STEM教育的實(shí)踐探索

朱 凱 陳詠梅 李 銳 常樹(shù)巖

STEM教育的實(shí)踐探索

朱 凱 陳詠梅 李 銳 常樹(shù)巖

近年來(lái)，STEM教育受到各界的廣泛關(guān)注，特別是日前國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)計(jì)劃綱要實(shí)施方案》明確提出，在中學(xué)階段要增強(qiáng)學(xué)科間橫向配合，開(kāi)展跨學(xué)科實(shí)踐探究活動(dòng)。北京市八一學(xué)校在3年間進(jìn)行了各種STEM教育實(shí)踐探索，并已逐步建立起圍繞重點(diǎn)項(xiàng)目的系列課程。著重介紹了學(xué)校相關(guān)課程的實(shí)施步驟、策略及成果，希望帶給相關(guān)領(lǐng)域同行一些借鑒，共同思考未來(lái)的發(fā)展與實(shí)踐。

STEM教育；課程整合；項(xiàng)目引領(lǐng)；學(xué)科滲透

一、關(guān)于STEM教育TEM

STEM代表科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），數(shù)學(xué)（Mathematics）。而有學(xué)者認(rèn)為，STEM素養(yǎng)不只是上述4種素養(yǎng)的簡(jiǎn)單組合，而是把學(xué)習(xí)到的各學(xué)科知識(shí)轉(zhuǎn)變成一個(gè)探究世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的過(guò)程，它更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生在雜亂無(wú)章的學(xué)習(xí)情境中的問(wèn)題解決能力。在《2015年地平線報(bào)告：K12版》提出，STEM學(xué)習(xí)的崛起將成為未來(lái)一至兩年技術(shù)驅(qū)動(dòng)K12教育的重要趨勢(shì)。

在當(dāng)下，推進(jìn)跨學(xué)科知識(shí)融合的STEM教育，在幫助學(xué)生打好扎實(shí)的學(xué)科知識(shí)基礎(chǔ)的同時(shí)，以項(xiàng)目和真實(shí)問(wèn)題為引領(lǐng)，創(chuàng)新性的解決問(wèn)題，是近年來(lái)我們非常關(guān)注的話題。

二、STEM教育的實(shí)踐探索

我校對(duì)STEM教育高度重視，且具有前瞻性，近三年間學(xué)校在教師中陸續(xù)開(kāi)展了多項(xiàng)通識(shí)培訓(xùn)、專題培訓(xùn)，并以項(xiàng)目模塊為主導(dǎo)，進(jìn)行實(shí)踐教室的新建改建。在課程及活動(dòng)設(shè)計(jì)中也進(jìn)行了一些嘗試。

1.課程整合設(shè)計(jì)與實(shí)施

我們分析了STEM教育的核心特征，不難發(fā)現(xiàn)STEM的技術(shù)性、體驗(yàn)性、設(shè)計(jì)性乃至實(shí)證性與學(xué)校現(xiàn)有課程體系中的通用技術(shù)課有相似之處；而跨學(xué)科、協(xié)作性、情境性等又符合研究性學(xué)習(xí)的一些特點(diǎn)。基于此，我們以通用技術(shù)為切入點(diǎn)，將研究性學(xué)習(xí)與該課程進(jìn)行整合，以項(xiàng)目研究的方式開(kāi)展通用技術(shù)模塊內(nèi)容的學(xué)習(xí)，開(kāi)始了第一輪的STEM教學(xué)嘗試。

起初我們把它稱為“STEM課”，并列出了該課程的管理辦法，從指導(dǎo)思想到課程目標(biāo)；從組織機(jī)構(gòu)到課時(shí)安排乃至課程評(píng)價(jià)、教師職責(zé)都做了詳細(xì)的說(shuō)明。

我們以通用技術(shù)學(xué)科的選修模塊為載體，開(kāi)設(shè)了7門(mén)課程供學(xué)生選擇（見(jiàn)表1）。在教學(xué)內(nèi)容上，針對(duì)學(xué)生進(jìn)行研究方法的通識(shí)培訓(xùn)，繼而是基于任務(wù)的模塊基礎(chǔ)內(nèi)容的學(xué)習(xí)（見(jiàn)表2）。學(xué)生在掌握核心知識(shí)與技能后，在該模塊領(lǐng)域內(nèi)自主選題，以項(xiàng)目研究的方式完成接下來(lái)的學(xué)習(xí)。

表1　 STEM課程模塊內(nèi)容

表2　（續(xù)）

以電子控制與單片機(jī)模塊為例，課程涉及電子技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)及計(jì)算機(jī)編程等內(nèi)容，將硬件平臺(tái)和軟件程序相結(jié)合，整合物理學(xué)、電路原理和計(jì)算機(jī)等跨學(xué)科知識(shí)。課程采用開(kāi)源單片機(jī)硬件平臺(tái)Arduino，在便捷高效的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中編寫(xiě)代碼，配以多種傳感器組合，實(shí)現(xiàn)光聲電、無(wú)線控制與探測(cè)等多樣化、個(gè)性化的電子控制項(xiàng)目方案。

圖1　電子控制與單片機(jī)模塊的課堂教學(xué)

2.項(xiàng)目式引領(lǐng)

豐富的選擇、實(shí)踐性的任務(wù)，大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但在第一輪實(shí)踐中我們也發(fā)現(xiàn)，開(kāi)放性選題的輔導(dǎo)對(duì)授課教師的要求較高，學(xué)生開(kāi)題想法好，但結(jié)題成果欠佳。隨著跟進(jìn)的培訓(xùn)和理念提升，我們也開(kāi)始聚焦于選擇并開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)有針對(duì)性的，更為恰當(dāng)?shù)腟TEM教學(xué)項(xiàng)目。師資上學(xué)校采取了校內(nèi)培訓(xùn)與技術(shù)專家外聘相結(jié)合的方式。

我們與清華工業(yè)中心團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)設(shè)了3D打印機(jī)制作項(xiàng)目。該項(xiàng)目要求學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作一臺(tái)3D打印機(jī)，通過(guò)安裝Android操作系統(tǒng)的手機(jī)完成遙控，打印制作一個(gè)以環(huán)保為主題的創(chuàng)意組合作品。3D打印機(jī)項(xiàng)目涉及機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、管理等多個(gè)學(xué)科，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)合作的形式，在做中學(xué)，完成構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作全過(guò)程。學(xué)生學(xué)習(xí)使用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，軟件應(yīng)用與數(shù)學(xué)能力得到鍛煉；打印機(jī)的制作、裝配調(diào)試與結(jié)構(gòu)優(yōu)化充分體現(xiàn)了工程思想；在材料選擇及加工過(guò)程中，涉及了大量物理學(xué)、材料學(xué)的相關(guān)知識(shí)；而學(xué)生在數(shù)學(xué)課堂中所學(xué)的公式真實(shí)應(yīng)用在滑輪控制及打印頭移動(dòng)設(shè)計(jì)中；跨學(xué)科知識(shí)的融合在學(xué)生的設(shè)計(jì)原理報(bào)告中得以充分體現(xiàn)；成果匯報(bào)演講、宣傳海報(bào)設(shè)計(jì)、記錄短片制作、科普短劇表演等最終結(jié)果的展現(xiàn)，在很大程度上鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作，提升了人文素養(yǎng)。

教師常說(shuō)，學(xué)生常是眼高手低，想的挺好做不出來(lái)。但當(dāng)打印成品展現(xiàn)在眼前，看著這生動(dòng)的蘋(píng)果果核，試圖拆開(kāi)這無(wú)縫的立體結(jié)構(gòu)時(shí)，我們知道，從想到做之間的路已經(jīng)打通，“窮理以致其知，反躬以踐其實(shí)”。

圖2　學(xué)生用自己設(shè)計(jì)制作的3D打印機(jī)打印的作品

學(xué)生的興趣與潛能都被大大激發(fā)，通過(guò)不斷探索，劉哲、王豐翼兩位學(xué)生還設(shè)計(jì)制作出 3D打印、數(shù)控切割、激光雕刻一體機(jī)。該作品將3個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，采用箱式結(jié)構(gòu)，使用計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡G代碼來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電主軸、擠出頭、激光頭在3個(gè)方向均可自由移動(dòng)。這個(gè)新產(chǎn)品不僅讓電影中的面具打印機(jī)變成現(xiàn)實(shí)，3個(gè)系統(tǒng)的融合將成品的逼真效果大大提升。這種概念既節(jié)省了對(duì)于傳動(dòng)裝置、電器系統(tǒng)的需求，又很大程度上節(jié)約了制造成本。該作品獲得全國(guó)青年科普實(shí)驗(yàn)作品大賽第一名。

圖3　 劉哲、王豐翼設(shè)計(jì)制作的3D打印、數(shù)控切割、激光雕刻一體機(jī)

3.日常教學(xué)與活動(dòng)設(shè)計(jì)體現(xiàn)STEM教育思想

我們?cè)谡n程實(shí)踐中，面對(duì)創(chuàng)新的教學(xué)內(nèi)容，通常采取師生共同參與培訓(xùn)的策略。學(xué)校三十多位學(xué)科教師也報(bào)名參加了3D打印機(jī)的制作項(xiàng)目。理念培訓(xùn)結(jié)合實(shí)踐項(xiàng)目，教師慢慢將STEM作為一種教學(xué)方法滲透到日常。例如綜合課—火山，3D設(shè)計(jì)打印火山模型、通過(guò)化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M火山噴發(fā)過(guò)程、利用數(shù)學(xué)知識(shí)計(jì)算火山噴發(fā)影響的面積，都充分體現(xiàn)了跨學(xué)科的思想。

圖4　綜合課—火山

“探月任務(wù)”是我校科技節(jié)中的一項(xiàng)比賽設(shè)計(jì)。參賽隊(duì)員要設(shè)計(jì)制作一輛通過(guò)性好（爬坡、不同摩擦力地面），有抓取功能、自驅(qū)動(dòng)、尋址的車輛；設(shè)計(jì)制作帶有聲光效果的溫室模型；設(shè)計(jì)制作道具并進(jìn)行短劇表演；拍攝一段視頻介紹。這就是STEM。

圖5　綜合科技活動(dòng)—探月任務(wù)

三、問(wèn)題與思考

日前，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)計(jì)劃綱要實(shí)施方案》中明確提出：推進(jìn)義務(wù)教育階段的科技教育，增強(qiáng)中學(xué)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等學(xué)科教學(xué)的橫向配合。推進(jìn)高中階段的科技教育，鼓勵(lì)普通高中探索開(kāi)展科學(xué)創(chuàng)新與技術(shù)實(shí)踐的跨學(xué)科探究活動(dòng)。不難看出，從國(guó)家層面的政策引導(dǎo)，到社會(huì)發(fā)展對(duì)科技創(chuàng)新型人才的需要，在中學(xué)開(kāi)展STEM教育已成為必然。

然而，我們?cè)趯?shí)踐中也發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題：例如如何尋找科技素養(yǎng)普及與科技精英培養(yǎng)的平衡點(diǎn)；教師從傳統(tǒng)的單一學(xué)科教學(xué)到跨學(xué)科整合的理念及專業(yè)水平有待提升；適合的STEM項(xiàng)目資源匱乏；學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐項(xiàng)目上的大量時(shí)間精力投入與傳統(tǒng)學(xué)科學(xué)習(xí)間的沖突等。當(dāng)然應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題我們也有一些思考：以學(xué)校特色小衛(wèi)星項(xiàng)目為推進(jìn)重點(diǎn)，在技術(shù)類（通用技術(shù)、信息技術(shù)）學(xué)科中繼續(xù)加大項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，通過(guò)外引技術(shù)與校內(nèi)研發(fā)相結(jié)合，設(shè)計(jì)固化STEM項(xiàng)目；引入社會(huì)資源、高校資源，外聘教師與校內(nèi)教師培訓(xùn)相結(jié)合；建立STEM項(xiàng)目云平臺(tái)，豐富課程資源，提供學(xué)生展示空間；將學(xué)校原有科技教育與STEM教育、創(chuàng)客教育做有機(jī)融合；強(qiáng)化總結(jié)與評(píng)價(jià)；跨校聯(lián)合，共同開(kāi)發(fā)共享資源等。

四、結(jié)束語(yǔ)

STEM教學(xué)的探索我們剛剛起步，教育需要理性的思考與踏實(shí)的實(shí)踐。什么是一個(gè)好的STEM項(xiàng)目，到底如何設(shè)計(jì)出一個(gè)STEM項(xiàng)目沒(méi)有唯一答案，而這種開(kāi)放性的，需要思考并獨(dú)立實(shí)踐探知的過(guò)程也是STEM所必需的。

［1］ 任友群，張逸中.STEM視角看教育改革如何促進(jìn)科技創(chuàng)新［N］.文匯報(bào)，2015-07-17.

［2］ 余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式［J］.開(kāi)放教育研究，2015（4）：13-22.

朱凱，碩士，中教高級(jí)。陳詠梅，本科，中教高級(jí)。李銳，本科，中教一級(jí)。常樹(shù)巖，本科，中教高級(jí)。北京市八一學(xué)校，100080