在STEM教學(xué)中與學(xué)生一起經(jīng)歷真實(shí)的項(xiàng)目

(東南大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210096)

1 引言

眾所周知，STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)四個學(xué)科的首字母組合，對STEM教育嚴(yán)格的定義雖然還有所爭議，但是一般認(rèn)為，STEM教育是一種多學(xué)科融合的教學(xué)模式，[1]有學(xué)者將STEM拓展為STEAM或其他更復(fù)雜的形式，以期STEM教育所涉及的學(xué)科不僅包括理工科領(lǐng)域，也應(yīng)包含人文、社會、藝術(shù)等社會科學(xué)領(lǐng)域。[2]

STEM教育目前已經(jīng)成為眾多國家提升自身綜合國力的重要戰(zhàn)略，[3]并給予了提升學(xué)生科技創(chuàng)新素養(yǎng)、提高學(xué)生創(chuàng)造創(chuàng)新能力等眾多期望。[4]在STEM教學(xué)的研究與實(shí)踐中，筆者一直在探索STEM教育到底能帶給學(xué)生怎樣的收獲。

2 項(xiàng)目教學(xué)與STEM的結(jié)合

目前，諸多文獻(xiàn)提出其實(shí)施的STEM教育與PBL(Project Based Leaning，基于項(xiàng)目的教學(xué))教學(xué)法是緊密結(jié)合的。[5-8]PBL面向現(xiàn)實(shí)世界、面向?qū)嵱玫慕虒W(xué)理念，有著蓬勃的生命力，因此也能和STEM形成天然的整合。[9]

STEM教育在國內(nèi)興起，是教育模式在長期應(yīng)試教育壓抑下的一次釋放，也是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的一種補(bǔ)充。大量的文獻(xiàn)對STEM與PBL進(jìn)行了諸多詮釋，教師在進(jìn)行STEM+PBL教學(xué)設(shè)計(jì)時往往會為遵循某種特性而過度設(shè)計(jì)，或者忽略一些重要細(xì)節(jié)，從而使教學(xué)過程失去了一些原本應(yīng)有的教學(xué)意義，這些問題包括：

(1) 過于為了真實(shí)的情境而創(chuàng)造“真實(shí)”的情境。在原有活動的基礎(chǔ)上“講故事”，從而形成模擬的甚至是虛構(gòu)的“真實(shí)問題”。

(2) 過于僵硬地執(zhí)行項(xiàng)目過程，不能真正理解項(xiàng)目中的每一個環(huán)節(jié)的真實(shí)作用。

(3) 過于生硬地進(jìn)行多學(xué)科融合，但是在融合中忽略了學(xué)科之間內(nèi)在的關(guān)聯(lián)，使得學(xué)科的融合變得生搬硬套。

(4) 教師給出了過于完美的解決方案，從而壓縮了學(xué)生創(chuàng)意和思考的空間，使得學(xué)生的動手過程變成了按圖索驥，也使整個課程變成了說明書式的課程。

(5) 課程設(shè)計(jì)重視學(xué)生自由探究的過程，但是過于放手探究，或過于重視課程作品的可展示性，對問題的探究淺嘗即止，忽視了引導(dǎo)學(xué)生抓住問題的本質(zhì)。

(6) 教師對項(xiàng)目的實(shí)施缺乏自信，由于教師本身工程經(jīng)驗(yàn)的缺失，難以把控整個項(xiàng)目的進(jìn)展，并難以解決學(xué)生在項(xiàng)目中遇到的各種問題。

3 真實(shí)的項(xiàng)目教學(xué)

無論是STEM，還是PBL，重要的不是具體的概念和范疇，而是在教學(xué)過程中，真正以學(xué)生為中心，為學(xué)生的探索、收獲和進(jìn)步去思考，并以開放的心態(tài)去面對項(xiàng)目，面對學(xué)生，面對學(xué)生的困惑。在這過程中，教師不一定是所有知識和技能的傳授者，但一定是整個項(xiàng)目過程的指引者、激勵者。因此需要教師和學(xué)生一起去經(jīng)歷真實(shí)的項(xiàng)目，共同去面對困難，相互鼓勵并提出有效的解決方案。

3.1 真實(shí)的情境

在目前的學(xué)科教育中，學(xué)生面對的問題具有一定的抽象性，它們雖然面向科學(xué)概念和規(guī)律，但是脫離生活和應(yīng)用，其潛在問題是學(xué)生不知道為什么要學(xué)，也不知道學(xué)了有什么用。面向真實(shí)的情境，是為了讓學(xué)生在實(shí)踐中的體驗(yàn)更加深入，是為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)后能運(yùn)用所學(xué)。也只有在真實(shí)的場景中，學(xué)生才會發(fā)現(xiàn)那些在習(xí)題與考試中不會考慮、卻又是至關(guān)重要的細(xì)節(jié)。

目前，教師們往往習(xí)慣于在每一個STEM主題的開篇，引入一個現(xiàn)實(shí)且具有應(yīng)用價值的情境。比如，在活動“搭房子”中，有教師創(chuàng)設(shè)的情境是因?yàn)榘l(fā)生了自然災(zāi)害，要重建家園。然而，真實(shí)的房屋與學(xué)生搭建的模型差異巨大，通過這樣的情境會不會讓孩子誤解建個房子就是像搭建模型一樣簡單呢？如果把情境變成“構(gòu)建倉鼠的家”，或者“小人國歷險記”，會更加貼近學(xué)生所構(gòu)建的房屋模型的屬性。

在真實(shí)的情境中，學(xué)生必須考慮模擬環(huán)境中“不需要”考慮的問題。一座模擬的房子可能不需要考慮樓梯，而對于倉鼠的家，那么每一層的樓梯就不可以是擺擺樣子，而是倉鼠真的能爬上去的。房子每一個空間，是不是倉鼠都能到得了？會不會有倉鼠通不過的通道？倉鼠排泄物的清理是否方便？倉鼠晚上喜歡睡在你為它搭建的“床”上嗎？這一系列的問題都是基于對真實(shí)情境的思考。

雖然我們在STEM中提倡問題的“實(shí)用”性，但有趣的問題亦可以是很好的STEM主題。曾有教師為一些趣味性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)用性的STEM主題的情境創(chuàng)設(shè)絞盡腦汁，比如“水火箭”和“水果電池”。但是，與其制造一個生搬硬套的應(yīng)用場景，不如坦然地和學(xué)生一起體驗(yàn)其“趣味”。

STEM情境的選擇，關(guān)鍵在于符合學(xué)生的學(xué)段，能與其平時所接觸的事物產(chǎn)生共鳴，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展和延伸。

3.2 理解工程的每一個環(huán)節(jié)

通常一個項(xiàng)目會經(jīng)歷許多步驟。不同的文獻(xiàn)對項(xiàng)目所經(jīng)歷的步驟描述是不同的，但大致都會經(jīng)歷前期調(diào)研、工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、測試分析等環(huán)節(jié)。[9-12]理解各個步驟在STEM活動中的作用，才能帶著學(xué)生真正融入這些過程，而不是表面上形式化的參與。

在文獻(xiàn)[9]和[10]中，STEM活動的各個步驟被設(shè)計(jì)呈環(huán)形，也就是對項(xiàng)目過程進(jìn)行整體的大循環(huán)設(shè)計(jì)。但是，在真實(shí)的工程中，回溯可能發(fā)生在項(xiàng)目的任意一個步驟，并可向前追溯到任意一個步驟。工程人員通常期望問題在整個過程中越早暴露越好，因?yàn)閱栴}越早暴露，那么修正該問題的代價也就越小，這也正是工程設(shè)計(jì)的重要價值所在。

設(shè)計(jì)是工程人員相互交流的最有力的語言。設(shè)計(jì)方案(圖紙)能夠讓所有的成員都明白團(tuán)隊(duì)要做什么，自己應(yīng)該怎么做，以及相互之間如何銜接。設(shè)計(jì)也是為了避免錯誤的發(fā)生，在動手之前，就預(yù)先能判斷問題，并進(jìn)行糾正。

3.3 多學(xué)科的、自然的融合

在實(shí)際的工程中，需要調(diào)用一切可用的理論知識和工程資源來解決問題。因此，面向真實(shí)問題時，STEM中的融合也不是簡單地將多個學(xué)科拼湊到一起，而是根據(jù)項(xiàng)目和工程的實(shí)際需要自然形成的。

例如在以筆者為主要設(shè)計(jì)者的南京師范大學(xué)附屬小學(xué)《博物館之夜》的課程中，為了解決報警器的問題，光學(xué)、信息學(xué)科自然地融入課程中；為了搭建模擬場景，結(jié)構(gòu)工程自然地融入了進(jìn)來；為了在有限的鏡子反射下建立更為有效的激光防護(hù)網(wǎng)，幾何學(xué)知識也會融入其中。

3.4 給予學(xué)生創(chuàng)意與思考的空間

開放性的路徑是STEM教育中學(xué)生思維培養(yǎng)的重要途徑。只有開放的達(dá)成途徑才能促使學(xué)生從多個角度去思考問題，去主動地尋找解決問題的方法，而不是由教師給出現(xiàn)成的路徑。因此，教師在STEM課程設(shè)計(jì)中，須避免面面俱到，在必要的環(huán)節(jié)進(jìn)行“留白”，給予學(xué)生思考和創(chuàng)意的空間。

真實(shí)的工程任務(wù)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)不可能是單一指標(biāo)，當(dāng)需要對多個工程目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)時，就必然出現(xiàn)不同的選擇。在工程設(shè)計(jì)中，多目標(biāo)的開放性設(shè)計(jì)是工程方案設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)沒有所謂的正確答案，只有更多更好的優(yōu)化方案。

開放性多元的設(shè)計(jì)方案，還需要多元的器材支持。STEM課程鼓勵學(xué)生盡可能使用身邊容易獲取的材料作為他們探究的器材。學(xué)生在選擇材料時，需要從材料的特點(diǎn)、材質(zhì)、用途、價格等多方面進(jìn)行考量，同時還需要考慮安全、環(huán)保等問題。

3.5 帶著學(xué)生去尋找問題的本源

為了更好地讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題，思考問題的本源至關(guān)重要。教師能不流于形式和表面，引導(dǎo)學(xué)生找到不同現(xiàn)象背后相同的本質(zhì)，或者能夠發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象背后截然不同的原因。很多科學(xué)課程中都有類似的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，比如探究暗盒背后秘密等，但這里所講的發(fā)現(xiàn)問題的本源，通常是在工程實(shí)施的過程中，能夠找到影響實(shí)施效果的各種關(guān)鍵因素。

在學(xué)生活動中，設(shè)置一些小小的不起眼的問題，往往背后卻有著重要的思維鍛煉意義。例如，我們總是說三角形最堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，那為什么在“雞蛋保護(hù)計(jì)劃”的STEM活動中，立方體結(jié)構(gòu)小組保護(hù)雞蛋的成功概率可能比三棱錐結(jié)構(gòu)小組更高？

尋找問題的本源，是運(yùn)用合理的科學(xué)和數(shù)學(xué)原理，抽絲剝繭，撥開云霧，去偽存真，看到影響事物進(jìn)展的關(guān)鍵性因素。這里既有科學(xué)的探討，更有對學(xué)生思維的鍛煉，以及面對問題的態(tài)度。在任何時候，我們都期望學(xué)生能養(yǎng)成勤于思考的習(xí)慣，因?yàn)樵谖磥硭鉀Q的任何問題都必須經(jīng)歷思考的過程。

4 建立STEM教師的自信

STEM教育對教師提出了新的要求，STEM多學(xué)科的整合，使得很多習(xí)慣于單科教學(xué)的教師無所適從，因而對STEM教學(xué)缺乏自信。新加入STEM教學(xué)領(lǐng)域的教師必須盡快進(jìn)行角色轉(zhuǎn)變，并建立起自身對STEM教學(xué)的自信。這些自信來源于以下幾個方面：

(1) 教師要多接觸科普書籍，拓展自身在科學(xué)領(lǐng)域的知識面，養(yǎng)成善于發(fā)現(xiàn)與思考問題的好習(xí)慣。

(2) 積極參與相關(guān)的STEM教育活動，親自動手感受STEM。只有通過自身的實(shí)踐，才會有更多的對工程技術(shù)的領(lǐng)悟和體會。

(3) 在課程教學(xué)中轉(zhuǎn)變角色，用更包容、更開放的心態(tài)看待自身與學(xué)生的關(guān)系。教師不再是唯一的知識技能傳授者。在STEM項(xiàng)目的實(shí)施過程中，教師更多的是項(xiàng)目研究的引領(lǐng)者、項(xiàng)目進(jìn)度的監(jiān)督者、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在遇到困難時的鼓勵者。教師也不是高高在上的項(xiàng)目管理者，而應(yīng)該更多地參與到學(xué)生的項(xiàng)目中，與學(xué)生一起共同進(jìn)步。

(4) 專業(yè)問題求助專業(yè)人士，讓更多不同背景的教師、專業(yè)領(lǐng)域人士(大學(xué)教師、企業(yè)工程師等)參與到課程中來，對學(xué)生技術(shù)上產(chǎn)生的問題進(jìn)行指導(dǎo)。

5 結(jié)語

STEM教育是學(xué)科教育的重要補(bǔ)充，同樣，“沒有學(xué)科知識和思維方法的支撐，僅僅通過STEM綜合活動，不可能有良好的培養(yǎng)效果。”[4]我們期望STEM教育能夠讓每一個學(xué)生都能受益，除了提高STEM素養(yǎng)與創(chuàng)新能力之外，我們還期望學(xué)生養(yǎng)成思考的習(xí)慣，在面對問題時勇于探索堅(jiān)持不懈。與學(xué)生一起經(jīng)歷真實(shí)的STEM項(xiàng)目，需要在STEM教學(xué)的過程中，透過形式化的外表，加深學(xué)生對項(xiàng)目本身的真實(shí)體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)意，引發(fā)學(xué)生對問題本質(zhì)的思考，并在此過程中，教師能夠?qū)虒W(xué)不斷地進(jìn)行反思與改進(jìn)。