物理課程融入STEM教育理念的研究與實踐

謝 麗 李春密

(1. 長江大學物理與光電工程學院,湖北 荊州 434023; 2. 北京師范大學物理學系,北京 100875)

·教育理論研究·

物理課程融入STEM教育理念的研究與實踐

謝 麗1,2李春密2

(1. 長江大學物理與光電工程學院,湖北 荊州 434023; 2. 北京師范大學物理學系,北京 100875)

發(fā)展STEM課程是推動和落實STEM(科學、技術、工程和數學)教育的關鍵,亦是學校課程改革的重點.文章通過回顧和分析,構建了STEM教育的情境整合模式框架,指出6E設計型學習模式是物理課程融入STEM教育理念的適切形式，并以“過山車制作”項目為例,給出了具體的課程設計案例.

物理課程;STEM教育;6E設計型學習模式;課程設計

1 問題的提出

STEM(Science,Technology, Engineering, Mathematics)概念最早由美國國家科學基金會 (National Science Foundation, NSF)于90年代提出.這四個相互獨立又相互關聯(lián)的學科是科技的基礎,是高素質創(chuàng)新性人才所必備的核心技能,被認為是社會和經濟發(fā)展的根本動力,是增強一個國家競爭力的重要手段.在21世紀經濟全球化的背景下,世界各國之間的競爭日益激烈,這種競爭歸根到底是教育和人才的競爭.為了在競爭中獲得優(yōu)勢,越來越多的國家投入到STEM教育的改革浪潮中,以提升本國人力資本的STEM素養(yǎng).

參照PISA(OECD, 2006)的科學框架,拜比(Bybee,2010)在其研究中從4個方面對STEM素養(yǎng)進行了描述:[1]

(1) 獲取科學、技術、工程和數學知識,運用這些知識發(fā)現問題,掌握新知以及運用所學知識解決STEM相關的問題.

(2) 了解STEM在人們從事調查、設計和分析等活動時的學科特征.

(3) 認識到STEM學科對物質、知識和文化世界的塑造.

(4) 參與和從事STEM的相關議題,成為關注科學、技術、工程和數學的、富有競爭力的勞動者.

當前,我國正處于STEM教育改革的起步階段,發(fā)展STEM課程是落實STEM教育,培養(yǎng)學生STEM素養(yǎng)的關鍵.然而,一直以來我國與STEM相關的學科都是分科教學,所以STEM課程的設計應以原有的科學技術課程為載體,融入STEM教育理念.本研究以物理學科為研究對象,在吸取和借鑒他國經驗的基礎上,嘗試探尋基于STEM教育的物理課程教學設計模式.

2 STEM教育的整合性理念

在STEM概念提出之初,更多的被理解為4門獨立、分離的學科,即S.T.E.M.隨著STEM教育運動的發(fā)展和推進,教育者逐漸認識到“整合”的重要性,并提出了STEM教育的整合性理念.該理念強調以真實世界的問題情境為背景,通過跨學科知識的聯(lián)結和應用,培養(yǎng)現代社會所需的具備STEM素養(yǎng)的人才.摩爾和史密斯(Moore &Smith,2014)在其研究中提出了STEM教育的兩種整合模式:一是情境整合(Context integration),意在將工程設計當作科學和數學教學中的學習情境和動力要素.其中,工程設計并不是學習目標,而是一種教學方法,用以加強學生對知識的聯(lián)結和掌握.二是內容整合(Content integration),重在將工程設計看作學習目標之一,將相關的工程知識與科學和數學知識進行整合.[2]我國基礎科學教育的教學目標設置中,沒有將工程技能定為教學目標,所以情境整合應成為實施STEM教育的主要參考模式.情境整合模式中, “情境學習”、 “工程設計”、“科學探究”、“數學分析”和“科技技術”是STEM教育整合框架中的核心要素,它們之間的關系如圖1所示.

圖1 STEM教育情境整合模式框架

涉及STEM的生活和工作議題為中心齒輪,目的在于激發(fā)學生的好奇心,提高學生的參與度.在具體項目或問題的驅動下,學生通過外圈齒輪——工程設計(分析、限定、建模、優(yōu)化、折中和系統(tǒng)),將科學、數學和技術知識進行聯(lián)結與傳動,制作出相關的作品,達到實踐學習(hands-on learning)和心智學習(minds-on learning)的協(xié)同發(fā)展.[3]

3 融入STEM教育理念的物理課程設計

3.1 6E設計型學習模式

踐行STEM教育整合性理念,STEM課程的開發(fā)和設計是關鍵.作為STEM教育的發(fā)起者和主要推動者,美國教育界做了大量的研究和實踐.其中,美國國際技術與工程教育學會(International Technology and Engineering Educators Association,ITEEA)于2014年提出的6E設計型學習模式(Learning byDeSIGNTMModel)是近年來備受推崇的課程設計模式.[4，5]該模式結合了“科學探究”的思維和“工程設計”的實踐,讓學生在“需要知道”和“需要做”的循環(huán)過程中感知和洞察真實情境中的問題,統(tǒng)整跨學科的知識,解決挑戰(zhàn)性任務,是落實STEM教育整合性理念的有效課程設計模式.表1對6E模式的具體內涵以及學生和教師的行為活動進行了詳細地闡述.

表1 6E設計型學習模式

續(xù)表

3.2 6E模式下的物理課程設計

我國的基礎科學教育有著良好的科——數整合傳統(tǒng),但是在科——技整合和科——工整合上還存在著很大的不足,甚至是缺失.[6]就物理學科而言,其本身就與技術和工程有潛在的聯(lián)系,例如學習“圓周運動”和“機械能守恒定律”后,設計制作過山車;學習“帕斯卡定律”和“杠桿原理”后,設計制作液壓機械手臂等.因此,在物理教學中可以基于STEM教育的整合框架,依循6E教學模式設計多課時的課程.

本研究針對高中物理必修2“機械能守恒定律”的內容,以過山車的制作為項目主題,依據6E設計型學習模式進行STEM課程設計,其中所涉及的STEM學科知識如表2所示.

表2 過山車項目制作涉及的STEM知識

“過山車制作”為主題的課程設計共分為7節(jié)課實施,教師首先要創(chuàng)設真實的問題情境,激發(fā)學生的學習動機,促使他們積極主動地參與到學習中.接著,引導學生通過科學探究、數學計算、技術知識和技能的系統(tǒng)性應用,來實現工程方案的設計和裝置的制作.然后,分析該設計能否應用到其他新的情境中,促進學生知識和技能的遷移,深化他們對工程設計的理解.最后,教師和學生共同對項目過程、制作的裝置進行評價和反思.表3詳細列出了各節(jié)課的教學內容以及所包含的6E模式階段.

表3 過山車項目教學流程

續(xù)表

4 結束語

教學強調的是培養(yǎng)學生“帶走的能力”,而不是“背不動的書包”,這是STEM教育的意義之所在.STEM教育不僅是一種整合性的教育理念,也是一種課程設置的趨勢,更是一種教學方式的革新. 這種教育應該貫穿于學生的整個學習階段,以及正規(guī)的校內學習和非正規(guī)的校外活動之中.物理課程中融入STEM教育理念,不是學科知識的簡單疊加,而是在物理課程的基礎上,以涉及STEM的生活和工作的項目或專題推動物理課程的STEM教育轉型.

1 R W Bybee. Advancing STEM education: A 2020 vision[J]. Technology and Engineering Teacher,2010(9): 30-35.

2 T J Moore，K A Smith. Advancing the state of the art of STEM Integration[J]. Journal of STEM Education,2014,15(1), 5-10.

3 范斯淳,游光昭. 科技教育融入STEM 課程的核心價值與實踐[J].教育科學研究期刊,2016,61(2):153-183.

4 Burke,B N. The ITEEA 6E Learning by DeSIGNTMModel, Maximizing Informed Design and Inquiry in the Integrative STEM Classroom[J]. Technology and Engineering Teacher,2014,73(6):14-19.

5 N B Barry. The ITEEA 6E Learning by DeSIGNTMModel[J]. Technology and Engineering Teacher,2014(3):14-19.

6 唐小為,王唯真. 整合STEM發(fā)展我國基礎科學教育的有效路徑分析[J].教育研究,2014(9):61-68.

國家自然科學基金應急管理項目“科學、技術、工程、數學(STEM)教育的國際比較研究”(71641016).

2016-12-08)