跨学科整合型STEM课程开发案例研究及启示——以美国火星教育项目STEM课程为例
电化教育研究,40(02),-
摘要：随着STEM教育理念的不断发展,开发跨学科整合型STEM课程已成为当务之急。为促进我国整合型STEM课程开发,本研究以美国亚利桑那州立大学火星教育项目的跨学科整合型STEM课程为例进行案例研究,在详细介绍其课程整体结构、课程教学活动实施流程的基础上,从教学策略和课程开发策略两个方面出发来分析总结该STEM课程的特点。研究发现:该课程在教学策略方面,具有基于5E教学模式注重学生活动体验、以真实问题为载体实现跨学科整合、采用基于问题和项目的学习方式、提供丰富的学习支架促进深度学习、将STEM素养培养目标落实到具体教学活动中的特点;在课程开发策略方面,具有高校与社会科研机构合作开发、学习成果与国家课程标准和21世纪技能相对应、基于安德森教育目标分类学确定教学目标、课程教学活动设计方案翔实可操作、整合多种真实科研资源支持课程实施等特点。在此基础上,提出对我国推进跨学科整合型STEM课程建设的发展建议,即加强国家顶层设计以构建STEM课程建设共同体、完善STEM课程标准体系以落实STEM素养培养、加强STEM课程开发理论研究以指导课程开发实践、开发典型课程案例以普及整合型STEM课程理念以及革新STEM课程教学模式以培养创新创业型人才。
关键词：STEM教育;STEM课程;跨学科整合;5E教学模式
基金：江西省高等学校教学改革研究项目“高校创客教育实施途径及保障措施建构研究”(项目编号:JXJG-15-1-58);南昌大学研究生创新专项资金立项项目“数字化时代中小学教材管理体制探析”(项目编号:CX)
一、引言
随着人类社会进入“互联网+”时代,人工智能、大数据、物联网、区块链等现代信息技术快速发展并在社会各领域得到广泛应用,传统社会中大量劳动密集型的常规任务早已由各种自动化机器完成,部分常规型认知任务也正逐渐被人工智能取代。在高度智能化的社会中需要由人完成的认知任务日益复杂多变,这就对未来社会劳动力提出了新的要求。为此,许多国家和国际组织纷纷制定并发布了面向未来的关键能力框架。例如:联合国教科文组织逐渐完善形成的终身学习“五大支柱”核心素养框架、经济合作组织提出的DeSeCo核心素养框架、欧盟提出的终身学习核心素养框架、美国21世纪技能合作组织发布的“21世纪技能框架”[1]、北京师范大学发布的中华人民共和国教育部委托研究课题成果《中国学生发展核心素养》等。这些核心素养框架大都强调学生批判性思维、沟通协作、创新创业、信息技术等能力的培养。研究表明,有“元学科”之称的STEM教育能够在夯实科学、技术、工程和数学等多学科知识的基础上,提高学生以跨学科的新思维、新方法解决复杂问题的综合能力[2],这与21世纪技能和核心素养教育的诉求不谋而合。因此,世界各国将STEM教育作为推进课程教学改革和创新型人才培养的重要战略。STEM已经由最初代表科学、技术、工程和数学四个独立学科领域的术语,发展到一种基于多学科交叉融合方式培养复合创新型人才的教育理念,由侧重数学和科学教育整合,逐渐转向重视科学、技术、工程、数学、艺术和计算机等学科的融合教育。在STEM课程实施模式方面,美国马里兰州立大学的赫希巴奇(HerschbachD.R.)将STEM课程的实施模式分为关联课程模式(TheCorrelatedCurriculum)和广域课程模式(TheBroadFieldsCurriculum)[3]。其中,广域课程模式打破学科界限,将科学、技术、工程和数学等内容整合到一起,形成一个结构化的课程结构[4]。广域课程也经常称为跨学科整合型课程,是目前广泛研究和应用的一种课程模式。我国近几年颁布的一些教育政策也强调了STEM教育跨学科整合的重要性。因此,开发跨学科整合型STEM课程已成为深入推进STEM教育研究与实践的当务之急。
二、我国整合型STEM课程开发研究现状
目前,我国整合型STEM课程开发大都集中在3D打印、机器人、可视化编程、科学小制作、小发明等方面,主要以综合实践课或创客活动的形式实施,在一定程度上注重学生的主动参与和体验,强调了学生的主体地位以及多学科知识的学习和运用,但也存在不少问题。由于目前没有形成系统健全的课程标准、课程期望不明确,在课程目标的设置上缺乏科学的理论依据,可能导致教师在具体的教学过程中呈现教学目标随意且教学效果难以评价的问题;对STEM理念的认识不足,现有的STEM课程设计只重视外在教学形式上的整合,而忽略跨学科知识、核心概念和能力的渗透,难以促进学生深度学习、实现高阶思维能力发展;STEM课程开发呈现零散状态,缺少社会多方面力量的合作与支持,各个学校使用或开发的STEM课程大多是校本课程,内容各不相同,还没有形成一套系统衔接各个学段的中小学STEM课程体系。
美国亚利桑那州立大学(ASU)和美国宇航局喷气推进实验室(JPL)合作开发的火星教育项目———基于《下一代科学教育标准》(NextGenerationScienceStandards)的STEM课程(以下简称“火星教育项目STEM课程”)是在教育实践中取得巨大成功的整合型课程经典案例。因此,本研究以该项目STEM课程为例,对其课程整体结构、课程教学活动实施流程、课程教学策略和课程开发策略进行详细分析,以期为我国开发跨学科整合型STEM课程提供借鉴和启发。
三、火星教育项目STEM课程介绍
为了深入了解火星教育项目STEM课程的特点,需要对其课程结构及教学活动设计进行细致地分析。这是因为课程结构反映着课程知识的组织及其相互关系[5],是教育目标转化为教育服务的纽带,是课程开发者教育理念的载体[6]。教学活动设计是对课堂教学过程中师生教与学活动的预设和安排,是课堂教学活动实施的蓝图,能够体现课程开发者的教学思想。
(一)火星教育项目STEM课程结构
火星教育项目致力于开发系统的STEM教育解决方案,鼓励教育工作者和学生在现实或模拟的环境中参与体验美国宇航局(NASA)专业的科学研究和工程技术活动,是一种真实的、实践的、探究式的课程。根据NASA真实火星探测项目过程中需要开展的科学研究和工程实践活动,火星教育项目STEM课程内容划分为“概念建模”“工程”“我们如何探索”“科学研究”四个领域,每个领域由一系列主题课程组成,形成了一个覆盖K-12年级的课程计划,见表1。整个课程围绕学科核心概念进行跨学科整合设计,根据学生的认知水平呈现逐渐深入、螺旋上升的框架结构,每门课程针对不同的教学对象设定了不同的教学目标并开发了相应的教学活动方案。
(二)火星教育项目STEM课程教学活动设计
火星教育项目STEM课程的教学活动是基于5E教学模式设计的,包括参与、探索、解释、迁移、评估和拓展环节。下面以火星教育项目STEM课程中“在太阳系中寻找生命”这一代表性的专题课程为例,介绍其面向中学(MS)的课程教学活动具体实施流程。
1.参与环节
本环节的主要目标是创设任务规划的情境。教师首先通过提供墙报或阅读材料的方式,向学生简要解释类似系统、系统模型、科学本质等跨学科概念的内涵和工程实践的常规工作。其次,通过朗读指导语的方式为学生创设在太阳系中寻找生命的任务情境。接着,通过讨论“我们在太空中寻找什么”“我们的探索活动需要回答什么主要问题”等问题引发学生思考,明确项目目标与任务。然后,引导学生讨论“如何对生物与非生物进行界定”“生命体的特征是什么”等问题,并让学生在延伸学习“它是生命吗?”这一微课程的过程中体验通过探索研究发现生物特征的历程。最后,教师向学生解释接下来将采用玩牌模拟的方式来设计一个在太阳系中寻找生命的任务,并让学生填写前概念调查单以确认学生当前对任务规划和工程限制的理解,作为后续教学效果评价的依据。
表1火星教育项目STEM课程整体结构[7]
2.探索环节
本环节的主要目标是确定一个需要进行技术设计的目标。第一个活动是了解NASA天体生物学研究所的工作。首先,教师与学生围绕“生命是如何开始和进化的”等几个基本问题的讨论,了解NASA天体生物学研究所的研究目标。接着和学生讨论一些关键词(如能量、生命信号)的含义以辅助学生后续学习。最后,让学生在完成“极端微生物”微课程的过程中了解通过探索研究发现各类生物体及其分布的过程。第二个活动是区分科学的任务目标和技术解决方案。首先,教师告诉学生科学家经常会为任务选择一个科学目标,然后让学生小组讨论他们可能的科学目标并最终确定一个合适的技术设计任务目标,进而调查研究什么是生物特征以及选择驾驶哪种航天器执行寻找生命的任务。第三个活动是设计一个技术解决方案。学生小组合作设计用于完成火星探索任务的实用航天器,航天器的设计可以采用卡片模拟的方式进行。该教育项目提供的交易卡上展示了每一个航天器的典型系统,并且每张卡片上都提供了有关这一特定硬件的使用功能及其本身所存在的缺陷的相关信息,学生可以根据他们的科学目标选择合适的卡片来组装、设计航天器。
3.解释环节
本环节的主要目标是分析技术设计过程中的约束条件。第一个活动