STEM項(xiàng)目課程化的探索與思考

葉耀 柏毅

[摘 要]STEM是實(shí)施科學(xué)教育的有效方法之一。STEM教育通常以項(xiàng)目的形式呈現(xiàn)，從教育的實(shí)際出發(fā)，STEM項(xiàng)目只有實(shí)行課程化才能更大程度地為STEM人才培養(yǎng)服務(wù)。在STEM項(xiàng)目課程化過(guò)程中，教師需要首先考慮“學(xué)生能收獲什么？培養(yǎng)學(xué)生怎樣的素質(zhì)？學(xué)生的創(chuàng)意體現(xiàn)在哪里？”，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)。普適性的STEM教育可以采取STEM項(xiàng)目的“課程化”與科學(xué)課程的“STEM化”兩種模式。

[關(guān)鍵詞]STEM；科學(xué)教育；課程化

一、STEM的科學(xué)教育特征

善于解決各種工程問(wèn)題的人才被稱為STEM人才，這樣的人才代表著一個(gè)企業(yè)乃至一個(gè)國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)力。一個(gè)工程問(wèn)題的解決離不開STEM（科學(xué)Science、技術(shù)Technology、工程Engineering和數(shù)學(xué)Mathematics）四門核心學(xué)科。但是對(duì)于STEM教育，形式本不是主要的。從本質(zhì)上看，STEM教育是為了培養(yǎng)具有“科學(xué)創(chuàng)新素養(yǎng)”的未來(lái)人而探索出的一種科學(xué)教育方法。雷朝滋在第四屆中國(guó)未來(lái)學(xué)校大會(huì)的致辭中提到，“科學(xué)教育”有兩層含義：一是科學(xué)學(xué)科的教育；二是用科學(xué)的方法進(jìn)行科學(xué)的教與學(xué)。“以自然科學(xué)的范式，以自然科學(xué)手段，特別是信息科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、生命科學(xué)與傳統(tǒng)教育科學(xué)交叉融合，研究教育科學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題”，這為科學(xué)教育的發(fā)展提供了思路。其中，依據(jù)“腦的自然學(xué)習(xí)法則”[1]將成為科學(xué)教育的首要依據(jù)。

創(chuàng)造力是人腦心智能力與行為能力的綜合呈現(xiàn)[2]。創(chuàng)造能力的核心要素是人類在總結(jié)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。原中國(guó)科學(xué)院理論所所長(zhǎng)郝伯林在一次談話中提到：一切可以發(fā)生與發(fā)展的才是可以教育的，以物理學(xué)為例，翻開大學(xué)普通物理教材，其目錄呈現(xiàn)的就是物理學(xué)發(fā)展史。以物理為例，是因?yàn)槲锢韺W(xué)科是一門相對(duì)成熟的科學(xué)學(xué)科。按照“可以發(fā)生、發(fā)展的就是可以教育的”這一觀點(diǎn)，則創(chuàng)造能力的核心要素是可以培養(yǎng)的。因?yàn)槿说拇竽X功能具有終身“重塑”特征，這樣的“重塑”依賴于“社、物、身、腦、心理”之間的一體化相互作用[3]。即：多器官共同參與學(xué)習(xí)的過(guò)程，才是腦有效“重塑”的保障。當(dāng)學(xué)生面對(duì)需要解決的問(wèn)題時(shí)，他們的學(xué)習(xí)或工作才是積極的。這對(duì)于學(xué)生形成科學(xué)的“概念與模型”具有決定性作用。神經(jīng)教育學(xué)認(rèn)為：不管是直覺(jué)決策系統(tǒng)還是推理判斷決策系統(tǒng)，掌握概念和建立模型都是決策必要的基礎(chǔ)，學(xué)什么概念，如何建立模型必然會(huì)影響決策判斷能力和創(chuàng)新能力[4]。

既然STEM教育直指創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，那么這樣的培養(yǎng)就應(yīng)該是面向全體公民的，而不應(yīng)只是小眾的專利。要開展普適于義務(wù)教育階段的STEM教育，就必須將STEM項(xiàng)目作課程化處理。以江蘇省太倉(cāng)市第一中學(xué)與東南大學(xué)兒童發(fā)展與教育研究所的合作研究為例，該項(xiàng)目選擇全體初一年級(jí)學(xué)生，在一個(gè)學(xué)期中，安排每周一節(jié)（共約16節(jié)課），進(jìn)行了“降落傘制作”的STEM項(xiàng)目課程化的實(shí)證研究。

二、STEM教育的課程化探索

1.確定課程內(nèi)容要素

課程任務(wù)：制作一個(gè)降落傘，使之能攜帶100克重物，從四樓下降，達(dá)到安全的落地速度（<1m/s）。

S（科學(xué)）：在“降落傘制作”項(xiàng)目中，要求知道重力是使地球上物體下落時(shí)加速的原因；知道空氣對(duì)運(yùn)動(dòng)物體具有阻力；通過(guò)探究感知空氣阻力的大小與面積、形狀、速度有關(guān)；知道阻力能使物體減速；初步理解一定質(zhì)量物體的運(yùn)動(dòng)速度與人體傷害程度的關(guān)系；初步理解安全下降落地速度；能運(yùn)用控制變量法對(duì)降落傘的面積、形狀、傘面材料、線長(zhǎng)、線數(shù)的選擇進(jìn)行研究。

T（技術(shù)）：能依據(jù)“放樣”技術(shù)，合理裁剪、拼接材料達(dá)到節(jié)約原材料的目的；能依據(jù)材料強(qiáng)度選擇合適的拴線技術(shù)，即能通過(guò)拴線保證傘面展開成一個(gè)有效的形狀、更加牢固及防止纏繞；能仿制圓規(guī)原理畫較大的圓。

E（工程）：初步學(xué)習(xí)工程制圖技術(shù)；理解分工合作對(duì)于工程的意義，如小組的領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)、資料的收集、材料的保管、討論和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的記錄、工程的設(shè)計(jì)、工具的操作、產(chǎn)品的制作等。

M（數(shù)學(xué)）：能依據(jù)降落傘圖片資料運(yùn)用相似比估算傘面大小以縮小研究范圍；能利用位似圖形的位似比確定傘繩的長(zhǎng)短。

2.確定創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)指標(biāo)

（1）培養(yǎng)閱讀能力

降落傘課程從閱讀達(dá)·芬奇于1483年畫在一個(gè)記事薄上的人類第一個(gè)降落傘的設(shè)計(jì)圖開始。這只降落傘與現(xiàn)代降落傘不同，它包含了4個(gè)等邊三角形，每條邊長(zhǎng)達(dá)7米，并設(shè)計(jì)了木質(zhì)框架，外形看起來(lái)就像一座金字塔。在這張圖的旁邊寫著：如果有人用一大幅涂上樹膠的麻布，每邊長(zhǎng)12碼（約10.97米），高12碼，那么不論他從多高處跳下來(lái)，都不會(huì)受傷。從這張圖開始，引發(fā)學(xué)生思考：你認(rèn)為達(dá)·芬奇的設(shè)計(jì)是否可行？說(shuō)出你的理由。

初一學(xué)生的回答十分有趣。包括“木頭框架要砸死人的”“涂上樹膠的麻布要被戳破的”“不可行，因?yàn)閺膩?lái)就沒(méi)有看見(jiàn)現(xiàn)代降落傘是這個(gè)樣子的”，幾乎所有學(xué)生都認(rèn)為“不可行”。學(xué)生之所以作出這樣的回答，其根本原因是缺乏“科學(xué)閱讀”的基本素養(yǎng)。反觀初中數(shù)理化的學(xué)科，“讀題”是很多學(xué)生的大問(wèn)題。在腦科學(xué)的研究中，眼動(dòng)儀可以有效分析學(xué)生在閱讀時(shí)目光是否停留在有效信息上。為此，教師要求學(xué)生：第一步，劃出核心詞；第二步，將劃出的詞分類；第三步，引導(dǎo)學(xué)生將上述文字歸為 “目的”與“條件”兩類；第四步，圍繞目的與條件探索可行的方法。

（2）培養(yǎng)不怕失敗的品質(zhì)

初一學(xué)生通常都急切地想展現(xiàn)自己的創(chuàng)意，從第一次制作與放飛的情況看，降落傘的結(jié)構(gòu)與降落效果可謂“五花八門”。學(xué)生用各種方法呈現(xiàn)自己對(duì)于降落傘的想法與創(chuàng)意，有鍋蓋形的（用鋼絲制作一個(gè)鍋蓋底），有雨傘形的（用竹簽制作），有“子母”形的（一大多小）。從效果來(lái)看，有成功的，也有失敗。而失敗才是STEM教育的開始。初一學(xué)生往往容易“勝則驕傲、敗則氣餒”，這在其他學(xué)科的學(xué)習(xí)中也很常見(jiàn)。在STEM活動(dòng)中，失敗很常見(jiàn)。教師應(yīng)正確引導(dǎo)學(xué)生面對(duì)失敗，使失敗成為促進(jìn)學(xué)生探究學(xué)習(xí)和解決問(wèn)題的開始。

（3）學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法

依據(jù)放飛時(shí)出現(xiàn)的情況，要求學(xué)生就“影響降落傘下降速度與下降穩(wěn)定性”的原因進(jìn)行有理論依據(jù)的科學(xué)猜想，當(dāng)學(xué)生得出“降落傘的下降速度及穩(wěn)定性與傘面面積、傘面形狀、傘面材料、線的根數(shù)、線的長(zhǎng)度諸因素有關(guān)”時(shí)，引入控制變量法與相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行科學(xué)探究。比如，各小組分別選擇一個(gè)規(guī)定變量制作降落傘，這樣既增加了學(xué)生“工程目標(biāo)”意識(shí)，又培養(yǎng)了組間的合作意識(shí)。即學(xué)生被要求制作一個(gè)符合設(shè)計(jì)圖紙的降落傘。如怎樣保證圓形、正方形、長(zhǎng)方形的面積相等；怎樣根據(jù)提供的材料，通過(guò)合理的裁剪、拼接來(lái)制作傘面；怎樣估算線的長(zhǎng)度等。

（4）培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析的能力

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尋找結(jié)論，這在其他教學(xué)活動(dòng)中常難以實(shí)現(xiàn)。比如，對(duì)于物理探究實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，時(shí)常出現(xiàn)教師明白而學(xué)生不明白的“信息不對(duì)稱”現(xiàn)象；在制作降落傘的STEM項(xiàng)目中，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了合格降落傘的大致數(shù)據(jù)指標(biāo)。例如：面積與配重之比的范圍是50～100cm2/g，且比值越大，落地速度越小；傘面材料密度越小越好，材料具有一定硬度更利于傘面展開；合適的線數(shù)是傘面舒展的保障；“線長(zhǎng)/直徑=1.5”時(shí)傘的降落最穩(wěn)定。

由于這些是學(xué)生親自實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，所以看起來(lái)很有親切感。同時(shí)，學(xué)生也會(huì)認(rèn)識(shí)到，只要多次進(jìn)行控制變量法的實(shí)驗(yàn)，就可以得到很多其他與降落傘有關(guān)的結(jié)論。

（5）培養(yǎng)寫作能力

撰寫自己的觀點(diǎn)這一科學(xué)素養(yǎng)要在不斷訓(xùn)練中發(fā)展起來(lái)。要讓學(xué)生寫出自己的觀點(diǎn)與設(shè)想，畫出自己的設(shè)計(jì)圖，交流自己的觀點(diǎn)與設(shè)想，評(píng)論他人的作品（要求從開傘舒展度、落地速度、穩(wěn)定性、制作質(zhì)量、藝術(shù)感幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)）。項(xiàng)目結(jié)束時(shí)要以小組為單位撰寫工程報(bào)告書，內(nèi)容包括：預(yù)期目標(biāo)、施工圖紙、技術(shù)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、實(shí)驗(yàn)感想、參與者任務(wù)等。如讓學(xué)生撰寫科技小論文《降落傘的科學(xué)原理》；讓學(xué)生完成一次降落傘的改進(jìn)設(shè)計(jì)（包括提出改進(jìn)點(diǎn)、改進(jìn)原理、制圖、預(yù)期等）。

（6）STEM文化的熏陶

STEM文化對(duì)學(xué)生的情感、態(tài)度、價(jià)值觀有重要影響。學(xué)生在STEM活動(dòng)過(guò)程中體會(huì)“辦法總比困難多”“失敗乃成功之母”“我們不應(yīng)該只著眼于自己完成了什么，而應(yīng)該看到還有什么需要完成”“科學(xué)家之間最常談?wù)摰脑掝}并不是已知的研究成果，而是他們尚未解開的科學(xué)問(wèn)題，以及要如何進(jìn)行下一階段的實(shí)驗(yàn)”“探究無(wú)止境”等，這樣的文化熏陶遷移到其他課程的學(xué)習(xí)中，將使學(xué)生受益匪淺。

三、STEM項(xiàng)目課程化的趨向

STEM項(xiàng)目與STEM課程的區(qū)別在于前者可以是孤立的、隨機(jī)的，而后者應(yīng)該是系統(tǒng)的、相對(duì)成熟穩(wěn)定的。作為課程，應(yīng)該具有分階段的、明確的、可以達(dá)成的教學(xué)目標(biāo)。

1.碎片化與系統(tǒng)化的調(diào)和

相對(duì)于目前學(xué)科教學(xué)的系統(tǒng)化而言，STEM教學(xué)中的學(xué)科知識(shí)呈現(xiàn)出碎片化的特點(diǎn)。而對(duì)于某一個(gè)特定的項(xiàng)目，各STEM相關(guān)知識(shí)點(diǎn)與能力發(fā)展點(diǎn)又具有了系統(tǒng)化的特征。也就是說(shuō)，學(xué)科教育與STEM教育是兩種不同的知識(shí)建構(gòu)途徑。較之系列化的學(xué)科教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)這些碎片化知識(shí)時(shí)，更能體現(xiàn)“從學(xué)科本質(zhì)的角度”去理解，這恰恰是傳統(tǒng)學(xué)科教育過(guò)程中被忽略的。因?yàn)椋瑢W(xué)科本來(lái)就是在解決問(wèn)題的過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的。如果能將各STEM項(xiàng)目的設(shè)置次序與各相關(guān)學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來(lái)，也就是學(xué)界提出的“整合的STEM”，那么碎片化與系統(tǒng)化是可以調(diào)和的。而且，以STEM項(xiàng)目作為載體，顯然更有利于學(xué)科教育。

2.STEM“課程化”與課程“STEM化”的選擇

就目前的課程體系來(lái)看，STEM教學(xué)有兩種選擇。一是作為一門獨(dú)立的課程存在于中小學(xué)課程體系中，這樣就必須實(shí)現(xiàn)STEM項(xiàng)目的“課程化”。就目前的實(shí)際情況看，這就猶如在基礎(chǔ)教育課程外，加入STEM課程，以達(dá)到對(duì)基礎(chǔ)教育課程的完善與補(bǔ)充。但這樣的課程化也必然會(huì)受到教師學(xué)術(shù)背景的影響。二是在各科學(xué)學(xué)科中滲透STEM理念，即課程教育的“STEM化”。目前階段，實(shí)施課程教育的“STEM化”，在操作層面上看似乎更容易些。

從資料顯示來(lái)看，美國(guó)的STEM教育也是經(jīng)歷了單學(xué)科的滲透STEM教育、多學(xué)科整合的滲透STEM教育、學(xué)生自主的STEM教育三個(gè)層次。由于學(xué)者在引進(jìn)STEM教育時(shí)，重點(diǎn)介紹了第三層次的自主STEM教育，以致第一層次學(xué)科教育“STEM化”沒(méi)有得到學(xué)界的關(guān)注。

3.微課程與STEM教育的結(jié)合

受教師學(xué)術(shù)背景的限制，在實(shí)施STEM教育的過(guò)程中，必然會(huì)遇到科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）、數(shù)學(xué)（M）方面相關(guān)知識(shí)與學(xué)科思維的挑戰(zhàn)，而在基礎(chǔ)教學(xué)中被評(píng)價(jià)為“碎片化”的微課程將成為有力支撐。由此而創(chuàng)作的系列微課程，在一個(gè)具體項(xiàng)目的學(xué)習(xí)中，恰恰形成的是一個(gè)有機(jī)的整體教學(xué)資源。于是，制作大量的與科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)相關(guān)，乃至與人文、藝術(shù)、科技閱讀、科技寫作等方面相關(guān)的微課程資源就成為必要。比如在降落傘制作項(xiàng)目中的《空氣阻力》《工程制圖初步》《怎樣進(jìn)行放樣》《栓線技術(shù)》等，有了這些微課程的輔助，學(xué)生的探究學(xué)習(xí)會(huì)更加有效。

4.工程與技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)的制定

科學(xué)課所涉及的內(nèi)容，在中小學(xué)都有課程標(biāo)準(zhǔn)作依托，便于教師把握教學(xué)難度。而STEM課程涉及到工程與技術(shù)，中小學(xué)教師通常缺乏相關(guān)學(xué)科背景，因此不易確定和把握相關(guān)的參考標(biāo)準(zhǔn)，比如處于不同學(xué)段的學(xué)生在紙工技術(shù)、木工技術(shù)、金工技術(shù)、電子技術(shù)、編程技術(shù)等方面可以達(dá)到的等級(jí)。我國(guó)新發(fā)布的《義務(wù)教育階段小學(xué)科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中，已將“技術(shù)與工程”內(nèi)容納入其中；美國(guó)《2014國(guó)家教育進(jìn)展評(píng)估的技術(shù)與工程素養(yǎng)框架》中也對(duì)此有詳細(xì)描述。這些都可以為教師們提供參考。

5.課時(shí)的安排

獨(dú)立設(shè)置的STEM課程需要引導(dǎo)、討論、設(shè)計(jì)與制作、實(shí)驗(yàn)、總結(jié)與反思等環(huán)節(jié)。按照目前一周一節(jié)的課時(shí)安排，對(duì)于制作與實(shí)驗(yàn)這樣的任務(wù)，往往出現(xiàn)“思維斷鏈”，如果改為連續(xù)的兩節(jié)課，甚至三節(jié)課的時(shí)間，會(huì)給課表的安排帶來(lái)困難；如果采用“科技活動(dòng)日”的方式，即在同一天，讓學(xué)生完成一個(gè)項(xiàng)目，又涉及同一年級(jí)沒(méi)有這么多的STEM課程教師等諸多問(wèn)題。因此，在課時(shí)安排上，要綜合考慮以上問(wèn)題。

6.STEM教育的出路

創(chuàng)造力對(duì)于個(gè)體發(fā)展、國(guó)家和民族發(fā)展都具有重要意義，因此學(xué)校和教師要為學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)展而教。但是目前，在很多學(xué)生與家長(zhǎng)看來(lái)，創(chuàng)造力與他們眼前正面臨的升學(xué)目標(biāo)沒(méi)有必然的聯(lián)系。為此，應(yīng)該使家長(zhǎng)和學(xué)生們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到STEM教育對(duì)于個(gè)體發(fā)展的重要意義，并考慮是否要將其列為學(xué)生升學(xué)時(shí)的一項(xiàng)參考依據(jù)。

STEM項(xiàng)目所呈現(xiàn)的教育功能，恰恰是目前基礎(chǔ)教育階段最缺乏的功能。無(wú)論是作為基礎(chǔ)教育的補(bǔ)充，還是作為今后教育發(fā)展的一種必然，在現(xiàn)階段，將STEM項(xiàng)目課程化，面向中小學(xué)全體學(xué)生開展STEM教育，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從STEM所呈現(xiàn)的教學(xué)方法來(lái)看，有理由相信，如果目前基礎(chǔ)教育課程的教師能夠理解STEM教育的理念與功能，那么任何學(xué)科，包括語(yǔ)文、歷史、道德與法治等沒(méi)有被STEM重點(diǎn)提名的課程，都具有STEM化的空間。因?yàn)镾TEM可以理解為一種科學(xué)的教學(xué)方法，這個(gè)方法的核心特征就是在解決問(wèn)題的過(guò)程中學(xué)習(xí)知識(shí)，并跨學(xué)科地應(yīng)用知識(shí)。這也正是倡導(dǎo)課程教育“STEM化”的依據(jù)所在。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯 郭向和）