美國馬薩諸塞州小學STEM教育活動設計的理念及其啟示

摘 要 重視STEM教育已成為國際教育界的共識，各個國家都在積極探索實施STEM教育的方法與路徑。美國馬薩諸塞州的STEM教育頗具特色，尤其是其小學階段基于“修補”理念設計了一系列主題活動。與其他STEM教育方法相比，“修補”具有低門檻、高包容性、完全開放性及生活性等特點，尤其符合學習者，特別是低齡段學習者的認知規律。借鑒馬薩諸塞州基于“修補”理念的STEM教育活動的設計與實施，可為我國STEM教育的有效開展提供新的思路與啟示。

關鍵詞 美國 小學教育 STEM 創客運動

STEM教育掀起了國際教育改革的熱潮，成為培養創新人才、提高國家競爭力的重要手段。作為風向標的美國STEM教育的實施路徑與方法，成為各國參考的重要依據。美國馬薩諸塞州小學階段的STEM教育基于“修補”理念設計了一系列主題活動，為我國STEM教育的有效實施提供了新的方向與思路。

一、美國推進STEM教育的有效方法——“修補”

1.“修補”的涵義

“修補”（Tinkering）一詞最早出現于13世紀，用于形容那些四處修理各種家用小器具的鐵匠[1]。牛津詞典中對“修補”的解釋是“試圖以隨意或無意識的方式修復或改進某些東西”，表明“修補”活動開始時不必遵循一套固定的規則或尋求一個已知的最終目標[2]，它鼓勵學習者自發地、即興地使用隨處可見的、日常的、真實的工具和材料（如，木頭、鉗子等），通過“現物利用”，即興地創造新的“東西”來探索STEM現象。“修補”與創客文化中的各種活動非常接近，然而在實踐中又與其他探究式學習方法存在區別，如表1所示。

學習者觀看預先準備的實際演示 傳達內容知識。 活動由固定和預先確定的目標來定義。學習者沒有目標所有權。 結果是固定的。學習者只是傾聽和觀察，處于被動狀態。 為學習者選擇材料和資源以及使用方式。

學習者試圖解決一個特定的問題 通過解決問題的方式傳遞知識，促進理解工程的關鍵特征，須遵循特定規則。 活動由固定和預先確定的外部目標來定義。學習者沒有目標所有權。 結果是固定的。學習者將構建執行特定功能或解決特定問題的對象。 學習者可從一系列材料中選擇。他們將仔細規劃可用材料的類型。這些材料通常有助于引導學習者做出具體的設計選擇。

學習者提出問題并試圖用科學的流程找到答案* 促進學習者培養科學的解決問題能力和工作方式。 學習者參與創造和塑造目標。通過預先確定的目標形成活動。 結果是基于個人選擇的問題來解決的。 學習者根據他們選擇調查的內容，選擇材料和資源。最終結果是開放式的。

學習者探索和使用材料來創造、發明一個物體或產品 幫助學生使用工具和材料來創建預先確定的對象。 無固定的外部目標。目標是個人的。 根據活動的結構，結果可能是高度可變的。 材料和工具是多樣化的。學習者可自由選擇。材料可能沒有提前計劃。

學習者以一種即興的方式探索和使用材料，以便體驗和更好地理解一種科學現象 幫助學習者發展對材料和現象的直觀理解。

指導者提出最初的長期目標，該目標被學習者個性化、轉移或復雜化。 結果是基于個人選擇的問題來解決的。 材料和工具通常是多樣的，經過精心策劃，幫助學習者體驗一種特殊的科學現象。學習者對材料、工具和方法擁有高度的選擇權。

“修補”與其他STEM方法的關鍵不同點在于學習者個人角色的重要性和目標的所有權。在“修補”活動中，學習者具有高度的目標所有權。指導者只需在開始時設定一個廣泛的長期目標，作為學習者個人活動的起點或“跳板”，隨著活動的進行，學習者可自由地改變、發展或個性化目標，并根據自己的興趣設定短期目標。

2.“修補”理念下馬薩諸塞州小學STEM活動設計案例

“修補”活動的完全開放性、高度自由性以及高包容性的特點，使得該項活動易于普及，尤其適合低年齡段兒童的創造性發揮。下面以“搭建”項目中“搭建社區”為例，分析其設計與實施過程。

（1）“搭建社區”案例的設計與實施

①準備階段。準備一張桌子或平穩的表面（如地板）作為兒童搭建的基礎。為每個孩子準備建筑紙、膠棒和剪刀。

②實施階段。對年齡較小的孩子，提供預先裁切好的正方形紙和長方形紙，向他們演示如何折紙。讓他們練習并探索把紙折疊成不同的形狀，看看是否有一些形狀可以垂直于桌子或地板使用。讓他們嘗試將一張折疊的紙粘貼到另一張紙上，以創建“建筑物”。對年齡稍大的兒童，則演示裁剪技術，讓他們自己剪切折疊紙張，鼓勵他們用多種方式來創造。在兒童操作過程中，鼓勵他們試驗所有材料，以創建其他類型的建筑物或添加到正搭建的建筑物中。

③反思階段。讓孩子們談談探索過程。如，他們從哪種建筑開始的？采用了哪些材料，效果如何？

④拓展階段。有實踐拓展和閱讀拓展。實踐拓展，要求兒童在可回收的海報板或厚紙板上創建建筑物，添加馬路、人行道，并融入人物、動物或汽車等元素，搭建一個繁忙的社區，然后在家、社區或公園進行一次“收集”之旅，給自己的作品添加裝飾。閱讀拓展Byron Barton編著的《Building a House》一書。

（2）“搭建社區”案例的分析

①寬松的創新氛圍。“修補”活動鼓勵學習者在玩耍和使用材料的過程中產生創意，進而嘗試各種可能性。這種探究方式被視為提高工程類課程學習興趣的一種方式，也是學科工作的典范[4]。

②感性的學習體驗。學習者在運用日常的真實材料，使用真實工具（如，螺絲刀、鉗子等）的過程中所產生的體驗是傳統課程所不能給予的。學習者可親手觸碰各種原材料，在不斷的對比體驗中選擇最符合自己要求的材料。它不僅能達到STEM教學的目標，而且能夠更深層次地培養學習者的實踐能力和思考能力，豐富學習者的情感體驗。

③自由的學習路徑。“修補”降低了兒童進入STEM教育領域的門檻，同時創造了具有審美和自我表達維度的物體，從而有利于學習者創建自己的學習路徑[5]。在“修補”活動中，學習者可制作任何感興趣的東西，將特長與興趣發揮到極致。

④靈活且個性化的學習目標。在“修補”實踐活動中，使用何種材料和工具、完成何種任務，均由學習者根據自己的想法來決定。學習者擁有高度自主權，可盡情發揮自己的創意，拉近了科學與實踐的距離。

二、借鑒與啟示

“修補”所提倡的“使用真實的工具和材料，投入真實的世界，動手解決真實的問題”，允許學生以“玩耍、探索、迭代的方式去解決問題或參與到項目中”“使用既有的材料即興發揮”[3]等理念，表明“修補”為學習者的創新提供了更低的門檻，它應被納入我國的STEM教育體系。

1.以“修補”主題項目為依托，將STEM概念置于多學科實踐及兒童的日常生活中

使用熟悉的材料將STEM概念與日常生活聯系起來，能有效支持學習者跨越環境建立聯系，并推動發明和創造的實踐[6]。“修補”活動完全滿足了STEM教育的價值訴求。因此，可以基于“修補”教學方法，通過物理探索、協同游戲和引發對周圍世界的好奇心等方式來實施STEM教育。比如，當兒童在探索一些簡單的工具或器械（如，鉗子、扳手等）是如何操作的時候，他們就在學習和理解技術的概念。

2.以引導式提問和游戲實驗為途徑，支撐兒童的STEM教學

創新是人類的本性。從這個視角來看，“修補”作為實現人類創新的一種手段可以被教授，但不能以直接和線性的方式去教授。“修補”不是課程計劃，最好創造一個有利于創新活動開展的環境。而要創設這樣的創新文化氛圍，首先要鼓勵動手操作或物理探索，鼓勵學習者通過建立模型或發現問題來解釋他們的概念。其次，要創造一種實驗、發現和游戲的文化與刺激，強調對真實世界的觀察，讓學習者在現實世界中證明他們的理論。再次，鼓勵學習者重視先行的或外部的影響。因為創意是從不同的影響中獲得的，并通過使用新的方式與舊的想法加以整合，最終變成自己的想法[7]。最后，鼓勵參與者提出有見地的問題。在不斷反思問題的過程中，允許他們尋找探究方向，直到找到自己的“修補”項目并投入其中。

3.以“家校互動、合力共育”為紐帶，延伸兒童STEM教育主題項目的學習深度

家校攜手共育是形成STEM教育合力、鞏固STEM教育效果的重要保障。教師除了在校內實施STEM教育項目之外，還要圍繞兒童探究的STEM主題活動項目，與家長進行有效協作與交流，引導家長在家里繼續針對這些主題活動進行延伸，拓展STEM教育項目的學習深度。延伸學習深度，不但可以讓兒童有更長的時間去反復思考同一個概念，而且還有利于幫助兒童形成知識網絡，學會知識的遷移。

STEM教育是一場關乎國家前途的終身學習運動，我們既要關注高等教育階段的STEM教育，還要關注中小學教育階段的STEM教育;既要關注STEM教育的意涵和價值，還要關注STEM教育在實施方法和路徑方面的創新之處。

參考文獻

[1] Karen Wilkinson & Mike Petrich.The Art of Tinkering： Meet 150 Makers Working at the Intersection of Art， science & technology [EB/OL].

https：//www.mendeley.com/research-papers/art-tinkering-meet-150-makers-working-intersection-art-science-technology/. 2019-5-15.

[2] 周靜，潘洪建.美國探客教育的內涵、發展與價值探析[J].比較教育研究，2019（07）：45.

[3] Emily Harris， Mark Winterbottom， Maria Xanthoudaki， Inka de Pijer. Tinkering-A Practitioner Guide for Developing and Implementing Tinkering Activities [EB/OL].https：//ec.europa.eu/epale/it/node/40449.2019-9-19.

[4] Steven Worker，Andrea Ambrose，Richard Mahacek.Making and Tinkering in Robotics [EB/OL].

http：//www.docin.com/p-1475586301.html. 2019-01-09.

[5] Jean J.Ryoo，Nicole Bulalacao，Linda Kekelis，Emily McLeod Henriquez. Tinkering with“Failure”：Equity， Learning，and the Iterative Design Process [EB/OL].http：//ucla.academia.edu/JeanRyoo.2019-04-12.

[6] M.Honey & D.E.Kanter（Eds.），Design，Make，play：Growing the Next Generation of STEM Innovators[J].Teachers College Record，2013（03）：163-181.

[7] 盧彪.科技創新與體制機制創新“雙輪驅動”下的制度供給[J].揚州大學學報：人文社會科學版，2017（06）：6.

[責任編輯：白文軍]