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对STEM教育的研究越来越深入之后，不难发现，STEM教育代表了课程组织方式的重大变革。因为STEM教育的课程模式不再强调独立的学科，而是将科学、技术、工程和数学等内容整合起来，形成结构化的、连贯而有组织，同时又不乏开放性和创造性的课程体系。一个好的STEM活动，不仅要有富有吸引力的内容，还要体现以学生为中心的教育理念和科学、技术、工程、数学的相互碰撞，更应着重培养学生综合解决问题的能力和创新能力。这些无疑都体现在STEM活动的设计之中。 STEM跨学科课程或主题活动的教学设计中，最难之处在于如何选择活动、以及将所有活动有机的整合在一起。本文从科学探究与工程设计的联系与区别入手，着重分析以工程问题解决为主线的STEM教学模式，并提出链接科学与工程的相关策略。 壹 科学探究与工程设计的联系与区别 科学在于认识世界，解释自然界的客观规律，而工程和技术则是在尊重自然规律的基础上，改造世界、实现对自然界的控制和利用，解决社会发展过程中遇到的难题。科学与工程都尝试使用最适合的方法和工具来完成任务，他们都是创造性的过程，都不止使用一种方法，且都具有重复性和系统性。 根据对美国《k-12科学教育框架》《新一代科学标准》、我国《小学科学课程标准》的分析，下面给出科学探究与工程设计在目的和任务、研究方式、成果形式、评价标准等方面的联系与区别： 目的和任务 科学探究的目的和任务是解释关于某一自然现象，例如“天空为什么是蓝色的？”“为什么杯子里的热水会变凉？”，学生的科学探究任务在于认识和解释科学现象背后的科学概念。 工程与技术的目的则是解决一个由困难、需求或期望所应发的问题或任务，例如“怎样让房屋更保暖？”“如何解决漏水问题？”，学生开展工程过程学习的目的是了解科学、技术和数学是如何被用于解决实际问题的，而一个成功的解决方案应当达到一定的标准和面临一定的限制条件。 研究方式 在研究方法上，科学与工程有着很多的相似之处。无论是科学还是工程都需要通过实践来达成目标，计划并开展实践的过程中都需要用到模型、推理和辩论，都开展基于证据的论证过程。在科学中，使用模型使得超越可见范围、想象一个尚未可知的世界成为可能，而推理和辩论帮助识别一系列推论的优点和不足，以及找出自然现象的最佳解释的基础；在工程上，使用模型用来分析现有的体系，以寻找哪里可能存在缺陷、测试新问题解决方案的可行性，而推理和辩论是找出最佳可能解决方案的基础。可见，分析、辩论和评价是科学和工程学的研究得到认可的唯一途径，任何方法都可以运用在科学和工程的研究实践中。 成果形式 由于目的和任务的不同，科学和工程的成果形式也存在差异。科学探究活动的成果主要表现在所收集的数据，被用于检验的现有理论和解释、或正在被修正并发展出的新的理论和解释上，成果的形式往往是数据、论文、报告。工程与技术活动主要表现则是在多个研究方面和结果之间寻求平衡，以提出一系列的解决方案，并得出可行和优化的选择，成果的形式往往是模型、原型、可行性方案、工程设计书、产品设计报告等。 评价标准 评判科学研究结果时，往往在于其对当前研究问题给出的解释是否科学，是否与可取得的证据保持一致，是否能取得同行的认可。 工程技术的解决方案需要满足很多方面的标准和条件，诸如是否达到预期功能、技术的可行性、成本、安全性、美感以及对法律的遵守。评判工程解决方案的是实际效果，以及使用者的评价。 贰 以工程问题解决为主线的STEM教学模式 基于项目学习（Project-Based Learning，简称PBL）是适合STEM教育跨学科特征的教学方法。良好设计的PBL本身就是跨学科的，而且其本质是合作性的。STEM跨学科整合最核心、最重要的工作是项目或问题的选择和设计，如果没有良好的结构化项目设计，会导致学习困难、效率不高、挫折感强、学习收获不大等系列问题。 美国康尼狄格科学中心开发和编写的STEM案例提供了一种有效的STEM课程的整体思路——以工程问题解决为主线的STEM教学模式（见图1）。选取工程问题作为引入和主线是该模式的主要特点，工程问题在其中的作用不仅仅是引入，更重要的是能起到对整个学习过程穿针引线的作用，落实基于项目学习中的结构化设计。  图1：以工程问题解决为主线的STEM教学模式 该模式主要分为三个部分，即问题引入、背景经验学习、解决工程问题。 “问题引入”部分是项目学习的开端，起到任务引入和初步分析与思考的作用； “背景经验学习”紧接着“问题引入”，依据解决问题和完成任务的需求，将科学探究、技能训练和研讨衔接起来，为学生解决实际问题做好认知和技能上的准备； “解决工程问题”中工程设计的环节，让学生亲历运用知识和技能解决实际问题的过程。 通过三部分的有机结合，既解决了STEM教育中科学与工程相连接的难题，也实现了真正意义上的跨学科学习。 叁 链接科学与工程的教学策略分析   策略一： 真实情境的引入——促发科学与工程的结合 STEM跨学科活动需要联系日常生活中的问题或任务。以工程问题解决为主线的STEM教学的第一部分就是“问题引入”，包括所需要研究的问题或需要完成的任务。这部分有两个环节组成，一是情境引入，二是提出并分析任务，这也是学生探索活动的开端。通常情况下，教师需要结合学生的日常学习与生活，通过环境创设、资料展示等各种方式将一个真实情景引入课堂。情境要达成对科学与工程结合的促进，需要具有三个重要特性：
实例1：火箭 这是一个面向小学的STEM活动，其工程问题是：为即将举办的校园科技节的开幕式设计和制作可发射升空的火箭。这个项目来自于学生的兴趣，因为在一次讨论中，学生提出这样一个问题：在科技节的开幕上为什么总是发射现成买来的火箭？难道不能发射我们自己做的火箭吗？正是这个真实情景的问题，引发了一个STEM的学习过程，促发了科学与工程的结合。 实例2：自动浇花装置 面向小学的STEM活动——《自动浇花装置》，其工程问题来源于学校的实际需求。在即将放暑假之际，学生们开始担心教室里的植物在长达2个月的时间里没人照料，因此提出能否为这些植物设计一个自动浇花的装置的问题，这恰恰是一个非常有趣且吸引学生的工程问题，且其实用性和实效性不言而喻。 策略二： 引入之后的讨论、调研、再讨论——理清科学与工程的研究思路 将学生引入已创设的情境之后，学生会出现很多的问题，包括可以研究的、不能研究的、或是没有必要研究的。因此，聚焦到具体问题或任务上是此时的关键策略，这将帮助学生理解关键问题、理清科学与工程的研究思路。提出和分析任务就成为“问题引入”部分的第二个环节，也是非常重要的环节。教师将引导学生根据自身已有的经验对任务进行初步的讨论和分解，必要的时候还可以让学生开展最初的调查研究，使得之后的学习路径逐步明晰。 实例：电梯 《电梯》教学单元中教师创设了真实的工程问题情境：在你的家乡有一所中学已经通过增加教师和教室的数量来扩大科学教育。为了容纳新的科学教师，学校增加了科学教学楼的教室。由于这所学校的建筑是旧的，没有电梯。教师从一楼的准备室运送科学材料设备到教室很困难，老师们很抱怨。经学校研究批准安装一部新的电梯，问题是教学楼内部没有空间安装电梯，而电梯又必须能到达所有楼层（查看案例）。经过对这个情境的讨论，学生自然而然提出一系列的疑问，如：电梯有哪些类型？电梯是什么材质的？电梯是依靠什么实现上下运动的？电梯的基本结构有哪些？当电梯停在楼层中间时，是什么让它不掉下去？…… 教师将学生提出的问题都记录下来，并和学生讨论解决这个问题的方案和计划。首先学生发现自己对电梯知之甚少，要完成任务就首先得了解电梯的类型和结构；虽然学生们都知道用电力驱动电梯，却不了解怎样驱动，利用何种机械进行传动，以及如何进行控制；这些问题中既包括科学的知识、也包含技术，这帮助学生理清楚科学与工程中有哪些需要解决的问题，而且能在进入“背景经验学习”之后理解学习内容与问题或任务解决之间密切的关系。 策略三： 背景经验学习——科学与技术问题的逐个突破 顾名思义，背景经验学习的内容主要帮助学生积累必备的经验和能力。每个背景经验活动的设计都围绕“问题引入”的需要展开，与解决问题有直接关联。通过多个背景经验活动的学习，学生将掌握更多与解决问题相关的科学知识与技能，逐一解决在问题引入时提出的问题，为学生后期实际解决问题奠定基础。 实例：桥世界 《桥世界》是面向小学中高年级学生的STEM学习单元，其情境引入结合缓解所在地区的交通问题展开，计划建造一座新的桥梁，跨越流经本地的河流。让学生为此制定一份工程建议方案，其中包括桥的设计方案和模型制作。该主题的背景经验活动包括：环球桥之旅、感受张力与压力、桥梁中的张力与压力、扑克牌桥、桁架的形状、把冰棒棍粘起来、钢缆的角度、最合适的桥、虚拟土木工程师等9个活动，这些活动紧紧围绕完成桥梁设计和模型制作这一任务，并帮助学生学习有关结构、力的科学知识、以及搭建结构和连接材料的技能与方法。图2说明每个背景经验活动与问题引入的关系。  图2：背景经验学习活动与情境任务的关系分析图 真实问题具有一定的复杂性和多样性，涉及多个领域的认知和技能，即便是有丰富经验的成人，也需要深思熟虑地进行分析，然后再做出判断和决策。因此，在“问题引入”部分当学生开始面对一个复杂的生活问题时，往往不知道如何下手，也不知道如何思考。这时就需要通过与“问题引入”紧密联系的“背景经验学习”活动来帮助学生了解与该问题或任务相关的科学知识和技能，同时帮助学生一个个解决在问题引入中提出的疑问和困惑。可以说，背景经验学习活动是教师通过教学设计帮学生搭建的学习脚手架，学生通过攀爬这些脚手架积累起来的认知和经验，将有助于他再次面对真实问题是做出明智的选择。 策略四： 问题和任务的解决——直面科学与工程的真实现场 如果说背景经验学习中有较多的是科学探究活动和技术技能的训练活动，那么解决工程问题则是真正让学生经历工程过程，是直面科学与工程的真实现场。在现实生活中，为了解决实际问题，工程师通常会遵循一个多步骤的、反复的工程过程（见图3）：
 图3：工程过程的基本环节 实例：小车制作 《炫酷小车制作》是面向初中学生的STEM活动（查看案例），课程的一开始就提出该主题学习的任务是“利用身边的材料设计一辆具有动力的车，并实现运载的功能”。当教学进入到最后的任务解决环节时，首要的任务是引导学生对这个任务再次思考、识别和定义。为了让思考更深入，教师给出了可供选择的材料清单（包括材料的名称、单价）和制作成品的评价要求（见表2）。 表2小车成品评价表 评价标准对学生的产品设计和制作至关重要，就像现实工程项目必须考虑产品需求一样，面对评价表，学生开始分析哪些指标是重要的，哪些指标是次要的；他们不得不在一些限制条件下，在功能、成本、美观等之间达成妥协，形成最有本组特色的设计。可见，对工程问题限制条件和评价标准的具体化，不仅使任务更加明晰，明确了学生思考的方向；同时也给出了对学生最终成果的评价内容。 明确了具体任务，接下来学生就可进入设计与模型制作的环节，这可不是一个简单的拼装过程，也不是一个简单的模拟过程，而是一个真刀真枪干实事的过程。学生需要思考模型的选材、使用哪种工具、以及如何让设计成为实物，在模型制作的过程中，需要对部分或整体进行多次的检验和测试，收集各种数据，分析模型的性能，确保能符合预期并满足相关的参数与要求。这将不是一个固体顺序的过程，而是一个不断重复、不断修正的，具有迭代意义的过程。经历工程设计的过程将促使学生对工程过程的理解，他们将不会再把不成功视为失败，而是将它看成一个有价值的学习契机，并能运用其中的发现和说活建立更好的解决方案。 最后一个不能忽视的教学内容是交流与反思，这将是学生语言表达能力、文字表达能力、以及元认知得到提升的有效环节。教师可以开放性的让学生用各种方法来展示自己的作品，包括海报、PPT、微信、视频、工程建议书、产品推介会、成果鉴定会等。同时鼓励学生之间、小组之间、班级之间开展质疑和辩论，形成相互学习的氛围。 肆 结语 科学探究与工程设计的实践过程能否被有目的、有系统的链接在STEM活动中，这关系到学生能否真正理解工程过程、理解科学原理是如何被运用到真实问题的解决中去；同时也关系到整个学习过程所涵盖的内容量和学习要求。因此，解决这个问题是开展STEM课程与教学设计的核心与关键。 本文所分析的以工程问题解决为主线的教学模式，来源于教育教学的研究与实践，为解决科学与工程的链接问题提供了线索。但正如任何一项工程都不存在唯一正确的答案一样，相信在STEM课程和教学中如何解决科学与工程的链接也有多种有效的解决方案，这有待更广泛、更深入地教学实践与研究的挖掘与总结。 作者 杨元魁：东南大学生物科学与医学工程学院、儿童发展与学习科学教育部重点实验室 叶兆宁：东南大学生物科学与医学工程学院、儿童发展与学习科学教育部重点实验室 本文发表于《人民教育》2018年10期 |
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来自： 基础教育研究 > 《创新教育（STEM、创客）》
