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2017年1月

提高小学课堂中的STEM形象:对教师角色的启示

文/厦门科技馆

  让我们从明显的开始说起——
STEM不是一个单一的学科。相反,它是一个术语,第1次使用在20世纪90年代,它反映了科学、技术、工程和数学之间的密切关系。STEM最初是与世界各国的研究和发展相关,为努力加强他们的经济和基于高水平的技术和创新,从而提高各国自身的竞争力。此外,我们的社会所面临的许多重大挑战(例如健康、水和能源供应、环境质量和可持续发展等)也需要STEM的投入,以找到当地和全球的解决方案。因此,这并不奇怪,STEM现在是全球教育的重要组成部分,为了所有的儿童和从5〜18岁的年轻人。然而,有一个悖论(如图1所示),STEM的各个元素在学校背景和更广泛的世界之间有着显著不同。在学校,重点是数学和科学,但在日常生活中,技术和工程则更为突出。从这一点看,有必要在校内和校外之间保持平衡,这不只是为了满足行业和政府对高素质的科学家、工程师、技术人员和数学家的需求,或许更重要的是,是为所有儿童能够在将来的生活和工作中更好地认识社会和世界。

图1 学校中STEM的各个元素在校内和校外的比较
本文将考虑如何提高小学课堂中的STEM形象,并开始修复个别元素之间的平衡。这样做将会:
●  强调需要一个对STEM的共识
●  突出为STEM作规划的重要性
●  强调教师角色的重要性
●  鼓励全校的方法

STEM共识
尽管STEM一词已被广泛使用,但对于它到底包括什么却没有一致的定义或协议。也许更令人担忧的是那些使用术语的人却经常在识别这些学科之间的区别时发生失败或错误。但是我们会建议在儿童教育的背景下,需要了解每一个学科是怎样有助于整个STEM活动的。作为教师,我们需要证明,我们正在教孩子们什么,为什么我们使用特定的方法帮助他们学习。因此,我们建议,提高STEM在小学课堂中的形象的第一步是为所有在校教师达成一个什么是STEM的共识,并认识到不同的学科之间的整体区别。
在这个阶段,最好保持事物简单并把STEM限定于4个核心学科:科学(包括生物、化学和物理)、技术、工程和数学。图2为各个学科的基本定义,每一个学科以它自己的方式产生思想、概念、知识,并且不同程度地产生广泛的产品。从本质上说,我们会建议科学和数学一起工作,解释我们生活的自然机制;而技术和工程使用,建立在这些知识基础上,设计、开发和生产新产品和工艺,以满足我们不断增长的需求。
图2 STEM中的各个学科
为STEM作规划的必要性
达成STEM的共识需要从规划过程开始,该过程确保所有的孩子能够体验一系列的STEM活动,并开始建立对STEM的理解。作为教师,我们需要清楚孩子通过这些活动应该学会什么。因此,我们需要确定课程的目的和内容。这将包括核心概念的结合(这是来自于STEM单一方面的关键概念,比如材料可以作为液体、气体和固体存在,生命体需要特殊物质以保持健康);跨学科概念(如因果关系、比例和数量);以及实践(描述科学家、技术人员、工程师和数学家如何通过探究和问题解决开展工作)(对于核心理念、跨学科概念、实践、调查和问题解决更加细节的讨论见本主题文章《透视科学中的探究及工程与技术中的问题解决》——编者注)。
这里我们考虑如何开发一个STEM课程计划。首先需要知道的是:建立知识和理解STEM是需要时间的。此外,由于STEM是一个多学科的集成,它需要2个层面的知识和理解:
● 各个学科中的概念和技能;
● 为了设计和制造解决方案以满足特定的需求,这些想法和技能是如何整合在一起解决特定的问题。
如果我们真的打算帮助孩子整合、建立和促进他们的学习,那么这2个层次在规划阶段就必须明确下来。简而言之,如解决问题需要工具(包括物理设备、知识和想法),那么在STEM活动的规划中,我们设计的项目就应该尽力提供孩子解决STEM问题并产生一个可行的解决方案所需要的工具。在知识、技能和概念方面的许多“工具”来自于各个学科,比如理解如何做不同类型的数值计算或者如何做一个电路。
因此,为了提升STEM在小学课堂中的影响力,我们需要更加明确我们希望孩子学到什么和武装学生让他们能够解决这些挑战。有很多种方法可以做到这一点,但重要的是,所有的教师都要参与这个计划。图3展示了一个如何将STEM构建到课程中的简单模型。
图3 将STEM构建到课程中的一个简单模型
采用该模型时需要对STEM挑战进行定义,并对学生可能从各个学科得到的知识和理解进行识别。STEM挑战可能涉及在独立班级中团体工作的孩子,或者可能是整个学校项目的一部分。STEM挑战的关键因素必须是:
●  有一个能与学生相关的“真实”情境;
●  应该获得一个明确的结果、产品或者问题的解决方案;
●  允许孩子们提出一系列解决方案,符合一开始设定的标准,从而给他们机会证明他们所知道的、所能做的,以及他们可以创造和革新的。

STEM挑战可以引入得更加复杂。例如,每个组必须设计一个海报宣传他们制作的产品。经济元素可以由定义一组学生能够使用的核心资源组成,在一开始的时候给学生一笔“钱”给他们“买”额外的材料。
规划中没有固定的一系列步骤,因此不可避免地涉及步骤之间的前后移动。首先也是最明显的是,我们需要明确我们想要孩子们学什么。确定了整体的学习成果之后,接下来有帮助的是决定什么是合适的STEM挑战。例如,为了解决物体结构、属性和功能之间关系的学习成果,我们可以设计一个造桥的挑战,这个桥跨度1米,其中心至少承受2千克的重物,用到例如报纸、吸管、胶带等材料。这个挑战适合一个班级的学生小组合作,安排若干节课,因为每一节课的科学内容中学生所探索的物体的属性,以及他们所使用的方法会使得桥的结构更加强壮坚实。在技术和工程方面,他们可能一直在研究为什么一些结构比其他的强大,而在数学中是建立在测量精度、几何形状及比例的能力基础之上的。
另一个重要的事情是确保STEM挑战不孤立于儿童各学科之间的学习。这并不是说STEM挑战没有内在价值。它们是有趣的、能够捕获儿童的想象力,但如果STEM挑战是孤立的就不能最大限度地发挥学习的最大效果。学习本身取决于儿童(和成人)能够在现有的知识和新的经验之间建立连接,以及把一个情境中学习的想法和在另一个背景中使用的想法链接起来。STEM是一个多学科的概念,它取决于能够在传统的各个学科间建立必要连接的能力。这不是孩子们天生的东西。因此,规划的学习计划需要使我们能够明确这些连接,并允许涉及孩子们先前做的事情,从而推动他们的思考和学习。
教师角色的重要性
为儿童的学习制订计划仅仅是教师角色的开始。一旦计划的课程开始实施,作为教师,我们必须找到教的方法,使我们的每一个孩子都能实现学习目标。这正是测试我们的教学技能和策略的时候。虽然在不同的学科和情境中的教学有许多共同点,但也有区别。但如果我们不承认或在意它们的话,它们很可能会成为孩子们学习的障碍。因此综合几个学科,就如STEM一样,教师的角色不仅重要而且有了新的要求和更长远的考虑。在这里,我们想要突出4个问题,这些是我们认为需要特别关注的方面。
 创设合适的情境
首先需要关注的方面是要创设学习主题和现实生活之间的联系,以帮助孩子们开始认识到如何及何时将他们学习的东西运用到生活中。这样的联系不应该在教单独学科或STEM挑战中被忽略。相反,我们需要在我们的教学中作参考,使主题和想法的相关性得到加强。建立这样的联系是捕捉孩子们的兴趣并鼓励他们使用想象力和创造力的一部分。
也许与孩子相关的新思想的最重要的方面是需要考虑到他们自己的现有的想法。这适用于他们的先入为主的想法,这些是由他们以往的经验发展起来的,为了解释不同的现象和解释在一开始无论如何都难以理解的问题。作为教师,我们要找到方法帮助儿童建立这些想法,并且给他们挑战,这样每个儿童就能在思考中理解现象并且获得进步。
来自美国的Hubert Dyasi教授(右二)
 提出问题,提供挑战
任何教学的核心都是有效地利用问题,以扩大和挑战儿童的思维,以及在一定程度上保证他们取得进展。在STEM背景下,我们喜欢想到我们所使用的生成性问题鼓励儿童。
●  用所有的感官提高他们的观察,使他们检查细节及整体效果,并开始区分相关的和不太相关的功能和属性;
●  在不同的想法和观察之间进行联系,与不同情境相关的相同或相似的想法;
●  在表达之前更有效地使用他们现有的知识,并通过他们的回答来思考;
●  考虑替代的想法,并用证据证明他们的解释、支持他们的论点;
●  提出自己的问题,测试自己的想法,挑战对方的想法。

用问题引导学生思考不是一件容易的事情,所以在实践中我们发现,像这样解释问题是有帮助的,因为能够得到孩子们不同类型的回应。因此我们努力按下面的方法做。
◎注意力集中的问题
例如:你有没有注意到⋯⋯?你有没有见过⋯⋯?你能感受到、闻到、听到什么?你能感觉⋯⋯在移动吗?

◎测量和计数的问题
例如:⋯⋯有多少?⋯⋯有多长?大小是什么⋯⋯?⋯⋯有多重?⋯⋯的体积是多少?

◎比较的问题
例如:它们有⋯⋯是一样的?它们在哪些方面是不同的⋯⋯?它们有多少不同之处⋯⋯?

◎行动的问题
例如:如果⋯⋯你认为会发生什么?你能做⋯⋯?你能想到多少种方法?你认为你能在哪里找到⋯⋯?最好的方法是什么?你能演示给我看你是怎么做的吗?

◎解决问题的问题
例如:你能找到一种方法吗?⋯⋯有可能吗?你怎么能做⋯⋯?你能设计和制造⋯⋯?

◎推理的问题
例如,是什么让你这样说的?你为什么认为这样有效⋯⋯?你能解释一下⋯⋯吗?你能给出一个⋯⋯的理由吗?

◎信息检索的问题
例如,你能告诉我关于⋯⋯你知道什么⋯⋯?你能记得⋯⋯吗?它让你想起⋯⋯?

在这些问题中达到类型的平衡是重要的。太多的孩子只要求回忆事实,如果我们要帮助他们发展其他技能和能力,就需要通过使用不同类型和范围的问题刺激他们。
来自英国的Derek Bell教授(居中者)
 提供材料、经验和挑战解决问题
所有STEM学科涉及实践经验,反过来需要适当的材料、足够数量的工具和设备,以便让孩子们充分参与活动。然而资源总是有限的,允许孩子使用可用的方式解决问题的思想是有意义的。可用资源的选择也应该为满足学习的结果而允许解决方案达到一个适当的水平。此外,由于STEM挑战应该鼓励一系列方案,为了满足各种要求的孩子,有一些材料是很有帮助的。
有时让孩子们思考他们所需要的资源,让他们证明他们为什么需要这些特殊材料,这应该发展为进程的一部分,让孩子为了解决方案而计划他们自己的探究,以及解决问题的策略,并研究、开发和反馈。
评价和评估
评价和评估是学习过程中的重要部分,作为教师我们必须计划这些。通过评价和评估,我们可以知道学生是如何做的;可以帮助他们认识自己的工作;可以为了促进他们的理解而建议他们下一步的做法;能够在适当的时候给他们提供新的信息。我们也使用评估和评价告诉自己在支持学生的学习上取得的工作成绩。
STEM中的挑战之一是需要反思什么是进行评估的适当方法。各个学科的评估方法已经发展了许多年,但是STEM引入新的活动仍然需要考虑,比如如何对孩子联系想法之间的能力进行评估,以及是否确实需要单独评估。类似这些问题的讨论超出了这篇文章的范围,但重要的是要注意,如果我们引入到课堂上,我们确实需要认真地思考有关评价和评估的问题。
全校参与模式
在小学课堂中STEM知名度的提升是学校所有教师的重要挑战,这个任务的重要性不应该被低估。尽管有很好的教育缘由将STEM引入课程,但我们必须意识到这不可能在一夜之间完成。我们也必须认识到这不是个别教师有效的工作就可以完成的,而是整个学校必须要有所改变,因为STEM的引入至少影响了学校的教学组织、时间分配、资源和设施的类型,以及很大程度整个课程的协调。此外,我们需要评估同事一起工作的方式,因为往往团队规划STEM活动比独自工作做得更好。许多小学教师教STEM的一个重大挑战是缺乏信心,因为他们必须在自己的学科领域外工作。需要增加科学和数学的知识,以及对技术和工程的理解,而这两种知识都不可能是小学教师培训的一部分。
每所小学会有不同的方法提高STEM的形象,因为每组教师都要发展满足他们所教的孩子需求的各种项目和活动。然而高质量的STEM准备将会有一些共同的特征,如:
●  设置在与儿童相关的真实情境下;
●  建立在个人学科发展的知识、理解和技能上;
●  认真对待孩子的想法,鼓励他们与同龄人、教师和其他成年人表达、测试和探索自己的想法;
●  通过STEM学科明确想法和情境之间适当的、基于现实生活的联系。

总之,在小学课堂上提高STEM形象仍然处于初级阶段,而且需要做的还很多,需要教师和学校的支持从而作出一些必要的改变。然而,我们已经看到一些学校迎接挑战的优秀案例,并且希望这篇文章能够帮助他们开始STEM的旅程,这样我们的孩子才能真正从中获益。