初中科学课程教学实践研究,创客教育

 国际学校     |      2020-03-13 11:50

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——2017年6月22日

文章在探讨STEM整合教育的可借鉴性基础上,探究在现有条件下开展STEM优化科学探究教学的有效模式,以重庆一中初中科技课作为实践平台,对“伪全息3D投影制作”个案进行分析。为有效融合STEM课程理念,该案例尝试以5-E教学模式,即参与、探究、解释、详细说明、评价5个阶段开展教学,希望能获得更多同行的建议指导。

创客教育与STEM教育、科学教育的异同

| 第十组 王楠楠、李欣婕、张蓉蓉|

【摘要】数字化时代,教育形式也在悄然发生着变化,注重创造的创客教育、强调跨学科的STEM教育和科学教育在当今教育领域蓬勃发展,本篇文章着重总结了STEM和科学教育的特点并对侧重的教学领域进行了比较,力求为教育发展提供较为简明的参考。
【关键词】创客教育;STEM;科学教育

STEM

学前教育未来关注点:

STEM;5-E教学模式;伪全息3D投影;科技课

一、STEMD教育定义及特点

STEM最早是由美国国家科学委员会发表的《本科的科学、数学和工程教育》报告提出的,是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)及数学(Mathematics)四门学科的缩写。

其最早影响的是美国高等教育领域,比较偏向理科层面的跨学科融合,鼓励学生解决实际问题。经过几十年的发展,一些学者也对STEM进行了补充和发展,较为著名的是美国弗吉尼亚科技大学学者格雷特亚克门提出了STEAM概念,其中A不仅指艺术,还指美(Fine)、语言(Language)、人文(Liberal)、形体(Physical)艺术等含义。在国家实力的比较中,获得STEM学位的人数成为一个重要的指标。

从课程角度来讲,它最重要的特点就是跨学科、多学科的融合。这个名称在国际上一般叫“综合课程”,也就是说这个课程所涉及的问题需要综合两个以上的学科方能解决。从学生的角度来看,STEM教育主要是通过项目驱动的方式,让学生在解决问题的过程中实现学习。从教学的角度来讲,STEM教育主要的教学目的不是为了完成学科知识教育,而是为了完成应对未来挑战能力的教育。STEM教育因其来源于基础教育课程,在教学实施方面享有一定的优势,STEM既可以在理论学习中突破单一课程束缚,加强相关学科的应用性和拓展性,还可以在综合实践活动中培养学生探究某一领域的思维方式和能力,具有较大的灵活性。


STEM由科学、技术、工程、数学这四个学科的英文单词第一个字母构成。STEM是美国国家科学基金会2001年在其有关教育方案中提出的,其后美国在多种政策和法案中提到STEM。2006年美国总统的国情咨文中提出培养具有STEM素养的人。2007年,美国国会通过法案,在三个财政年度内为STEM研究和教育计划投资433亿美元。同年10月,美国国家科学委员会发布报告,明确要求对学生开展STEM教育。在奥巴马总统执政期间,对STEM的关注与投入达到新的阶段,从联邦政府到州政府都制定了对STEM重点学校和STEM科研项目的投入规划。STEM之所以在美国引起普遍的关注,一方面因为现代社会对科学、技术、工程、数学方面的需求不断增长,另一方面因为在国际上获得科学与工程学位的人数美国排名仅第20位,这对于保证美国在科技与经济上的领先地位构成了挑战。加强STEM教育成为美国教育界的共识,并受到美国政府的大力支持。

1.中华传统文化

原标题:STEM视角下的初中科学课程教学实践研究

二、中小学科学教育定义及当前我国中小学科学教育的特点

中小学科学教育是以青少年为主体,以学校教育为主阵地,以自然科学学科教育为主要内容,并涉及技术、科学史、科学哲学、科学、文化学、科学社会学等学科的整体教育。一般来说,科学教育是在各级各类学校和教育机构中相对于人文科学和社会科学教育而言的数学和自然科学、技术科学的学科教育。科学教育强调培养青少年的科学素养,学会科学分析,利用科学探究,用科学的方法解决问题,让科学与人文精神融会贯通。

在课程方面,中小学科学教育应实行综合性教学,但通过调查我们发现,目前我国实行的是分科教学,综合性弱。小学到中学的科学课程普遍偏难。小学科学教学虽是综合性的,但教师普遍缺乏综合科学的训练,而且小学科学教学至今尚未真正受到重视。

在实验方面,中小学科学教育应注重演示、实验以及操作。但由于地区发展不平衡,一些地区科学教育基础设施不完善,导致我国目前一些中小学科学教育重理论而轻实践。

在课堂教学方面,中小学科学教育应以学生为中心,突出学生的主动地位,强调学生的参与,但目前我国中小学科学教育课堂中学生多为被动学习,以教师为中心,对老师的依赖性很强。


近年来随着中小学STEM教育的深入开展,美国幼儿教育界也在关注STEM教育。在2015年美国幼儿教育年会上,STEM成为一个热点,是许多分会场报告的主题,有数十篇相关论文在这次年会上交流。

2.STEM

作者简介:李崎颖,金晓凌,丁旭梅,余波,重庆市第一中学校 技术教研组,重庆 400030

三、在课程形式、教学目标等方面,创客教育与后两者有何差异?

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辛辛那提大学莫牧教授对如何在幼儿园实施STEM教育有比较深入的研究,她在2013年出版《早期教育中的STEM教学》一书中总结了当前美国在早期科学和数学教育四个关键的教育实践,并把它们作为在幼儿教育阶段进行STEM教育的理论指导。这四个教育实践分别是有目的的教育、为理解而教、鼓励探究和提供真实生活。

3.0-3岁教育

内容提要:文章在探讨STEM整合教育的可借鉴性基础上,探究在现有条件下开展STEM优化科学探究教学的有效模式,以重庆一中初中科技课作为实践平台,对“伪全息3D投影制作”个案进行分析。为有效融合STEM课程理念,该案例尝试以5-E教学模式,即参与、探究、解释、详细说明、评价5个阶段开展教学,希望能获得更多同行的建议指导。

总结:

教学目标方面:

  1. STEM教育强调跨学科,创客教育则强调创造,中小学科学教育强调科学理论和实践。

  2. 创客教育强调真实作品的产出,而STEM关注动手实验,中小学科学教育强调理论和实践相结合。

课程形式方面:

a. 创客教育和STEM教育强调基于真实情境问题教学,但创客教育问题主要来自学生,STEM教育多数来自教师预设;中小学科学教育主要以课程安排为引导进行教学。

b. STEM教育和中小学教育存在比较系统的知识体系和课程规划,而创客教育则不存在这样的系统知识体系和课程规划。


有目的的教育

人工智能与学前教育:

关 键 词:STEM 5-E教学模式 伪全息3D投影 科技课

四、三者发展的趋势

三者既有相似的地方,也有不同的地方,不可相互取代,可以根据实际情况进行融合。

比如近两年我国对于创客教育的重视,创客也开始走进中小学生的课堂。但由于我国的教育体制和选拔形式,创客不可能作为一门主课进行学习。需要根据我国的教育国情将创客教育与我们的中小学科学教育进行融合。

我们可以将创客教育的动手精神和STEM的跨学科解决实际问题的理念融合到中小学科学教育当中,打破学科间独立的知识体系,将不同学科知识进行综合,并且在这个基础上鼓励学生拓展思维独立思考。

创客教育强调以学生为中心的教学,STEM教育强调以教师为中心的教学,而对于中小学科学教育,可以结合两者,教师保留引导者的角色,但也要给学生充分的发挥空间。

此外,可以将创客教育的动手精神和STEM的跨学科解决实际问题的理念融合到中小学科学教育当中,打破学科间独立的知识体系,将不同学科知识进行综合,并且在这个基础上鼓励学生拓展思维独立思考,培养具有创新意识的人才。

它意味着教师在头脑中仔细计划教学活动,让幼儿获得有关的经验。有目的的教育要求教师在设计课程和环境的时候把对幼儿可能的影响事先想好,在整个教学过程中注意抓住每个机会。教师需要理解每个课程领域幼儿的学习与发展轨迹,及其发展上的个别差异。教师也可以介入幼儿和材料的互动,来组织每个幼儿的学习。例如,幼儿教师在科学区介绍不同大小和种类的松果,希望幼儿能探索松果的相似和不同之处。在活动中,教师注意到一位幼儿把大的松果放一堆,把小的松果放另一堆。根据这位幼儿的兴趣,教师指导他把6个松果按长度排队。而另外两位幼儿在这方面已有相关经验,教师就让他们用量具来量松果,并在纸上记下测量的结果。在这个例子中,有目的的教育体现在三个方面,首先教师知道测量是活动的目标之一,其次他知道测量概念的发展轨迹,及班里幼儿的发展阶段,其三他考虑到对不同的幼儿提供适合他们的活动。

凯文·凯利

中图分类号:G434 文献标志码:B 文章编号:1673-845424-0035-05

为理解而教

第四次工业革命:信息物理融合系统

一、STEM与科技课程的结合

这是哈佛大学教育研究生院提出的一个教育模式:理解意味着把学习到的知识灵活加以应用的能力。美国全国数学教师协会发布的学校数学教学的原则和标准中提出,数学教师必须理解学生所知道的,学生需要知道的,及怎样支持学生的学习。这些原则对学前到高中一样适用。不管在什么年龄,学生都是利用已有知识和经验建构新的知识。对数学概念的理解非常关键,因为学生可以用数学知识解决新问题。科学教育也是在理解概念的基础上学习,而不是死记。在教数学和科学时,教师应该鼓励幼儿通过自己思考解决问题,而不是提供答案。这样可以让幼儿用已有的知识,加深对概念的理解。如一次切苹果的活动中,幼儿发现里面有籽,有个幼儿数了一下,发现有9颗籽,就认为每个苹果都有9颗籽。第二次切苹果的时候,教师提醒他再数一数。这次他发现只有8颗籽,教师就把第一个苹果里的籽拿出来,让他想想有什么办法知道两个苹果的籽是不是一样多。这位幼儿把第一个苹果的籽排成一排,然后把新苹果中的籽与它们一个个对应排列,第一个苹果的籽多了一颗。这样他就不再坚持自己原来的看法。在这个例子中,幼儿应用了一种他可以理解的方法来解决问题。如果教师简单地同意他原先的看法,这个幼儿就没有机会建立符合自己理解水平的知识。

虚拟现实

之所以选择科技课率先作为STEM理念的实践平台原因有三:首先,科技教育在重庆一中开始于20世纪50年代,是具有悠久历史的传统教育活动,也是重庆市第一所开展科技教学的中学。课程内容包括三模一电、科技四小活动、机器人和计算机信息技术等活动,其中科技四小活动作为联合国教科文组织研究项目“创新学习研究与实践”的一级子课题,在科技教育方面积累了较为成熟的经验,科学探究氛围浓厚,学生基础较好,便于开展实践研究。

鼓励探究

可操作ascessing

其次,STEM课程强调真实情境、亲自动手、做中学、合作分享等理念,这与重庆一中科技教育的培养模式类似。在长期的教学实践中,为最大程度地挖掘学生的创作潜能,激发对科技活动的兴趣,重庆一中技术教研组的教师们在《课外科技活动策略》一书中提出了三段式教学策略:创设情境,激发求知欲是培养学习兴趣的前提;创造宽松的思考空间,让学生在“做中学”是引发学生学习兴趣的重要环节;科学评价,增加激励措施,是激发学生学习兴趣的催化剂。

美国国家科学教育标准中提出探究应该是科学教育的重点。这意味着教师在提出学习内容的要求后,应该注重幼儿掌握相应学习内容的过程,向幼儿提出问题,鼓励他们探究,让他们试验,并在寻找问题的答案时提供支持。莫牧教授主张,在STEM教育中鼓励幼儿探究是一个基本的原则。如幼儿在操作材料时,有很多形成关系概念的机会,他们会把物体按类别分类,把大动物放到一个地方,小动物放到另一个地方。然后,他们开始比较,大动物多还是小动物多?每个大动物都可以有个小动物陪吗?它们能从大到小排队吗?所有这些问题都应该得到鼓励和支持。他们的探究将导致数学关系的建立。教师应该激励他们进一步探究,如问这些动物都能放到卡车里吗?要装这些动物,需要多少辆卡车?有目的的探究可以让幼儿进行STEM方面的思考。

未来“所有权”将让位于“使用权”

最后,STEM教育形成发展于科学教育,STEM教育是科学教育改革的新思路。STEM名称缩写也是以科学开头,这一缩写暗示了STEM教育中科学教育是最为重要和核心的部分。[1]回看STEM教育的发展历程,有关STEM教育的研究项目和报告大多由科学机构赞助,如NASA(美国国家航天宇航局)、NSF、NSB(美国国家科学委员会)等。STEM教育的发展立足于科技教育,同时又在探索科技教学的改革路径,借助哲学上系统、联系的思维解析理工科,甚至文艺课教育之间的普遍联系。

提供真实生活

《早期教育中的STEM教育》

在国外,STEM教育已经过了原始积累阶段,正逐步从本科教育向中小学教育推进,而在我国却是从中小学开始,最有代表性的就是现在很多中小学如雨后春笋般创客空间的建立。初中作为K-12阶段中承上启下的关键,结合我校科技课的浓厚氛围,本研究将以初中科技课作为实践STEM教育理念的主要场地。

当学习的内容与生活相联系时,幼儿的学习最有效。莫牧教授认为,在学科学时,幼儿最好运用实际材料进行探索。这个年龄的幼儿往往还不能区分现实和想象。通过观察玻璃缸里的金鱼,幼儿就会发现金鱼并不像有些故事书里说的那样;同样,动物角的小兔子也不穿金扣子大衣。有关实际植物和动物的经验可以激发幼儿对真实和想象的区别的讨论。同样,学物理,幼儿也需要和真实的材料接触、试验,并观察结果。这可以帮助幼儿树立对科学的正确态度和认识。

原则:

二、STEM教育视野下科学课程的设计

在幼儿教育中存在很多STEM教育的机会,关键在于教师是否具有STEM教育的意识和方法。科学和数学是幼儿教师都比较熟悉的内容,但很多教师不会抓住机会把它们融入平时教学活动中。比如,幼儿喜欢玩水,喜欢用水冲轮子转动。但是他们不会考虑浇在轮子上的水量和轮子转速之间的关系,如果教师有 STEM的意识,就可以提问:“你怎么样能使轮子转得慢一点? ”把幼儿的注意力引导到水的势能对轮子的作用上。这些问题有助于幼儿产生对科学的兴趣。

有目的的教育

1.明确初中科技培养目标

尽管数学是幼儿教育课程中很关键的组成部分,但很多教师和幼儿一起数东西,读数的时候,常常不进行数学讨论。比如,Wendy和Jason在吃点心的时候发生争论,Jason认为Wendy的葡萄比他多。老师说:“我给你们每个人5颗葡萄,你们的葡萄是一样的。”这个回答错失了与幼儿进行数学对话和让他们数学思考的机会。教师应该问Jason为什么认为 Wendy的葡萄多。可能Jason的葡萄是堆积在一起,而Wendy的葡萄是铺开的,所以看起来Wendy的葡萄多。如果教师问Wendy和Jason怎么知道谁的葡萄多,幼儿就会进一步思考来解决问题。如他们可能把葡萄一个对一个排起来,或者自己数一数。不管哪种方法,幼儿都有机会来解决数学的问题。有时候教师不想把任务交给幼儿,是因为怕幼儿得出错误的结论。如果他们真的得出结论说Wendy的葡萄更多,这个时候,教师可以给予更多的支持,比如说,“你们在盘子上把葡萄一个对一个排起来,再看看谁的多。”可见具有STEM意识就会抓住激发数学思考的机会,通过讨论帮助幼儿认识并改正自己的错误。

为理解而教(把学习到的知识灵活应用)

在STEM教育实践中常见的教学手段有基于工程设计、基于问题解决、基于项目探究等,在我们的科技课上,经常选用的是基于工程设计的方式。在我校初中的信息技术、科技,高中的信息技术、通用技术统称技术课程,考虑到技术课程设置的连贯性与流畅性等问题,我们将初、高中的培养目标进行了区分。

数学可以加强科学课程,科学也有助于数学课程。很多教师安排在科学活动中运用量化的思考来支持幼儿数学概念的建立。在教师的帮助下,幼儿可以通过数年轮知道树的年龄,思考装载多少小石子可以把一只小船压沉。在准备科学活动时,要同时意识到数学的内容,把它也作为课程的重点,这样,科学和数学的学习效果都能得到提高,幼儿也渐渐理解两个学科间的自然联系。

鼓励探究

2.操作方式

工程能够和幼儿探索的很多概念联系起来。如教师可以让幼儿把搭积木与建筑师的工作联系起来,在周围街区走一圈可能会激发幼儿把某个特别的结构纳入到他搭的积木中。如果一个幼儿试图在沙台上搭房子,但总是倒下来,教师应该抓住这个探索建筑材料不同特点的好机会,让他尝试采用不同材料搭建。

提供真实生活

初中科技课以模仿实例作品、验证科学原理为主,而基于工程设计正是一条有效的途径。具体如何操作呢?我们参考了贝比的5-E教学模式。[2]5-E教学模式将学习分为5个阶段:参与(engagement)、探究(exploration)、解释(explanation)、详细说明(elaboration)、评价(evaluation),强调以学生为中心,通过实验的方式解决问题,以小组合作学习促进学生对科学概念的理解和知识的建构。

在科学活动中幼儿需要使用工具来观察、试验、测量,这就涉及到技术。放大镜和镜子结合在一起可以让幼儿观察昆虫,显微镜连到电脑上可以更方便地观察物体的细节。其他工具如钳、吸管、泵、筛、漏斗,都是做科学试验要用到的。所以,技术不仅可以增加幼儿观察试验的机会,而且幼儿研究技术本身也可增加对科学的理解。

《幼儿科学教育——玩与教的两难》

3.5-E教学模式

既不能违背儿童(不该教时就不要教)VS又不能违背科学(该教时不要放弃)

参与阶段:该阶段的活动目的在于吸引学生的注意力,激发思考的火花,使他们能够亲身参与到课堂中,帮助学生获取记忆中的已有知识,将现有知识和已有知识发生联系。常见方式有教师提问、学生头脑风暴等。

《绘本:捞月亮》

探究阶段:该阶段给学生留有足够的思考、设计、调查的时间,教师提供材料并进行引导。学生可团队协作进行实验,通过探索建立起科学、技术、工程、数学及其他学科之间的联系,即STEM所提倡的做中学的过程。

小猫诞生理论(这是儿童自己的世界)

解释阶段:该阶段学生将对他们的探索和探究进行分析和解释,沟通理解,分析可能性方案。他们澄清自己的理解发现,以多种方式进行交流。

科学家,发现科学,打破科学

详细说明阶段:该阶段学生将巩固并扩展刚刚获取的科学概念,通过修改方案或实验进行进一步的探究。

幼儿教育阶段=原始人类阶段(可理解)

评价阶段:评价是学习环中的重要环节,但不是一个特定的阶段,它贯穿整个教学过程。在5-E教学模式中,评价是由教师、学生共同完成的。它不但要求对学习结果进行评价,而且要求对学习过程进行评价。

低结构:培养儿童的科学思维

在这5个阶段中,学生和教师都有明确的分工,教师作为引导者,指引学生针对具体内容提出有待探索的问题进而开展研究,学生通过研究经验和总结对问题作出拓展性的理解。

高结构:介绍与其生活相贴近的科学常识

三、“伪全息3D投影的制作”教学案例

玩具(不值钱)——教玩具——教具(值钱)

基于工程设计的STEM课程教学具体如何整合呢?本文以“伪全息3D投影的制作”为例,该课是一节基于STEM教育理念下的初中科技课例,立足于我校初中科技课的培养目标——模仿实例、验证科学原理。教师引导学生对3D、全息等高热概念展开讨论,结合具体实例,带领学生一起探索利用生活中的简单材料制作伪全息3D投影。本课以模仿探究为主,故使用了基于工程设计的教学手段,以参与、探究、解释、详细说明和评价的5-E教学模式展开教学。

以孩子喜欢的方式赋予给孩子

1.参与阶段

?唯心主义——【环境】 :影响我的发展,被我的发展所影响)

活动重点:教师引导学生回顾生活中见过的3D全息投影案例。

我的理解:唯物主义限制了科学的发展,所以现在更加倡导的是唯心主义:1.你的思维和想象能够创造出以前所不存在的事物;2.影响我发展的才是真正客观存在的环境和事物,与我发展无关的也即不存在;3.同样一种环境,3岁、4岁、5岁的孩子对待同一个环境和事物,这个环境和事物的概念也是不一样的,受到孩子发展水平和认知的影响,是孩子主观感受到的。

主要教学活动:教师问同学们生活中见过哪些3D投影的例子?学生回答:3D电影、3D喷泉、3D电视等。教师进一步举例,如《钢铁侠》电影中贾维斯模拟出的各种场景,2015年春晚李宇春表演的《蜀绣》等。随后引导学生分析这些3D投影技术有何区别,是否佩戴设备,是否有色像差等。

我的启发:可能一切还在于教师或设计者,根据孩子的需求将意义和概念赋予。

手工和STEM结合

对于幼儿无科学概念可言

自发概念 非科学概念

自我总结:儿童是要有目的地去教的,但不能违背儿童,应以儿童喜欢的方式赋予给他们。幼儿本身没有正规的科学概念,是自发的非科学概念。对于教师而言,所教的内容既要蕴含科学原理,但同时必须有趣好玩新奇,吸引幼儿,让幼儿在投入地操作(玩)过程中,感知科学概念。