领域，制造被视为一种运用理论和规律的活动。在数学方面，数学建模被视为与设计相关的活动，并进行了研究和实践。因此，似乎可以通过检查每个学科与工程的关系来考虑STEM教育的框架。 3. 按国家划分的工程定义 接下来，为了确定STEM教育中的工程学概念，我们参考了日本、美国和英国提出的工程学定义。2014年，在日本的学术成就调查中，国家教育进步评估（NAEP）首次将“技术和工程素养”作为其目标之一。NAEP将工程定义为“一种系统且经常迭代的方法，用于设计目标、过程和系统，以满足人的需求”（国家评估管理委员会，2013）。这些定义强调了工程设计过程，例如用于创建事物和系统的活动。 在美国，美国国家工程院(2008)将工程学定义如下：没有一种职业能像工程一样释放出创新精神。从研究到实际应用，工程师们不断探索如何通过创造大胆的新解决方案来改善我们的生活，这些解决方案以意想不到的前瞻性思维方式将科学与生活联系起来。我们依靠工程师和他们的想象力来帮助我们满足21世纪的需求。在这个定义中，工程被视为一种职业，也被视为一种从思想中创造有用事物的活动。在英国，皇家工程学院(Malpas,2000)对工程的定义如下：为特定目的构思、设计、制造、建造、运营、维持、回收或废弃具有重要技术内容的东西所需的知识和应用的过程。表2总结了工程的各种定义，并表明它们是从各个方面定义的。 表2 各协会对工程的定义  在“技术素养标准：技术研究内容”（ITEA，2000）和美国国家工程院（2008）中，工程被视为一种职业。国家评估理事会将工程定义为“系统且经常迭代的方法”，这与STEM中包含的创造性活动非常吻合（国家评估管理委员会，2013年）。目前，STEM教育中的工程可以假设为基于“系统且经常迭代的方法”的创造性活动，例如在设计过程中使用。詹姆斯·戴森（James Dyson）参与了英国国家课程“设计与技术”课程的开发，他建议将设计过程作为一项教育活动加以强调。Dyson定义中的主要过程被认为是设计、构建和测试。基于这些想法，在本研究中构思STEM的概念框架时，我们将工程视为一个设计过程，这是一种创造性活动，并假设设计过程中的主要步骤是设计、构建和测试。 4. 提议的 STEM 框架 本文通过将日本课程中数学、科学和技术的视角和思维方式与日本、美国和英国的工程概念相结合，生成了一个 STEM 教育框架。我们将工程（即创造事物、过程、系统等）定位为一项实用的 STEM 活动，并试图将其与日本学习课程中数学、科学和技术学科的独特视角和思维方式联系起来。 图4以多层次的方式显示了设计过程（重复设计、构建和测试步骤）以及每个学科（数学、科学和技术）的独特视角和思维方式，这些视角和思维方式与“需要知道”和“工程需要”的背景相关，该框架将每个STEM学科组织为活动和思维模式，表明通过跨学科合作促进STEM教育的政策假设了科学、技术、工程和数学的共同性和独特性。  图4 工程设计过程与科学、技术和数学之间的关系 “工程需要”的一个例子是，在构建或测试过程中，需要利用量化公式和符号的视角和思维方式，对原型或模型的各个方面进行检查和测量。另一方面，当无法恰当地表示原型或模型的各个方面时，学习的必要性（需要数学的知识和思维方式等）就是“需要知道”的一个例子。此外，当优化等活动证明无效时，有必要在“需要知道”的背景下学习适当的优化过程和思考。 综上所述，我们认为STEM教育应在设计过程中保留科学、技术和数学的独特视角和思维方式，这是工程活动的一部分。在学校教育的规划和提供中，需要准确理解设计过程（重复设计、构建和测试步骤）与每个学科的独特视角和思维风格之间的多层次关系，根据学科的性质，从“需要知道”和“工程需要”的背景中选择和进行。可以推断，设计过程（设计、构建和测试）的适当顺序和组合，以及每个学科的独特视角和思维方式，将有助于完成STEM教育课程。 5. 讨论 在本文中，我们根据日本课程的学科原则，基于科学、技术、工程和数学提出了一个实践 STEM 教育的概念框架。提出的概念框架主要是指Design™学习模型，其中“设计/重新设计”和“调查和探索”的过程并行存在（Kolodner，2002）。设计、构建和测试的过程以及每个学科的视角和思维方式在“工程需要”和“需要知道”的背景下以多层次的方式重新关联。概念框架表明，STEM教育应在工程活动中保留科学、技术和数学的原则。这个想法类似于ITEEA（2018）作为STEM教育实践和研究原则制定的政策。 综上所述，STEM教育包括与设计过程和科学探究相关的问题解决活动，并适当利用每个STEM学科的知识，以及尝试开发与STEM领域相关的综合实用技能。因此，技术教育对于STEM教育的实践和规划至关重要。然而，本文中提出的框架只是理论性的，还不能提供具体的教学实践和学习活动。未来，当将这一理论框架应用于技术教育的现实特征时，这种局限性可能会带来困难。 6. 结论 我们根据日本课程中的学科原则，提出了一个实践 STEM 教育的概念框架。概念框架表明，STEM教育的实践应在工程活动中保留科学、技术和数学的原则。可以推断，实施STEM教育的关键是根据提出的概念框架，检查和设计学习过程和活动的适当顺序和组合。这种思考方式为STEM教育决策者和课程开发人员提供了STEM教育实践和研究的有用视角。虽然该框架纯粹是理论性的，但它有助于确定STEM教育的实践，避免STEM教育和技术教育之间的混淆。 本文是Chikahiko Yata , Tadashi Ohtani和 Masataka Isobe学者于2020年发表于International Journal of STEM Education的论文。 DOI：10.1186/s40594-020-00205-8 |
|
|
