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知识普及

STEM教育创新的实践探索

来源:艾博德股份发布时间:2017-11-28

        STEM教育是一种极具创造力的教育形式。在STEM教育中,S代表科学(Science),T代表技术(Technology),E代表工程(Engineering),M代表数学(Mathematics)。在美国,STEM教育是一项鼓励学生主修科学、技术、工程和数学(STEM)领域的教育事业,美国不断加大科学、技术、工程和数学教育的投入,培养学生的科技理工素养。那让我们一起来看看国内STEM教育的最新发展情况吧!
 
        近年来,STEM教育受到各界广泛关注,特别是日前国务院办公厅印发的《全民科学素质行动计划纲要实施方案》明确提出,在中学阶段要增强学科间横向配合,开展跨学科实践探究活动。北京八一学校在三年间进行了STEM教育实践探索,并已逐步建立起围绕重点项目的系列课程。本文着重介绍了学校相关课程的实施步骤、策略及成果,希望能提供给相关领域同行们一些借鉴,共同思考STEM教育未来的发展。
 
        课程整合设计与实施
        对于STEM教育,近三年学校在教师中陆续开展了多项通识培训、专题培训,并以项目模块为主导,进行实践教室的新建改建。在课程及活动设计中也进行了一些尝试。

STEM教育
图1 电子控制与单片机模块的课堂教学

        首先我们分析了STEM教育的核心特征,不难发现STEM的技术性、体验性、设计性乃至实证性与学校现有课程体系中的通用技术课有相似之处;而跨学科、协作性、情境性等又符合研究性学习的一些特点。基于此,以通用技术为切入点,将研究性学习与该课程进行整合,以项目研究的方式开展通用技术模块内容的学习,开始了第一轮的STEM教学尝试。

STEM课程模块内容
表1 STEM课程模块内容

        起初我们把它称为STEM课,并列出了该课程的管理办法,从指导思想到课程目标;从组织机构到课时安排乃至课程评价、教师职责都做了详细的说明。

3D打印机作品
图2 学生用自己设计制作的3D打印机打印的作品

        我们以通用技术学科的选修模块为载体,开设了7门课程供学生选择。在教学内容上,首先针对学生进行研究方法的通识培训,继而是基于任务的模块基础内容的学习。学生在掌握核心知识与技能后,在该模块领域内自主选题,以项目研究的方式完成接下来的学习。

        例如电子控制与单片机模块。课程涉及电子技术、控制技术、传感技术及计算机编程等内容,将硬件平台和软件程序相结合,整合物理学、电路原理、计算机等跨学科知识。课程采用开源单片机硬件平台Arduino,在便捷高效的集成开发环境中编写代码,配以多种传感器组合,实现光声电、无线控制与探测等多样化、个性化的电子控制项目方案。
 
        项目式引领
        丰富的选择、实践性的任务,大大调动了学生的学习兴趣,但在第一轮实践中我们发现,开放性选题的辅导对授课教师的要求较高,学生开题想法好,但结题成果欠佳。随着跟进的培训和理念提升,我们开始聚焦于选择并开发设计有针对性的,更为恰当的STEAM教学项目。师资上学校采取了校内培训与技术专家外聘相结合的方式。

STEM课程课时实施方案
表2 STEM课程课时实施方案

        我们与清华工业中心团队合作开设了3D打印机制作项目。该项目要求学生团队设计制作一台3D打印机,通过安装Android操作系统的手机完成遥控,打印制作一个以环保为主题的创意组合作品。3D打印机项目涉及机械、电子、控制、计算机、网络、管理等多个学科,学生以团队合作的形式,在做中学,完成构思、设计、实现和运作全过程。

        学生学习使用solidworks软件进行建模,软件应用与数学能力得到锻炼;打印机的制作、装配调试与结构优化充分体现了工程思想;在材料选择及加工过程中,涉及了大量物理学、材料学的相关知识;而学生们在数学课堂中所学的公式真实应用在滑轮控制及打印头移动设计中;跨学科知识的融合在学生的设计原理报告中得以充分体现;成果汇报演讲、宣传海报设计、记录短片制作、科普短剧表演等最终结果的展现,在很大程度上锻炼了学生的团队合作,提升了人文素养。
 
        老师们常说,学生们常是眼高手低,想得挺好做不出来,但当打印成品展现在眼前,看着这生动苹果果核,试图拆开这无缝的立体结构时,我们知道,想到做之间的路已经打通,“穷理以致其知,反躬以见其实”。
 
        学生的兴趣与潜能都被大大激发,通过不断探索,刘哲、王丰翼两位同学还设计制作出3D打印、数控切割、激光雕刻一体机。该作品将三个系统共用一个传动系统和控制系统,采用箱式结构,使用计算机运动控制卡G代码来控制步进电机,带动滚珠丝杆转动,从而使电主轴、挤出头、激光头在三个方向均可自由移动。这个新产品不仅让电影中的面具打印机变成现实,三个系统的融合将成品的逼真效果大大提升。这种概念既节省了对于传动装置、电器系统的需求,又很大程度上节约了制造成本。该作品获得全国青年科普实验作品大赛第一名。
 
        日常教学与活动设计体现STEM教育思想
在课程实践中,面对创新的教学内容,我们经常采纳师生共同参与培训的策略。学校三十多位学科老师也报名参加了3D打印机的制作项目。理念培训结合实践项目,老师们慢慢将STEAM作为一种教学方法渗透到日常。例如综合课--火山,3D设计打印火山模型,通过化学实验模拟火山喷发过程,利用数学知识计算火山喷发影响的面积,充分体现了跨学科的思想。
 
        “探月任务”是我校科技节中的一项比赛设计。参赛队员要设计一辆制作通过性好(爬坡、不同摩擦力地面)、有抓取功能、自驱动、寻址的车辆;设计制作带有声光效果的温室模型;设计制作道具并进行短剧表演;拍摄一段视频介绍。这就是STEAM。
 
        STEM教育的问题与思考
        日前,国务院办公厅印发的《全民科学素质行动计划纲要实施方案》中明确提出:推进义务教育阶段的科技教育,增强中学数学、物理、化学、生物等学科教学的横向配合。推进高中阶段的科技教育,鼓励普通高中探索开展科学创新与技术实践的跨学科探究活动。不难看出,从国家层面的政策引导,到社会发展对科技创新型人才的需要,在中学开展STEM教育已成为必然。
 
        然而我们在实践中也发现很多问题:如何寻找科技素养普及与科技精英培养的平衡点;教师从传统的单一学科教学到跨学科整合的理念及专业水平有待提升;适恰的STEM项目资源匮乏;学生在动手实践项目上的大量时间精力投入与传统学科学习间的冲突等。当然应对这些问题,我们也有一些思考:以学校特色小卫星项目为推进重点,在技术类(通用技术、信息技术)学科中继续加大项目开发,通过外引技术与校内研发相结合,设计固化STEM项目;引入社会资源、高校资源,外聘教师与校内教师培训相结合;建立STEM项目云平台,丰富课程资源,提供学生展示空间;将学校原有科技教育与STEM教育、创客教育做有机融合;强化总结与评价;跨校联合,共同开发共享资源等。
 
        对于STEM教学的探索,我们刚刚起步,教育需要理性的思考与踏实的实践。什么是一个好的STEM项目,到底如何设计出一个STEM项目没有唯一答案,而这种开放性的,需要思考并独立实践探知的过程也是STEM所必须的。
 
        作者:朱凯 陈咏梅 李锐 常树岩 (作者单位为北京市八一学校)

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