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美國聯邦教育部近日發布《促進STEM教與學的九種方式》報告,介紹了美國中小學教學中借助新技術培養學生STEM素養、提高計算思維與技能的具體方法——

創新就在學科融合之中

發布時間:2019-11-22 作者:趙章靖 張永軍 來源:中國教育報

近日,美國聯邦教育部與“數字前景”公司合作發布了《促進STEM教與學的九種方式》報告,該報告通過系統研究相關文獻,結合中小學教學案例,梳理出了有效促進STEM(科學、技術、工程、數學)學習的九種方式。這些借助新技術的教學方法主要聚焦在培養學生STEM素養、提高計算思維與技能等方面。每種方法后面附有相應的學校案例介紹,案例學校分布于美國主要的州和地區,既具有代表性,也方便在全美中小學STEM課堂中推廣。這份報告對于我國當前教育改革之關注學科交叉融合、注重提升學生核心素養也有一定的借鑒意義。

    方法一:

    動態表征

數字模型、交互式仿真和虛擬環境等動態表征是科學家、數學家和工程師所采用的基本方法。動態表征法(Dynamic Representations)基于計算機模型,幫助學習者構建自然或工程現象的準確認知模型與知識結構,這種方法在形式上千差萬別,要求學習者所具備的能力水平也不盡相同。師生通過與數字模型、仿真模擬系統深入互動,動態表征數學、科學及工程原理,可以深度理解并掌握科學原理和概念。為了更好地支持學習者,教師通常在STEM學科涉及的系統性和過程性知識與技能中,利用動態表征法,并設置相應的教學支架,為學生對知識的理解提供一種框架,幫助學生學習。大量的實踐證明,這種方法是頗見成效的。

在美國拉斯韋加斯的沃爾特·布蘭肯學校,老師借助互動模擬技術向三年級學生講授天氣和氣候。學生通過在線模擬獲取美國兩個地區的天氣信息,及時查看溫度、濕度、雨水和風向測量結果,然后利用平板電腦對數據進行圖形化處理,以觀察天氣模式并相互分享各自的發現。由于拉斯韋加斯的天氣變化有限,學生通過在線模擬學習不同地區的天氣既拓展了視野,又樂在其中。

    方法二:

    協同推理

師生圍繞科學概念開展協作推理(Collaborative Reasoning),能鼓勵學生平等參與以改進或完善對概念的認識。借助技術工具可以擴大交流、聚焦研討、增強協作。該方法促使學生深度參與研討,建構并達成對問題的理解共識,亦有助于實現均衡參與,抑制那些研討中個別喧賓奪主或輕易聽信于人的現象。

在美國內布拉斯加州的菲利普·H·舒爾中學的聲學課上,教師首先向學生展示大頭釘接觸塑膠唱片產生聲音的現象,引起學生發問:“聲音是如何產生并傳播到人耳的?”然后,學生使用筆記本電腦創建數字模型來回答,并引發出更多問題。教師鼓勵全班一起探討,學生使用在線交流和協作平臺提出問題、分享觀點。老師在課堂上展示每個學生的數字模型,并討論學生開發的數字模型與科學模型的相似之處或不同之處。這樣,教師與學生共同建構科學概念,推動科學探究。

    方法三:

    即時與個性化反饋

數字工具能幫助學生學習STEM技能與概念,并提供即時、個性化的反饋(Immediate and Individualized Feedback)。面臨挑戰性的學習任務,學生根據反饋來制定合理的目標并規劃學習行為。科學有效的反饋可以幫助學生縮小現有水平和預期水平之間的差距。根據課程學習目標,反饋可采取多種不同的形式。考試一般屬于延遲性反饋,課上課下交流則屬于即時性反饋。一項涉及來自129個課堂的4000名二年級學生的準實驗研究發現,當學生使用計算機練習算術技能并收到即時反饋時,他們的學習收益更大。

在美國北卡羅來納州的格林中央高中,學生在線觀看老師講解問題視頻,然后自己解決問題。教師借助在線平臺,可以看到每個學生的學習狀態,及時發現遇到學習困難的學生,并通過提示或示例的方式提供及時的個性化的反饋。

    方法四:

    科學論證

科學論證(Science Argumentation Skills)是一個思維過程,需要批判性思維來提出和捍衛解釋關于科學現象的理論的證據,這對于所有科學領域的探索都是至關重要的。學生運用科學論證有助于建構知識,辨析不同觀念并開展獨立思考。現代技術可以通過多種方式促進科學論證。研究發現,成績較低的學生可借助計算機技術顯著提升科學論證能力。

美國明尼蘇達州的韋弗湖STEM小學四年級開設了為期一年的關于湖泊生態健康的研究課,學生持續觀察附近的淡水湖,使用探頭記錄水和湖區土壤溫度,收集湖水樣本,用濁度管記錄水的透明度,拍攝數碼照片,記錄湖區不同時期的季節變換。在此過程中,學生根據自己的觀察與資料搜集創建相應的網站,周圍社區可通過該網站了解湖泊是否健康。通過這樣的學習,學生利用技術搜集與分析信息,表述自己觀點并開展相應的論證。相應地,學生的學習動力、表達能力以及科學論證能力都有所提升。

    方法五:

    工程設計流程

學生可借助工程設計流程(Engineering Design Processes)和相應的技術修訂、實施和測試問題并找到解決方案。工程涉及設計、迭代與系統化等環節。借助技術工具,學生可將科學和數學思路應用于設計。相關研究發現,那些通過科學與技術相結合的工程模塊單元學習的學生,顯著拓展了STEM領域知識,并提升了高階思維技能,包括解決問題的能力和程序知識。

在美國佛羅里達州圣彼得堡的道格拉斯·詹姆遜小學,學生們從幼兒園開始學習“計劃、設計、檢查和共享”的工程設計流程。該校三年級開設了隔熱材料專題,學生測試不同材料耐熱程度,例如不同顏色的紙和鋁箔,以選擇隔熱層,設計制造保溫箱。之后,學生們將冰塊放入保溫箱,進行初始溫度測量,再將保溫箱在陽光下放置30分鐘。然后,他們使用探針溫度計檢查保溫箱溫度,記錄測量結果并繪制相關的圖表。回到教室后,他們再打開保溫箱,測量已融冰的毫米高度,據此比較不同保溫材料的耐熱程度。借助工程設計流程,學生通過設計、分享與比較來確定最適宜的保溫材料,增進了認識,提高了技能。

    方法六:

    計算思維

計算思維(Computational Thinking)主要是借助算法思維開展的抽象推理和借自動化執行程序來解釋與解決問題,該方法可廣泛適用于科學和數學學習。學生利用信息技術,通過算法、數據計算和模擬來分析問題、解決問題,從而獲得對相關現象的新認識。一項針對高中生的準實驗研究發現,將計算思維與計算機編程結合起來進行教學,可大大提高學生的推理能力,包括進行推測和從數據中得出結論。

在美國印第安納州哥倫布市的南邊小學,計算思維課程涵蓋了從幼兒園到五年級全程。該校二年級就要求學生通過學習編程來闡述蝴蝶的生命周期。高年級開設機器人課程,要求學生通過編程設計機器人,運用計算思維來解決現實問題。通過修正編程錯誤,學生逐漸了解到計算思維需要不斷的反復試驗,并且鍛煉了在一次次錯誤和失敗中堅定信心,提高科研心理素質。

    方法七:

    基于項目的跨學科學習

學生借助數字技術工具開展富有挑戰性的跨學科項目學習活動(Project-based Interdisciplinary Learning),能有效整合STEM多個學科。開展這類項目學習,可以為學生提供關聯性更強、更吸引人、更深度集中的學習體驗,進而提高綜合能力。在跨學科學習中,學生可像專業科學家那樣,運用數字技術搜集、組織和交流信息,輔助任務管理,探索問題解決之道,以及設計產品等。

在美國華盛頓州的亨利埃塔·萊克斯健康與生物科學高中,該校STEM項目圍繞防曬霜的化學成分及其環境影響這一專題展開。首先,教師在課堂上介紹一類分子模型,這類分子在包括防曬霜在內的非處方產品中很常見。通過研究,學生了解到某些化合物(如氧苯甲酮)對珊瑚礁和皮膚有害。在研究過程中,學生充分利用了開放性的化學數據庫以及三維交互式化學結構模型,制作了防曬手冊和項目海報,在課堂上展示研究成果,并詳細闡述防曬霜成分對珊瑚礁系統和人類健康的影響。

    方法八:

    嵌入評議

嵌入評議(Embedded Assessments)是利用數字技術,將評議嵌入到STEM教學中,可實時、準確反映出學習活動的性質、質量等信息,并促使學生發現問題,提出解決方案。課堂評議也可幫助教師調整教學方式,更好地滿足學生需求。該方法與即時個性化反饋有交集之處,即學生能及時得到反饋信息并作出改進。

在美國紐約州錫拉丘茲市的松樹林中學,每一堂課教師都會提出富有啟發性的問題,鼓勵學生發散思維,廣泛討論。在討論過程中,學生圍繞問題展開獨立思考,分享觀點,相互開展同行評議,然后大家綜合匯集討論意見,促進了對問題的認識和理解。在該校生物課堂上,老師提問:“如果從食物鏈中去除或添加某些物種會發生什么變化?”學生小組討論,相互評價,然后集中整理意見。借助在線平臺,學生反思并綜合了各種想法,從多個角度反思并認識了食物鏈變化及其對生態環境的影響。

    方法九:

    基于證據的模型

開發、測試和利用基于證據的模型(Evidence-based Models)是科學家和工程師的常用方法,也可廣泛應用于STEM教學。學生根據數據、證據開發模型,并明確模型的應用范圍。通過開發模型以融合STEM理論與實踐的教學可幫助學生增進理解,發展技能。例如,六年級學生在學習氣體和液體運動時,利用計算機繪制氣味向鼻子傳播的模型,隨著探究的深入和知識的積累,學生不斷修改模型,最終他們的模型逐漸與完整的科學模型趨于一致。

在美國得克薩斯州奧斯汀的雪松國際下一代中學,老師讓學生圍繞“如何在學校建筑中增加可利用空間”展開設計。學生利用測量工具和數學知識測量每個房間的大小,根據測量數據開發新的學校空間模型,新模型所展示的學校空間比現有的空間要大。在此過程中,學生創建樓層平面草圖,并與圖形設計團隊展開協作。此前開展這類項目時,學生主要通過手繪草圖開發模型,但是這些模型傳達的信息有限。而現在利用數字技術生成模型時,傳達的信息更加詳細、清晰、豐富。

上述九種方法均強調計算機技術和信息技術在當前STEM學習和教學中不可或缺的作用,并鼓勵學生獨立思考、自主探索、開展協作、不懼失敗,此外,尤為注重跨學科學習。

2018年12月,美國聯邦政府出臺STEM教育的第二個五年規劃《為成功規劃路線:美國STEM教育行動方略》,又名“北極星計劃”。在該報告中,美國聯邦政府前所未有地重視STEM學科融合,指出最具變革性的發現和創新往往就是發生在學科融合之際——“STEM教育能夠實現不同學科知識的整合并提出創造性的解決方案,以應對復雜的問題和挑戰”,并強調STEM教育并不僅僅停留在培養批判性思維、問題解決能力以及高階思維、研發設計與推理等現代技能上,同樣也應關注一些行為素養的培養,諸如堅韌品格、適應性能力、合作能力、組織能力以及責任感等。此外,該報告還突出強調數字素養及計算思維的培養。美國當前中小學STEM教學與其聯邦政府的倡議是相呼應的,注重數字素養培育、開展跨學科學習和借助信息技術促進STEM教與學,已成為當前美國STEM教學的突出特征。

(作者單位:中國教育科學研究院,本研究為該院2019年度基本科研業務費專項資金項目“特朗普時期美國基礎教育創新研究”[GYI2019079]成果之一)

《中國教育報》2019年11月22日第5版 

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