打造有生命力的STEM教育

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  【摘要】STEM教育是素质教育的重要抓手,学校可以依托原有的科技教育基础,以学科教学为主阵地开展STEM教育,提升教学质量。围绕“学生欢迎,教师参与,提升质量”的思路,在学科教学中开展教学设计、课例研讨等活动,探索STEM学习与教学质量相互促进的策略,对如何促进STEM教育可持续发展指出了方向。
  【关键词】STEM教育;学科教学;有生命力
  STEM教育是以科学为基础,偏重于理工科领域。教师将学科核心理念与科学研究的内容或工程相结合,进而转化为学生的能力与素养。科学、工程是整合的核心,项目式学习是主要的教学方式,因而科技教育群众基础好、蓬勃发展的学校有“先发优势”。
  一、开展STEM教育的必要性
  STEM教育是素质教育的重要抓手,学校开展STEM教育,一般基于几个方面:一是为国家培养科技人才培养的需要;二是学校内涵发展需要,特别是科技教育的龙头学校,要继续发挥引领作用;三是教师专业成长需要,科技教师要利用自身优势,通过STEM教育活动提升水平;四是区域特点需要,有些学校困生比例较大。如何激发学习兴趣,促进质量提升,是值得研究的问题。开展STEM教育,在“做中学”中培养多元智力,提升教学质量。
  二、开展STEM教育的疑惑
  1.如何处理学科教学与STEM教育的关系
  教学质量是学校生命线。开展STEM教育从时间分配、师资配备来说,如何科学处理,让STEM教育作为提高教学质量、促进素质教育的重要抓手,是个值得考虑的问题。处理不好的话,容易对教学质量造成冲击,那么学校、教师就不会大力推动。
  2.如何让老师积极参与STEM教育
  不少教师对STEM教育一知半解,以为就是课外活动换个说法、换种形式,或者与创客、综合实践、校本课程、科技创新等混淆。有的老师说STEM教育的老师是“抢了创客老师的工作”。不少教师对STEM教育的思想、教学方式、学习方式了解不深,常常以物理、化学的科学探究的角度、以应试教育的角度去看待STEM课堂,评课时也以科学探究的角度去进行,严重挫伤了STEM教师的积极性。
  三、开展STEM教育的思路
  1.坚持在STEM教育中牢牢把握“立德树人”的教育思想
  STEM教育虽然发源于美国,但我们必须发展自己特色的STEM教育——把思想政治教育放在首位,牢牢把握为谁培养人,怎样培养人,培养什么人这个根本问题。要特别注重将培育社会主义核心价值观与弘扬科学精神结合起来。作为STEM教师,不仅要有良好的跨学科素养, 更须具备坚定的政治信仰和政治意识,只有这样才能牢牢把握教育的正确方向。STEM教师首先做政治上的明白人,只有这样才能将正确的价值理念和科学精神传播给广大青少年学生。要在开展STEM活动中,将思想政治教育融入于各类活动之中,找准切入点。比如,在组织学生参加相关STEM教育竞赛时,要加强对青少年学生的思想教育引导,激发青少年学生探索科学的热情和创新精神,让孩子们去除功利心理,全身心投入到活动中去,为国家培养和发掘更多科技后备人才。
  2.加强学习,提升理论水平
  教育理论的指导非常重要,STEM教育发源自建构主义学习理论。在实际运用中,维果斯基的最近发展区理论、加德纳的多元智力理论、莱夫的情境认知与学习理论,对STEM课堂的教学组织能起到明确的指导作用。加深理论学习,可以提高教学设计水平,教师通过向学生提问进行引导,使学生积极思考,学生通过回答问题使思考的深度逐渐增加,最终完成知识建构,让STEM教育达成度更高。如何通过STEM学习,促进学生教学质量的提高,是STEM教育能否持续发展的关键。教师可以通过研究STEM教育的认知结构,找出优化的方法,促进学生解决问题的能力,提高学习质量。
  加强学习,有利于STEM团队准确实施教学。例如,可以就STEM、创客、综合实践、校本课程、研究性学习的区别和联系进行研讨,让大家清晰什么才是STEM教育,避免偏离方向。STEM学习的效果很大程度取决于教师的知识储备,要充分发挥每一位教师的作用,合作进行教研备课、上课,提升团队教学水平。
  3.坚持在教学主阵地中开展STEM教学
  STEM教育要进入课堂主阵地落地生根,让师生广泛参与才有生命力。学科教学通过研究科学现象、提出问题和假设、寻找变量、控制变量、进行实验,然后得出规律并验证,依照这样的研究流程来整合其它学科。在解决实际问题时,要运用工程思维,通过提出问题、界定问题、制定解决方案、落实方案、落实过程中发现新的问题、再次界定问题、制定新的解决方案,直到问题解决。在这个过程中,工程实现了对其它学科内容的整合。力求让STEM教育促进教学质量提升,做到相互融合,相互促进。
  4.长远规划,打好基础
  为了扎实推进STEM教育,要一步一个脚印,力求找准STEM教育的路子。通过积极开展实践研究,加强反思,逐步摸索,积累资料,不必急于编写教材。事实上,STEM教师的教学设计、教案、学案就是最好的教材。
  5.重在思维过程、方法,不只是盯着“高大上”。
  如果进行STEM教育时,注意力在场室建设或者器材添置,只往高科技、新项目考虑,就偏离了STEM教育目的。研究目标应该集中在学生的学习方式和思维方式,场室设置和器材按实际需要,围绕项目的研究才设置,器材和场地不是STEM教育的决定因素。
  四、具体做法
  1.加强学习,树立跨学科思维
  教师要打破学科界限,在教学实践中运用STEM教育理念的同时,积极开展教学设计、撰写论文。例如,在八年级和九年级物理课中可以进行以下的教学设计:“基于STEM学习的机械能的转化”“基于STEM学习的凸透镜成像的实验”“基于STEM学习的物体沉浮研究”“基于STEM学习的测量小灯泡的功率”“基于STEM学习的电阻的测量”、七年级语文课的“基于STEM学习的河中石兽”、九年级化学课 “净水器的设计制作”和“饮用水的测量”、科技活动的“基于STEM學习的航空模型活动”等。还要积极以课题形式、依托工作室开展STEM活动的研究,提升理论水平。   2.充分挖掘学科的STEM素材开展教学
  教师可以挖掘各学科中的STEM学习素材,在学科课堂教学中展开。例如,初二物理“机械能的转化”教学中,老师提出制造过山车的任务,让学生以小组合作的方式,通过设计方案,修改方案,制作原型、调试,每个小组完成自己的过山车,并展示分享。初三物理“测量小灯泡的功率”先让学生测量小灯泡的电功率,然后提出问题:作为节能环保,为什么国家提倡用LED灯具取代白炽灯?请同学们设计制造一盏LED灯具,并测量功率进行对比。要求运用学过的串联、并联的电流电压规律,科学设计电路。综合考虑分配进行试验和制作的LED的数量,能成功完成制作而且损耗最少LED的小组优胜。学生在小组长的带领下,分工合作,先查找不同颜色的超高亮LED工作电压,通过设计不同的电路,让其在正常的电压范围工作,有的小组是串联滑动变阻器、电灯泡、增减电池个数,不同的小组采取了各自的方法,对比白炽灯的功率,得出更节能更环保的结论。
  九年级化学课可以结合“净水器的设计制作”和“饮用水的测量”展开,教师先描述从《鲁滨逊漂流记》里鲁滨逊在渺无人烟的荒岛上,自制的过滤柱过滤泥沙水,然后把已经过滤的水煮沸后饮用引入课题,以此为切入点,分析自来水厂净水流程图,了解吸附、沉淀、过滤等净化水的方法。小组成员通过头脑风暴,设计制作过滤器、初步测试、重新设计、测试、制作,然后对健康饮用水的简易检测,分别进行食醋溶液、盐水、苏打水和蒸馏水的pH值检测以及导电性检测。在电解水的实验中,运用了物理刚学的电学知识,学生通过连接并联电路,比较两个支路的电流大小、观察电解进度、分析数据,画出数学图像,得出结论。综合运用数学、物理、化学知识解决真实问题。
  思品课可以“强国梦”为课题,开展德育教育。学生在教师的引导下,开展无线电测向、航空模型等活动,激发爱国主义热情,让广大学生了解我国的科技成就,增加民族自豪感。
  七年级语文课“河中石兽”可以通过用沙子模拟河流和河床,学生先进行小组讨论,分析石头的运动方向,制订不同的打捞方案完成打捞任务。
  在学科课后作业和测验考试中可以布置STEM作业。尝试在学期考试中,加入“STEM特色”试题,以学生身边的例子,要求运用跨学科思维解决问题。例如,有些学校的沙池,经常有很多猫的脚印,要求同学们通过脚印,制订不同的方案,估算出猫的重量。又例如,楼梯经常出现老师、同学滑倒,可以请同学们分析原因,制订解决的方案。这些题目是发生在同学们日常中的真实问题,又要运用物理的压强、摩擦力、重心,运用数学计算,可以使用各种测量工具,提高了对学科知识的整合能力。
  3.开展STEM课例研讨
  开展课例研讨可以对STEM课堂的真实情境的教学问题深入分析 ,找出解决办法。提高教研水平,促进教师专业成长。通过对自身教学实践进行反思,是提高STEM教师专业水平的有效途径。通过认真写教学反思,把课堂问题记录下来,然后在STEM教研活动中提出来研讨,可以互相促进。对于每一节课,都要认真进行反思,虚心听取意见和建议,反复修改教学设计,积累教学案例。
  例如,有一次我校邀请教育集团的化学老师来我校听课,内容是九年级化学课“净水器的设计制作”和“饮用水的测量”,课后提出了几点意见和建议:(1)两节课学生用在头脑风暴,设计方面时间不够;(2)净水器做第二次时,准备水槽和喷壶冲洗。测pH需要洗玻璃棒再测第二种;(3)净水器评价粗略来讲秒表可以评价速率,效果可以在讲台展示肉眼可区分不同程度浑浊的泥水作对比。对集团教师提出的意见,我们STEM项目组非常重视,对照STEM课程的每一项进行分析、修改方案。然后在贵州面向毕节第五教育集团师生,在茶园中学上了一节示范课,效果比上次有了很大的提高。
  4.以科技竞赛为契机,促进STEM教育
  竞赛活动是激发学校开展STEM教育和学生参加STEM活动的动力。国际上发展科学、技术与社会教育和创造性教育很受重视。广泛开展科技竞赛活动,可以使学校更加重视STEM教育,也可以使学生在选定的STEM活动项目上或在完成各项实验过程中能较深入地钻研有关知识。STEM竞赛活动非常丰富,例如,荔湾区的“广雅杯” STEM绿色科技创意比赛等,要求学生综合应用物理、化学、生物知识中显露自己的才能。在竞赛活动的激发下,学校的STEM教育工作便可蓬勃发展,这对培养我国新世纪科技后备人才具有深远的意义。
  5.向前沿科技领域迈进
  为了适应时代发展,STEM教师要保持嗅觉敏锐,从培养人才,提升实践创新能力出发,及时转型,开设了多项前沿科技领域的新项目。例如,人工智能、3D打印、北斗导航、航空航天模型、航海模型、车辆模型、无人机、穿越机,等等,学生通过跨学科学习,掌握科技发展的新动向。
  6.以科技社团为载体,拓展STEM教育开展STEM学习活动,可以依托学校现有各种科技社团进行。例如,机器人、3D打印、无线电测向、航空模型等。
  7.外出交流学习,开阔思路和扩大视野
  通过参加各种STEM教育培训,解释疑惑,开拓思路。要注重学校之间交流,互相听课,相互促进,相互提高。结合教育帮扶,可以在受援地开展各种STEM交流展示,推广跨学科的教学。2019年10月底,我校STEM项目组到贵州毕节进行教育帮扶,开设公开课、开展无线电测向活动、3D打印、机器人活动,把跨学科的理念带到了金沙县,进一步认识了“做中学”的教育理念。
  8.建设适合STEM学习的教室
  把原有的科技活动室改造成STEM教室,供STEM教师进行教研和学生的STEM课程使用。由于学习方式有别于传统教学,可以考虑以小组形式设置,教坛可设置为多功能使用的展示台。小组的圆桌旁边可以配有实验小桌,供小组探究和制作原型、调试使用。
  9.配合项目的开设添置器材
  学校可以根据不同的STEM活动载体,以实际需要为原则购置器材。例如,为了在航模活动中开展STEM教育,我校购买了FPV穿越机和部分固定翼航模,学生先学习飞行的原理,然后经过小组讨论,写出设计方案,制作自己的原型机,并进行分享。然后进行试飞测试,根据试飞情况,修改方案和飞机结构,完善制作,最终完成自己的飞机设计制作。根据学习模拟飞行的需要,购置了模拟飞行用的5台计算机和飞行软件,让学生先在电脑上进行学习,然后再实操,减少飞机的碰坏,提高了教学效果。
  五、结语
  学校可以在原有青少年科技教育基础上,深入学习STEM教育理论,聚焦探索具有本校特色的STEM教育的特色路子,把STEM教育引进教学主阵地,在“学生欢迎,教师参与,促进质量”的思路下动脑子,扎实稳步推进STEM教育。通过调动教师积极性,发掘学科教材的科学素材,在不同课堂教学中广泛开展STEM学习,并在测验考试等评价中运用STEM理念,让跨学科学习深入师生,扎根校园。教师通过课例研讨,开展教学设计、撰写论文、课题研究,进一步提升STEM教师教学水平。
  参考文献:
  [1]董静.STEAM教育在初中物理实验探究课的实践[J].湖南中学物理,2018.11.
  [2]任偉,李远蓉,马坤鹤,王相宜等.基于STEM教育下的中学化学教学模式初探[J].化学教与学,2015(07):10-12.
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