STEM教育創(chuàng)新的實踐探索

文/朱凱 陳詠梅 李銳 常樹巖

STEM教育創(chuàng)新的實踐探索

文/朱凱 陳詠梅 李銳 常樹巖

近年來，STEM教育受到各界廣泛關注，特別是日前國務院辦公廳印發(fā)的《全民科學素質行動計劃綱要實施方案》明確提出，在中學階段要增強學科間橫向配合，開展跨學科實踐探究活動。北京八一學校在三年間進行了STEM教育實踐探索，并已逐步建立起圍繞重點項目的系列課程。本文著重介紹了學校相關課程的實施步驟、策略及成果，希望能提供給相關領域同行們一些借鑒，共同思考STEM教育未來的發(fā)展。

課程整合設計與實施

對于STEM教育，近三年學校在教師中陸續(xù)開展了多項通識培訓、專題培訓，并以項目模塊為主導，進行實踐教室的新建改建。在課程及活動設計中也進行了一些嘗試。

首先我們分析了STEM教育的核心特征，不難發(fā)現(xiàn)STEM的技術性、體驗性、設計性乃至實證性與學校現(xiàn)有課程體系中的通用技術課有相似之處；而跨學科、協(xié)作性、情境性等又符合研究性學習的一些特點。基于此，以通用技術為切入點，將研究性學習與該課程進行整合，以項目研究的方式開展通用技術模塊內容的學習，開始了第一輪的STEM教學嘗試。

起初我們把它稱為STEM課，并列出了該課程的管理辦法，從指導思想到課程目標；從組織機構到課時安排乃至課程評價、教師職責都做了詳細的說明。

我們以通用技術學科的選修模塊為載體，開設了7門課程供學生選擇。在教學內容上，首先針對學生進行研究方法的通識培訓，繼而是基于任務的模塊基礎內容的學習。學生在掌握核心知識與技能后，在該模塊領域內自主選題，以項目研究的方式完成接下來的學習。

例如電子控制與單片機模塊。課程涉及電子技術、控制技術、傳感技術及計算機編程等內容，將硬件平臺和軟件程序相結合，整合物理學、電路原理、計算機等跨學科知識。課程采用開源單片機硬件平臺Arduino，在便捷高效的集成開發(fā)環(huán)境中編寫代碼，配以多種傳感器組合，實現(xiàn)光聲電、無線控制與探測等多樣化、個性化的電子控制項目方案。

表1 STEM課程模塊內容

圖1 電子控制與單片機模塊的課堂教學

項目式引領

豐富的選擇、實踐性的任務，大大調動了學生的學習興趣，但在第一輪實踐中我們發(fā)現(xiàn)，開放性選題的輔導對授課教師的要求較高，學生開題想法好，但結題成果欠佳。隨著跟進的培訓和理念提升，我們開始聚焦于選擇并開發(fā)設計有針對性的，更為恰當的STEAM教學項目。師資上學校采取了校內培訓與技術專家外聘相結合的方式。

我們與清華工業(yè)中心團隊合作開設了3D打印機制作項目。該項目要求學生團隊設計制作一臺3D打印機，通過安裝Android操作系統(tǒng)的手機完成遙控，打印制作一個以環(huán)保為主題的創(chuàng)意組合作品。3D打印機項目涉及機械、電子、控制、計算機、網絡、管理等多個學科，學生以團隊合作的形式，在做中學，完成構思、設計、實現(xiàn)和運作全過程。

學生學習使用solidworks軟件進行建模，軟件應用與數學能力得到鍛煉；打印機的制作、裝配調試與結構優(yōu)化充分體現(xiàn)了工程思想；在材料選擇及加工過程中，涉及了大量物理學、材料學的相關知識；而學生們在數學課堂中所學的公式真實應用在滑輪控制及打印頭移動設計中；跨學科知識的融合在學生的設計原理報告中得以充分體現(xiàn)；成果匯報演講、宣傳海報設計、記錄短片制作、科普短劇表演等最終結果的展現(xiàn)，在很大程度上鍛煉了學生的團隊合作，提升了人文素養(yǎng)。

圖2 學生用自己設計制作的3D打印機打印的作品

老師們常說，學生們常是眼高手低，想得挺好做不出來，但當打印成品展現(xiàn)在眼前，看著這生動蘋果果核，試圖拆開這無縫的立體結構時，我們知道，想到做之間的路已經打通，“窮理以致其知，反躬以見其實”。

學生的興趣與潛能都被大大激發(fā)，通過不斷探索，劉哲、王豐翼兩位同學還設計制作出3D打印、數控切割、激光雕刻一體機。該作品將三個系統(tǒng)共用一個傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，采用箱式結構，使用計算機運動控制卡G代碼來控制步進電機，帶動滾珠絲桿轉動，從而使電主軸、擠出頭、激光頭在三個方向均可自由移動。這個新產品不僅讓電影中的面具打印機變成現(xiàn)實，三個系統(tǒng)的融合將成品的逼真效果大大提升。這種概念既節(jié)省了對于傳動裝置、電器系統(tǒng)的需求，又很大程度上節(jié)約了制造成本。該作品獲得全國青年科普實驗作品大賽第一名。

日常教學與活動設計體現(xiàn)STEM教育思想

在課程實踐中，面對創(chuàng)新的教學內容，我們經常采納師生共同參與培訓的策略。學校三十多位學科老師也報名參加了3D打印機的制作項目。理念培訓結合實踐項目，老師們慢慢將STEAM作為一種教學方法滲透到日常。例如綜合課——火山，3D設計打印火山模型，通過化學實驗模擬火山噴發(fā)過程，利用數學知識計算火山噴發(fā)影響的面積，充分體現(xiàn)了跨學科的思想。

“探月任務”是我校科技節(jié)中的一項比賽設計。參賽隊員要設計一輛制作通過性好（爬坡、不同摩擦力地面）、有抓取功能、自驅動、尋址的車輛；設計制作帶有聲光效果的溫室模型；設計制作道具并進行短劇表演；拍攝一段視頻介紹。這就是STEAM。

表2 STEM課程課時實施方案

圖3 劉哲王豐翼設計制作的3D打印、數控切割、激光雕刻一體機

圖4 綜合課——火山

STEM教育的問題與思考

日前，國務院辦公廳印發(fā)的《全民科學素質行動計劃綱要實施方案》中明確提出：推進義務教育階段的科技教育，增強中學數學、物理、化學、生物等學科教學的橫向配合。推進高中階段的科技教育，鼓勵普通高中探索開展科學創(chuàng)新與技術實踐的跨學科探究活動。不難看出，從國家層面的政策引導，到社會發(fā)展對科技創(chuàng)新型人才的需要，在中學開展STEM教育已成為必然。

然而我們在實踐中也發(fā)現(xiàn)很多問題：如何尋找科技素養(yǎng)普及與科技精英培養(yǎng)的平衡點；教師從傳統(tǒng)的單一學科教學到跨學科整合的理念及專業(yè)水平有待提升；適恰的STEM項目資源匱乏；學生在動手實踐項目上的大量時間精力投入與傳統(tǒng)學科學習間的沖突等。當然應對這些問題，我們也有一些思考：以學校特色小衛(wèi)星項目為推進重點，在技術類（通用技術、信息技術）學科中繼續(xù)加大項目開發(fā)，通過外引技術與校內研發(fā)相結合，設計固化STEM項目；引入社會資源、高校資源，外聘教師與校內教師培訓相結合；建立STEM項目云平臺，豐富課程資源，提供學生展示空間；將學校原有科技教育與STEM教育、創(chuàng)客教育做有機融合;強化總結與評價；跨校聯(lián)合，共同開發(fā)共享資源等。

對于STEM教學的探索，我們剛剛起步，教育需要理性的思考與踏實的實踐。什么是一個好的STEM項目，到底如何設計出一個STEM項目沒有唯一答案，而這種開放性的，需要思考并獨立實踐探知的過程也是STEM所必須的。

STEM教育

STEM代表科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）。加之藝術（A），組成了STEAM教育。在《2015年地平線報告：K12版》提出，“STEAM學習的崛起”將成為“未來一至兩年技術驅動K12教育的重要趨勢”。在當下，推進跨學科知識融合的STEM教育，在幫助學生打好扎實的學科知識基礎的同時，以項目和真實問題為引領，創(chuàng)新性的解決問題，是近年來我們非常關注的話題。

（本文作者單位為北京市八一學校）