STEM視野下科工整合路徑與創(chuàng)新人才培養(yǎng)

王唯真

摘要：我國基礎教育階段科學探究與工程設計的整合應以已有科學課程為載體，開發(fā)整合與不同學科內(nèi)容相關的工程設計任務，將工程設計作為科學知識在應用層面上的延伸，或在工程項目情境中兼顧探究科學原理和發(fā)展工程設計思路。科學教育領域專家應幫助教師把握整合STEM教育的目的，注重教學實施中科學探究與工程設計的有機結合，針對特定科學內(nèi)容開發(fā)電子計算機技術環(huán)境，在其中融合簡單的工程設計和科學原理探究等。

關鍵詞：基礎科學教育 STEM 科學探究 工程設計

STEM課程開發(fā)倡導由問題解決驅動的跨學科理科教育，整合STEM學科在國際上已成為科學教育政策主導和研究熱點。整合STEM教育，目的是給學生展現(xiàn)這些學科的現(xiàn)實面貌，讓他們體驗更真實的科學探究與工程設計實踐，幫助他們理解數(shù)學如何成為探究與設計的有力工具，技術的發(fā)展與應用如何拓寬科學的疆域，科學的發(fā)展如何幫助工程師把握技術原理和改進技術，以及STEM領域的實踐與發(fā)展是如何與自然世界和人創(chuàng)世界相互關聯(lián)和交互作用的[1]。

一、科工整合思路的借鑒與探索

科學探究與工程設計的整合，對我國基礎科學教育發(fā)展、創(chuàng)新人才培養(yǎng)都至關重要，應該成為我們努力的主要方向。筆者綜合分析國內(nèi)外對STEM整合課程的研究案例，認為適用于我國基礎教育階段培養(yǎng)創(chuàng)新人才的科工整合途徑主要有以下3個方面。

1.將工程設計作為科學知識在應用層面上的延伸

將工程設計作為科學知識在應用層面上延伸的一種手段，是源于工程學和應用科學之間本質上的一脈相承。在工程設計活動中，教師為學生提供一種接近實際生活的問題情境，引起學生興趣，幫助學生用科學思維解決問題、設計制品，鼓勵學生將科學知識應用到設計問題解決方案中，應用到制品設計反饋、合理性檢驗、方案權衡、討論修正等過程中，自然而然地強調(diào)了科學知識的應用、遷移和提升，以及創(chuàng)新、創(chuàng)造力的培養(yǎng)。一個有效的工程設計活動必定需要以一定的先前知識為基礎，而已習得的科學知識體系又在活動中得以再建構和深化，從而形成一個螺旋形循環(huán)往復的過程。

例如在“報警器的設計”[2]一課中，教師在項目開始之前先對學生進行了基礎知識的筆試，用多項選擇題的方式考查電流、電阻、電壓、串并聯(lián)等相關電學知識。這樣做是為了確保所有的核心概念都是之前教過的。學生由于個體差異，試卷分數(shù)有高有低，表現(xiàn)出對這部分知識掌握程度的不同。教師讓各組學生根據(jù)自己的需要設計出能用于特定場所、具有特定功能的報警器，并運用反映表實時反映學生是如何將科學概念運用到設計過程中的。觀察發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學生都會在串聯(lián)之前先采用并聯(lián)方式，他們將并聯(lián)稱作“完全連接”。學生反映，是因為學習的時候是先學習串聯(lián)再學習并聯(lián)，因此認為并聯(lián)是更全面有效更高級的方式，如果調(diào)換串并聯(lián)知識的講授順序，學生的操作順序也可能會相反。這說明學生在設計工程制品的時候，會主動調(diào)取已學過的知識，并在頭腦中作出簡單的權衡選擇，加以應用。工程設計項目結束后，教師又對學生的電學知識進行了后測。結果表明，學生該部分知識水平都有了顯著提高，并且在前測中表現(xiàn)得更好的學生提升的程度更大，這也反映了科學知識與工程設計融會貫通、相互促進的關系。

2.在工程項目情境中，兼顧探究科學原理和發(fā)展工程設計思路

這種整合思路更傾向于以工程項目為主，讓學生在實際操作過程中自己發(fā)現(xiàn)科學原理，主動探究科學過程，形成工程設計思路;或者以學生角色為主，教師角色轉變?yōu)橐龑д撸ㄟ^提出循序漸進的問題，采用“腳手架”等方式幫助學生進行科學推理，培養(yǎng)科學思維。由于工程項目通常是團隊作業(yè)，因此學生們的溝通表達能力也得到相應鍛煉，通過分享討論，他們能獲得比個人學習可能得到的更多的知識。

例如“降落傘”[3]項目，專注于航空航天工程，挑戰(zhàn)學生為宇宙飛船設計將要降落在比地球大氣更稀薄的行星的降落傘。一開始，教師先詢問設計之前需要弄清楚哪些問題，學生表示需要知道降落傘是在哪個星球使用、要用什么材料制作、需要什么附屬物……接著，教師向學生展示2個塑料瓶，分別充滿了有顏色的液體和空氣。2個塑料瓶代表2種不同的大氣，一個薄一個厚。教師向2個塑料瓶中同時丟進1顆高爾夫球，讓學生觀察并回答哪一個塑料瓶代表著更厚重的大氣。學生回答說是高爾夫球下降得更慢的那個。教師進一步詢問“為什么降落傘在密度更大的大氣里下降得更慢”，學生回答說是因為下降的時候需要將周圍的空氣排開。在這個過程中，教師啟發(fā)學生根據(jù)現(xiàn)象猜測原因。大氣模型幫助學生理解大氣厚度和密度對下落物體的影響，在工程設計的準備階段兼顧了對科學原理的探究。緊接著進入正式的工程設計階段，教師讓學生測試3個降落傘因素（頂篷材料，頂篷尺寸、懸浮線長度）中的1個（保持另外2個因素不變）對降落傘下落速度的影響。為此，學生需要用3種不同的頂篷材料（或頂篷尺寸、懸浮線長度）制作降落傘，從同樣的高度同時釋放3只降落傘，記錄它們著地的順序。分別實驗3次后，將實驗結果記錄在表單上。最后各組學生分享實驗結果，盡管每組只探討了1個因素，但通過匯總他們得以用更充分的數(shù)據(jù)得出降落傘各因素如何影響下落速度的結論。在分析解釋數(shù)據(jù)階段，教師要求學生解釋為什么更大的頂篷能使降落傘下降得更慢，很短的懸浮線對降落傘的表現(xiàn)會產(chǎn)生怎樣的影響，再一次引導學生主動參與探究科學原理。學生聯(lián)想到之前的塑料瓶現(xiàn)象，進行對比，嘗試透過現(xiàn)象剖析本質，得出更大的頂篷需要排除更多的空氣，所以更慢;更長的懸浮線能夠使降落傘徹底打開，所以更慢的結論。最后教師讓學生分析全班的數(shù)據(jù)，權衡各種因素的影響，制作出不僅下落得慢，還適合宇宙飛船的第2個降落傘。在新的工程設計任務中，學生頭腦中的背景知識跟第1次有了明顯的不同，因此他們會根據(jù)經(jīng)驗，利用之前研究中收集的數(shù)據(jù)，考慮其他隊員的意見，設計出更滿足要求的降落傘。在整個制作過程中，學生的工程設計思路也逐漸清晰起來。

3.在電子技術環(huán)境中融合簡單工程設計和科學原理的探究

根據(jù)科學機制建立計算機模擬環(huán)境，讓學生通過完成模擬工程設計任務探究科學原理，在引發(fā)興趣、鍛煉工程設計思維的同時，還可利用模擬技術展現(xiàn)難以感知的理想或微觀世界，降低科學學習難度。

用計算機為物理學科的學習提供一種物理環(huán)境和智力環(huán)境，其中一個具體的嘗試是“龜標”的使用，它可以幫助學生探索力學[4]。學生在屏幕的任何位置點擊便可以產(chǎn)生一個“力”，它將改變龜標運動中加速度的大小和方向，如果不點擊，它便以恒定的速度直線前進，這符合牛頓第二定律和牛頓第三定律。研究結果表明，學生很樂意花足夠的時間在動態(tài)龜標項目中，學生對于動態(tài)龜標逐步加深的理解，來源于對一系列不同策略下所繪制出的圖案的直接觀察。學生在嘗試中發(fā)現(xiàn)，若要使龜標朝著與前進方向偏離45°的方向前進，只需要在其前進方向的垂直方向施加一個力。動態(tài)龜標的使用，糾正了學生幼稚的力學概念結構，幫助學生對牛頓定律等物理學知識有了更深刻的理解和記憶。

二、我國現(xiàn)有科工整合嘗試與改進意見

國際STEM教育的發(fā)展為我國中小學科技教育改革提出了新的課題，為了適應這一發(fā)展趨勢，我國各地中小學也開始進行各種有益的嘗試。除信息技術、通用技術外，STEM教育還通過綜合實踐活動、研究性學習、專題講座等方式得到體現(xiàn)。

經(jīng)過調(diào)查，筆者發(fā)現(xiàn)重慶一些中小學除了組織學生開展與化學、生物、地理等科目相關的實踐活動外，還鼓勵學生參與各種各樣的艦船、飛機、建筑模型，機器人項目等偏重工程知識的比賽，而在相應的日常教學中，教師也有意地在科技課中穿插了這方面的指導。

筆者通過深入真實課堂，收集了一些整合工程設計的科技課實例，現(xiàn)提供一個較有代表性的課堂實例——塔吊的設計。首先，教師播放了一段反映塔吊安全事故的視頻，吸引學生的注意力，通過提供塔吊公司要招聘員工這樣一個事件背景，引出本節(jié)課工程設計的目標——制作穩(wěn)固的框架結構。教師為每組學生準備了1個由12根吸管構成的正方體框架結構，要求學生思考怎樣用其他的吸管對其進行加固。制作結束后，教師讓每組學生用逐步添加書本的方式測試框架結構的穩(wěn)固程度，并強調(diào)輕拿輕放，避免不相關變量對實驗結果的影響。測試結束，能承受最多書本的小組放置了19本，而最早結束的小組只放置了1本。學生對差異如此懸殊的結果產(chǎn)生了興趣，教師將這兩組的框架結構帶上講臺，讓學生觀察它們的不同之處。“一個根本沒有加固，一個在正方體的若干面的對角線上添加了吸管”，學生們回答道。教師繼續(xù)提問： “為什么兩種框架結構的承重力會如此不同？”引導學生們回憶起了三角形具有穩(wěn)定性的知識。緊接著，教師讓學生們思考三角形為什么具有穩(wěn)定性，當在三角形的一個角上施加力時，力是如何傳遞的。 “力是沿兩個邊分散傳遞的”，學生回答道，教師對這個答案給予了肯定，并補充說明分散的力在底邊又匯合在了一起，因此作用力被抵消，所以三角形具有穩(wěn)定性。學生認識到三角形對加固框架結構的作用后，被要求重新制作新的框架，這一次，教師讓學生對添加對角線多的框架和添加對角線相對少的框架進行對比測試，結果顯示前者更穩(wěn)固，進一步說明了三角形的穩(wěn)定性。學生們在整個工程設計項目中不僅體驗到了探索的樂趣，還弄清了現(xiàn)象背后的科學原理和規(guī)律。

在這些嘗試整合工程設計的科技課中，也存在著一些問題。首先，教師的代勞部分過多，具體表現(xiàn)在材料基本由教師準備，學生不能通過自己的思考選擇恰當?shù)牟牧现R點基本由老師總結，學生通過自己的觀察、查閱相關知識探索原理的機會不多;教師有時候刻意引導學生回答出自己教案里設計好的答案，甚至在學生回答之前先將答案板書在黑板上，禁錮了學生的思維，可能錯過學生很多具有閃光點的想法。其次，工程設計思路存在欠缺，一個完整的工程設計思路應當包括回憶已有知識、學習基本概念、梳理相關信息、計劃、實驗、解釋辨別、類比討論、批判性思考、求證改進、遷移應用等，然而其中的很多步驟在課堂實踐中并沒有被涉及到。第三，應當注重過程性評價的應用，在這種以實際操作為特點的科技課中，不應單純根據(jù)最后的設計制品評判學生的表現(xiàn)，而應當多采用學情調(diào)查表、科學日志、合作檢查清單等方式在項目的進行過程中隨時對學生的知識和能力進行評價。

筆者建議，在我國基礎教育階段開展科工整合課程，培養(yǎng)STEM綜合發(fā)展的創(chuàng)新人才，可以在現(xiàn)有嘗試的基礎上，從以下方面進一步思考和探索。第一，以已有科學課程為載體，開發(fā)整合與不同學科內(nèi)容相關的工程設計任務，將工程設計作為科學知識在應用層面上的延伸，或在工程項目情境中兼顧探究科學原理，發(fā)展工程設計思路。第二，科學教育領域專家?guī)椭處煱盐照蟂TEM教育的目的，注重教學實施中科學探究與工程設計的有機結合，針對特定科學內(nèi)容開發(fā)電子計算機技術環(huán)境，在其中融合簡單的工程設計和科學原理探究等。

參考文獻

[1] NRC. A framework forK-12 science education： Practices，crosscutting concepts， and coreideas. National Academies Press，2011

[2] Yaron Doppelt， Eli Silk.Engagerrlent and Achievements ：A Case Study of Design-BasedLearning in a Science Context.Journal of Technology Education，2008， 19（2）： 22-39

[3]athy P .achapelle ，Kristin Sargianis， Christine M.C Unningham. Engineer It， LearnIt ： Science and EngineeringPractices in Action_Step into anelementary classroom to see whatNext Generation Science Standardspractices look like. Science andChildren， 2013， 11

[4] A. A. diSessa. ComputationAs A Physical and IntellectualEnviromnent For Learning Physics.Comput & Educ， 4： 67-75

點評

2018年中國青少年科技輔導員協(xié)會征文主題為“科學教育：開啟培養(yǎng)未來創(chuàng)新人才的新探索”，而“從STEM到STEAM——跨學科的科學教育對培養(yǎng)未來創(chuàng)新人才的啟示”，亦是詮釋該主題的重要視角之一。本文作者依托對STEM整合課程的研究和自身教學實踐，提出了“將工程設計作為科學知識在應用層面上的延伸” “在工程項目情境中，兼顧探究科學原理和發(fā)展工程設計思路”“在電子技術環(huán)境中融合簡單工程設計和科學原理的探究”3個有益于科學探究與工程設計整合的途徑，對廣大科學教師和科技輔導員具有一定的啟示、參考或借鑒作用。

當然，如果作者能夠依據(jù)相關科學教育理論和更為全面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為上述論點提供佐證，以及進而能夠剖析其與科技創(chuàng)新后備人才培養(yǎng)的關系，則全文的學術性還會增色不少。

——翟立原（中國青少年科技輔導員協(xié)會理論工作委員會副主任委員，第26屆全國青少年科技輔導員論文征集活動評審委員會主任委員）