基于STEM整合教育理念的课堂教学研究.docx
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1、2021 年第 10 期第 37 卷(总第 490 期)吉林省教育学院学报JOURNAL OF EDUCATIONAL INSTITUTE OF JILIN PROVINCENo. 10, 2021 Vol.37Total No.49043基于 STEM 整合教育理念的课堂教学研究郭 伟 1,徐飞飞 2,张 宇 3(1. 吉林省教育学院, 吉林 长春 130022;2. 长春南湖实验中学, 吉林 长春 130022;3. 长春吉大附中力旺实验小学, 吉林 长春 130031)摘要:整合已在高尖端技术的研究领域以及日益智能化的生活中变得越发普及, 我国也意识到了中小学的跨学科整合教 育对打造创新
2、型社会的重要性。 STEM 整合教育不仅有助于培养科学和技术人才, 还能培养学生的批判性思考、 创造性思维、 高阶思维、 STEM 思维以及学生毅力、 学习力、全球胜任力和责任担当等能力。 明确 STEM 整合教育的本质、 目标和成果, 确定 整合的领域和方法, 同时随着 STEM 教学设计的深入研究, 教师的课堂教学和学生的学习方式变得更有深度。关键词:整合教育;课堂教学研究; 整合教学策略doi:10. 16083/ki. 16711580.2021. 10.011中图分类号:G622 文献标识码:A 文章编号:1671 1580(2021)10004306STEM(Science,Tec
3、hnology,Engineering,Math ematics)整合教育是关于学生积极参与、 基于项目 的跨学科学习, 它运用了科学探究和工程设计过 程,通过团队合作解决实际问题, 它连接抽象知识 与学生的生活, 整合学习的过程和内容。 它包括一 系列不同的学习体验, 涉及一定程度的内在联系, 不局限于四门各自独立的学科, 而是更关注其整合 的意义和价值。 1 而 STEM 理念和实践的整合可以 增强对学科间概念的整合、 获得工程和技术知识、 促进对学生学习兴趣的培养。 科学新教材基于核心 概念和学习进阶理论进行编写, 部分教学内容实现 科学、技术与工程等知识的整合, 促进了学生参与 工程实
4、践和对重要科学原理的深入探索, 发展了学 生对跨学科知识的深度学习与理解。 科学学科新一 轮变革将聚焦于科学课程、 教学与学习方式的变 化,最大化地提升学生的科学素养。一、STEM 整合教育现状( 一 )国内 STEM 整合教育现状2021 年新课程标准要求每门课程花 10% 的时 间开展跨学科教育, 加强学科内知识整合, 强化学 科实践。2017 年制定的义务教育小学科学课程标 准倡导跨学科整合的学习方式, 并在教学实践中尝试 STEM 教育。同年,中国教育科学研究院撰写的 中国 STEM 教育白皮书 阐述了中国发展 STEM 教育的背景, 全面分析了我国 STEM 教育的发展成 果及问题与
5、挑战, 提出了“中国 STEM 教育 2029 创 新行动计划”以及具体的行动方案, 整合科研机构、 企业、社区和学校等社会资源创建 STEM 教育生态 系统。余胜泉等人介绍了两种跨学科整合模式, 即 相关课程、 广域课程, 同时分析了三种跨学科整合 的取向: 学科知识整合取向、 生活经验整合取向、 学 习者中心整合取向, 并提出了跨学科整合的项目设 计模式。 2李春密从横向和纵向两个维度对各国在 整合课程方面的特色和趋势做了比较研究。 3唐小 唯提出科工整合是最符合我国科学教育发展需 要的 STEM 整合类型, 即注重教学实施中科学探究 与工程设计的有机结合。 4郭玉英提到实现科学课 程整合
6、首先应围绕大概念组织知识内容, 建构统一 的概念体系, 在此基础上设计合理的学习进阶, 以 促进学生科学素养的连贯发展。 5(二)国外 STEM 整合教育现状2013 年 全 球 STEMX 教 育 大 会 上 多 次 提 到 STEAM,这里的 X 代表着计算思维、计算机科学、调 查研究、创造与革新及 21 世纪的知识与技能。 2014收稿日期: 20210825基金项目: 中国 STEM 教育 2029 行动计划“小学科学教学中落实 STEM 教育的策略研究”(2019STEM152)。作者简介:郭 伟(1987 ),男,吉林蛟河人,吉林省教育学院, 一级教师,博士。研究方向:课程与教学论
7、。徐飞飞(1985 ),女,吉林长春人,长春南湖实验中学, 硕士。研究方向:化学教育。张 宇(1992 ),女,山东日照人,长春吉大附中力旺实验小学, 二级教师,硕士。研究方向:材料物理与化学。年美国科学教育委员会发布的K12 年级 STEM 整 合教育现状、前景和研究议程对美国 STEM 整合教 育实施提出了建议。 62015 年奥巴马签署的STEM 教育法将计算机学科整合到 STEM 教育中。随后, 美国研究所与美国教育部发布STEM 2026:教育创 新愿景,指出要打破 STEM 学科间以及与其他非 STEM 学科间的分界线, 将跨学科的学习方式整合 到 P12 课程中, 并且整合科研院
8、所、 大学、企业、 图 书馆等资源打造网络化和参与度高的 STEM 教育实 践社区。 2017 年,美国 STEM 教育峰会提出以化学 学科为核心的整合式 STEM 课程开发模式, 通过工 程设计实现 STEM 跨学科整合, 构建整合式 STEM 教学层级量表, 从学习目标整合、 STEM 概念和技 能、学科内容知识、学习成果等维度将 STEM 整合分 为探索性整合、 发展性整合和完成性整合三个层 次。加拿大科学教育共同框架 将科学与技术、 社 会和环境相联系与整合, 同时以“共通概念”整合学 科间的概念体系。 法国倡导主题整合引领教学内 容,芬兰的核心课程标准将所有学科以课题的形 式整合。二
9、、STEM 整合教育研究框架STEM 整合教育研究框架聚焦三个方面 目 标、成果、整合本质, 每个方面都有独特的内容, 但 在实践中它们是相互依存的。( 一 )STEM 整合教育的目标1学生目标STEM 整合教育的目标为培养学生的 STEM 素 养和 21 世纪能力, 这些能力是认知能力、 人际能力 和内在能力的整合, 可以支持学生更深层次的学习 和知识迁移。 认知能力包括批判性思维和创新能 力;人际能力包括沟通、 协作和责任担当能力; 内在 能力包括灵活性、主动性和元认知。另外 STEM 整合 教育的目标还有培养具备 STEM 能力的人才, 提高 学生对 STEM 学科的兴趣和参与度, 能够
10、在 STEM 学科之间建立联系, 并利用这些联系改变学习的方 式,从而对核心概念或大概念深入理解, 形成比在 单个学科的边界内更完整、 范围更广的知识。2教师目标STEM 整合教育的另一个目标是教师, 教师要 与特定课程相关的专业开展合适的教学教研活动。 这些课程的目标是增加教师的学科知识和教学内 容知识, 以及促使教师对学习与教学方式进行研 究。这些知识既与 STEM 学科相关,也与学科之间的 联系相关。 跨学科整合的教学模式至关重要, 因此 提高教育者在他们很少接触的学科上的教学技能是必要的, 尤其是针对很少接触数学、 科学或工程 方面的校外教育者, 应适当开展整合课程 STEM 专 业发
11、展项目。(二)STEM 整合教育的本质STEM 整合教育的本质是为解决实际问题而 让学生积极参与跨学科项目的合作式学习, 是将多 个学科的概念结合在一起, 把一个概念从一个主题 连接到另一个主题的实践, 或者结合科学探究和工 程 设 计 两 者 的 实 践。在 STEM 整 合 教 育 中,一 个 STEM 学科占主导地位, 是在一个内容领域中开发 学生的知识或技能, 其他学科的概念或实践通常是 为了支持或加深对目标学科的学习和理解。 影响 STEM 整合教育本质的重要因素是 STEM 整合方式 和突出 STEM 实践与否。(三)STEM 整合教育的成果STEM 整合教育的成果是知识和成就、
12、STEM 课程实施、 学习方式的转变与教学模式的确定、 STEM 学科间的转化理解能力。 它对于培养学生的 重要成果是知识和成就、21 世纪能力、STEM 课程学 习、STEM 兴趣、能够在 STEM 学科之间建立联系。 STEM 整合教育在教育者方面的成果是在恰当的教 学模式中实践、 增强教师 STEM 教育课堂实施能力 和教学内容知识。三、STEM 整合教育的实施策略实施 STEM 整合教育必须考虑施教时的教学方 法 与 策 略、学 习 方 式、评 价 与 教 学 等。课 堂 上 的 STEM 学习可以作为“元学科”,在这样的框架结构 下,课程在课堂的呈现以整合的方式推进, 促进了 学生对
13、教学内容的深度理解以及科学素养的形成。( 一 )多学科与 STEM 整合1. 社会科与 STEM 整合社会科在中小学的课程范围内包括心理学、 历 史、政治学等学科, 肩负着培养学生社会责任感、 社 会自豪感和民族教育的重担。 给学生提供跨学科整 合课程的学习体验时, 学生会投入到所有的学科内 容中, 他们的学习兴趣超越了学习单一学科时, 这 样 的 学 习 可 以 开 发 学 生 创 新 的 潜 力。社 会 科 与 STEM 整合教学是让学生获得概念性理解的教学, 注重设计学习体验, 教学设计要考虑学生的前概 念、兴趣、 最近发展区等。 跨学科整合的社会科 STEM 教育首先要有明确结果, 选
14、择能够长期研究 的主题, 课程的设计者在不同科目的标准之间建立 联系,然后探究每一学科的标准和学习项目与所围 绕主题之间的联系。 其次,确定过程性学习的证据, 以具体可操作的项目评价计划开始, 注重形成性与44发展性评价, 使学生学习的潜力发展最大化。 再次, 选择合适的教学策略、 教学活动、 教学顺序和教学 资源。最后,要反复反思与行动, 鼓励学生用学到的 知识来解决现实生活中的真实问题, 同时反思自己 的学习过程。2. 科学阅读和写作与 STEM 整合科学阅读与写作是对科学研究的过程和结果 进行资料信息的处理、 记录和书写, 主要包括大量 研究内容的阅读, 研究计划、 实验记录、 实验报告
15、、 科研论文的撰写, 因此为了提升学生的综合素养, 将科学阅读与写作纳入 STEM 学科是必不可少的。 科学阅读以及有创意的写作纳入 STEM 学习是有价 值的创新, 学生能够更好地深入学习和理解知识, 同时也能爱上写作, STEM 学科与创意写作的融合 培养, 能够造就有创造力的思考者、 问题解决者和 表达创新想法的发明者, 真正实现创新人才的落地 培养。把科学、工程、技术和数学学习与写作整合在 一起,可以打通不同学科的联系, 推动跨学科教学, 让探索发现成为学生学习的动力, 并培养学生深度 学习的习惯, 引导学生成为拥有创新思维, 又有一 定解决实际问题能力的人。3. 计算机科学与 STE
16、M 学习深度整合STEM 整合教育需要新型技术的支撑, 编程与 人工智能教育的蓬勃发展为 STEM 教育的发展提供 了很好的契机, 人工智能是计算机科学的一个分 支,而 21 世纪核心素养包含数字信息与通信技术素 养,因此计算机科学与 STEM 学习深度整合是培养 学生跨学科综合素养的一种极佳方式。 而 STEM 整 合教育的两个目标人群是学生和教师, 构建基于人 工智能技术的 STEM 跨学科教育融合模式是未来的 一个重要的整合方向。(二)STEM 知识、技能、态度与价值的整合STEM 科目知识包括规律性知识、 跨学科知识、 综合实践知识, 技能包括认知和元认知技能, 社会 交际情感技能、
17、亲身实践技能。 态度价值包括拥有 实事求是的严谨态度、 尊重真理与客观规律、 独立 探索、勇于创新和质疑与批判、 平等合作。 将 STEM 知识、技能、态度价值整合并融入课堂可以培养学 生的 STEM 学科素养, 促使学生将这种能力变成一 种习惯,具备终身学习的能力。 STEM 教育不仅传授 STEM 科目知识, 还致力于培养批判性思考、 问题解 决、高阶思维、 设计和推理等技能, 并传授学习毅 力、适应性、团队合作、组织能力和责任担当等行为 能力, 同时帮助学生发展批判性思维技能和问题解决技能。(三)思维整合STEM 思维的形成教育要着重培养学生的思维能力, 因为思维能 力是学习能力的核心要
18、素之一。 思维是人类用语言 或符号对客观世界发展的思考和表达过程, 人的思 维活动在思维情景、 思维对象、 思维内容、 思维形 式、思维结构、 思维过程等方面都要受到实践活动 的制约和影响。 科学思维指人脑对科学的现象、 研 究对象、过程等研究领域的内在规律及事物间的联 系和相互关系的间接概括反映。 工程思维是指人们 综合运用科学、 技术、社会、人文、管理科学等方面 知识在进行工程设计、 研究与建构实践过程中解决 工程实践问题时所形成的独特的系统思维方式。 技 术思维是人类采用综合分析、 抽象、形象思维的方 法, 通过对技术信息的反思处理与分析按照技术逻 辑的要求去解决技术问题的一种特有的思维
19、活动。 数学思维是指对数学对象进行某种领悟和洞察的 思维, 用数学的观点去思考和解决问题。 计算思维 是有广泛价值的思维技能, 能帮助人们解决问题、 设计系统和理解人类行为, 使每个学习者都有能力 评估信息、 分析问题, 并通过适当使用数据和逻辑 思维制定解决方案。 思维整合致力于形成 STEM 思 维,STEM 思维是按一定的结构、 方法和程序将科学 思维、工程思维、 技术思维、 数学思维、 艺术思维等 结合起来从多层次、 多角度对要解决的实际问题进 行综合性思考的高阶思维。(四)STEM 教育中教学方式的整合STEM 课堂教学方式是当下教育研究的热点, STEM 教学重点在于培养学生的 S
20、TEM 思维能力, 引导学生学会批判质疑和创新发现。 与 STEM 教育 相匹配的教学方式是以学生为中心、 强调动手实 践、以科学探究和工程实践为基础。 在课堂教学方 面包含了多种教学方式, 例如以学生为中心的项目 学习、问题化学习、体验式和开放式的教学方式。1. 基于问题学习的 STEM 教育基于问题的学习是一种体验式教学策略, 鼓励 学生积极学习, 让他们参与到结构松散的问题中, 这些问题与他们在生活中遇到的情况相似, 并且可 能 有 多 种 解 决 问 题 的 方 案。将 问 题 学 习 整 合 到 STEM 教育中是一种很好的尝试, 它的中心特征是: 学生中心论、小组合作、教师角色作为
21、引导者、 现实 问题作为学习的最核心焦点和刺激、 通过自主学习 获得新信息。2. 基于项目学习的 STEM 教育项目式学习是以学生为中心的合作性学习活动,通过学生自主提出问题、 设计方案、 解决问题、45评价和反思这个探究过程解决多学科的有实际意 义的问题, 使学生更高效地理解学科知识, 并培养 学生的 21 世纪实际技能。基于项目学习的一般特征 包括主题引入、 任务确定、 调查研究、 资源收集、 搭 建脚手架、 团队合作、反思交流。基于项目的学习已 经实施很多年, 但是与中小学的 STEM 教育整合在 一起是新的尝试, 因此 STEM 项目教学法应运而生, STEM 项目教学由教师创设教学情
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