基础教育阶段以工程为本的STEM课程整合模式研究

/基础教育阶段以工程为本的STEM课程整合模式研究【摘要】STEM跨学科整合问题目前是世界范围内基础教育课程改革的热点和难点，也是STEM教学是否有效的关键。针对这一问题，基于工程学本身所具有的跨学科性，及其要求合目的性与合规律性相统一的独特认识论和方法论，通过工程来整合STEM课程有其必要性与可行性。为此，构建包括界定问题、形成解决方案等六个基本要素和课程实施框架的以工程为本的STEM课程运行框架，辅之以中国台湾地区某高中实施以工程为中心的STEM课程的具体实践作为案例参考，可为基础教育阶段STEM课堂教学的发展提供有益的理论思考和可参考的实践路径。【关键词】基础教育阶段；工程设计；STEM课程；跨学科

本研究拟对工程教育以及以工程为本的STEM课程进行理论探讨，并就中国台湾地区一所高中以工程为本的STEM课程实施样本进行分析，期以为基础教育阶段STEM课堂教学提供一些理论思考和可参考的实践路径。 一、STEM课程整合的内涵 在《现代汉语词典》中，“整合”的定义为调整并重新组合，使和谐有序。2001年印发的《基础教育课程改革纲要(试行)》对整合概念[1]在课程方面的应用有较为细致的体现，强调将教学系统中已经分散的各要素和成分有机地联系在一起，以整体性、关联性，以及辩证性的视角来理解和研究教育过程中各种教育要素之间的关系，使之成为具有共同教育目标取向和价值基础的整体，旨在体现课程结构的均衡性、综合性和选择性的同时，满足不同地区和学生的发展需求[2]。瓦斯奎兹(VasquezJ.A.)等把STEM课程整合划分为四种类型的整合：学科(disciplinary)、多学科(multidisciplinary)、跨学科(interdisciplinary)和超学科(transdisciplinary)。学科是指具体的内容知识和技能是单独教授的，教授的内容基于学科，并没有共同的主题。多学科是指具体的学科内容和技能是单独教授的，但是会有一个共同的主题，各个学科之间没有关联，在教授各个学科时要努力地参照主题来教学。跨学科是指共同教授两门或两门以上具体的学科内容和技能，来加强知识的建构过程，各个学科仍然是可以识别的，STEM学科围绕主题进行整合。超学科是指共同教授两门或两门以上具体的学科内容知识和技能，会涉及真实世界的问题或项目，各个学科可能无法被识别，常常以综合的方式来呈现。其中，超学科整合方式被看作是最有潜力的，可以通过共同的主题和通用的技能来达成。在超学科中，STEM学科通过主题相互连接，其中的学习内容和技能处于不同的概念水平，根据真实世界的问题或项目，整合、教授两个或更多学科的特定知识内容和技能，因此，对各个STEM学科的关注逐渐淡去，综合的方法应运而生。超学科整合可以被认为是一个潜在的STEM生态系统，通过连接共同的主题和共享的技能来实现，它涉及更深层次的概念思维过程。所以超学科形式是STEM整合的最高形式[3]。 二、基础教育阶段通过工程整合STEM课程的必要性和可行性分析(略) 三、以工程为本的STEM课程运行框架的构建 (一)以工程为本的STEM课程的基本要素 以工程为本的STEM课程一般都会包含六个基本要素：界定问题；形成解决方案；分析数据；对解决方案建模；实施检测和进行调整；过程的最优化。界定问题是设计过程的第一步，理解特定设计的需要和限制是阐明工程问题的关键，课程的重点必须放在识别限制和进行权衡上。而且，在问题定义阶段理解限制条件可帮助学生形成可行的解决方案并压缩解决问题的范畴空间。形成解决方案是指通过评估不同的方法，进而选出与问题标准和限制条件最相吻合的办法。形成解决方案的过程包括：基于问题和限制条件进行数据收集，通过分析和概念化识别出可能的解决方案，再根据进一步的分析，选出一个最佳的解决办法。如果想把工程概念有效地融入到STEM教育中，教师还必须加强教授与工程设计相关的概念和程序知识。对解决方案建模也是工程设计的关键步骤。建模是一个系统，一个设计程序或者产品其基本特征的表征，可以采取制图、物理或数学的形式。一方面，工程设计活动能够提高学生建模的能力，提高他们对概念知识以及工程设计性能的理解能力。另一方面，建模对工程设计的预测和检测也是非常重要的，因此，教师必须通过关于建模的教学，鼓励学生把学到的科学和数学知识应用到工程设计当中。另外，检测、调整和最优化解决方案不仅是工程设计的重要步骤，也是真正解决问题的过程。实施最优化是找出解决问题的最佳方案的过程，必须包含对结果的检测和分析及对限制条件的权衡，以形成一个综合性的解决方案。当在真实世界中解决问题时，考虑相关的限制条件和依据过去的经验，都需要对理想和现实的设计产品进行再次设计[4]。 (二)以工程为本的STEM课程整合的实施框架 以工程为本的STEM课程整合实施的重点在于把跨学科的整合性课程呈现在学生面前[5]，帮助学生理解和整合相关的STEM知识，在他们所获得的概念知识和问题情境之间建立联系，为学生提供有意义和有趣的学习体验。总体而言，以工程为本的STEM课程具有以下基本特点：(l)研究主题基于真实世界情境；(2)教学方法强调项目、问题或探究为本的学习；(3)学习者为中心的合作学习经验的构建；(4)工程设计过程与STEM有关学科知识的整合；(5)通过多样化的教学策略培养学生的高阶思维。基于这些特点，本研究构建了以工程为中心的STEM课程的实施框架(见图1)。 图1以工程为中心的STEM课程实施框架 1.课程主题：通过“项目、问题和探究为本的学习”，帮助学生理解“真实世界的重大技术问题”“具体的STEM学科知识”及“探索工程领域” 课程主题常常聚焦于重大的全球技术主题或者真实世界的问题(例如可持续发展)，需要整合不同学科的相关知识来寻找解决办法。学习模式常常是项目、问题或探究式学习。项目式的课程设计关注的是提供特定的主题、规范(norms)、问题陈述、目标和限制因素作为指导原则和基于课程主题来克服传统的课程框架，重新组织和重新安排相关知识。因此，应教授学生怎样应用工程设计过程、技术和知识来达到项目的目标。以项目为本的课程应引导学生应用数学和科学知识来改进他们的设计性能，并因此强调学生学习过程中的研究、探究和分析经验以及教师和学生的沟通。以问题为本的学习是学习者为中心的学习模式，通过解决开放性的问题帮助学生获得具体的知识或技能。以问题为本的课程设计应反映真实世界情境的问题或需要。探究式课程模式则主要是采用工程设计活动来激发学生对科学或数学概念知识的学习兴趣，学生会参与一系列探究式实验来建构这些概念知识。以探究为本与以问题为本的学习的不同之处主要在于，前者不局限于特定的问题情境，学生可投入到跨学科的有关开放性问题或与具体知识有关的探究活动之中。 2.教授内容：聚焦特定的内容知识 界定STEM课程的不同类型学科知识的范围是一个非常具有挑战性的过程。很多学者指出，过多的课程知识会让教师们感到困惑，这样会造成理论上的能力指标与实践课程内容相脱离，最后只剩下形式。如果教师就如何应用科学和数学知识去解决问题方面不给予学生明确的指导，学生就不能形成关于设计过程的元认知技能，也就不能对他们所学的科学和数学知识进行学习迁移；如果教师不能明确地指明相关的学习目标和内容知识，就不能形成合适的评价指标，也不能给学生提供有意义的学习经验。Bryan等学者认为，在以工程为本的STEM整合课程中，工程应该作为整合学科，同时，教师还应该确定一个锚点(anchor)学科来决定学习目标。 3.学习活动：组织有意义的“探究与实验”和“设计与制作”活动来引导学生在工程设计过程中把STEM学科知识关联起来 为了帮助学生在重要的概念知识和实践技能之间建立起明显的联系，教师必须精心安排一系列有意义、有逻辑的学习经验以帮助学生理解、阐明和加强科学、技术、工程和数学之间的联系，在课程知识和课程主题之间建立起有意义的关联。通过“探究与实验”和“设计与制作”能把抽象的知识转变成可见的、具体的实验或可以操纵的动手活动，让学生形成有效的工程设计和问题解决策略，使学生有足够多的机会去观察和反思科学知识和技术。一方面，“探究与实验”活动主要是探索和证实科学原则以及应用科学原则或进行数学分析。因此，其目标是通过数学建模和预测、科学实验或其它方法帮助学生掌握与课程主题相关的知识。在工程设计基础上，学生通过科学实验的探究过程能够提高观察和分析的技能，能够观察科学原理应用到工程实践的可能的效果。通过科学实验，手头的问题和相关的设计概念可以被客观地检验和用数据进行分析。在此过程中，“通过观察准确地描述问题”，进行“数据记录和分析”，“能对选择的概念知识和应用进行评价”，“基于客观数据的沟通”，所有这些都是工程设计过程中“界定问题”“分析”和实施“最优化”环节不可缺少的技能。另一方面，“设计与制作”活动聚焦于软件和硬件技术的应用以及实践技能的训练。该活动的目标是帮助学生理解怎样应用相关的实用技能，把抽象的科学原则和设计概念具体化，学习怎么建模和对方案进行调整，所有这些都是在工程设计过程中“形成解决方案”“建模”和实施“检测和调整”的必要技能。 4.教学策略：加强对STEM学科知识的“探索”“连接”“解释”“实践”“原型”“测试”和“应用” 一般来说，学习活动旨在帮助学生通过对材料系统的、定期的学习，逐渐积累相关知识和经验。教师必须明确和有意义地安排科学和工程活动的顺序，通过工程设计，专注于特定科学概念的发展，在实施STEM课程时，引导学生进行提问和猜测，强调学生思维的正当性，注重学生对整体模式的理解，并将评估整合到教学中。因此，教学应侧重于提高学生对知识的理解并强调解决方案的合理性和可行性。学生的学习活动不仅依赖于课程设计，而且依赖于教师基于教学策略的指导，以逐步构建起学术知识与理论知识和项目相关问题之间的联系。例如，教师可以指导学生经历六个阶段的6e学习周期：需要“参与”(engage)、“探索”(explore)、“解释”(explain)、“设计”(engineer)、“丰富”(enrich)和“评估”(evaluate)。或者，也可以引导学生经历“探索”“获得想法”“应用想法”“扩展想法”和进行“评估”的过程。“探究与实验”阶段的教学策略应着重于帮助学生“探索”解决问题所需的隐性的STEM知识，“解释”抽象的数学和科学概念，并将具体知识与相关的问题情境“联系”起来[6]。在“设计与制造”活动中的教学策略则应围绕帮助学生“练习”STEM中相关的操作技能、“原型”实体产品，“测试”知识如何在各种设计情况下使用，以及帮助他们了解如何将知识“应用”于工程设计过程。由于STEM课程具有广泛而综合的特点，教师在设计教学方法和准备辅助技术工具时，应仔细考虑如何以有形和可见的形式呈现抽象知识，并透过数码模拟、物理模型或其它方法，展示抽象知识与现实世界的联系，以促进学生对理论知识的理解和应用。 四、以工程为本的STEM课程的案例展示 上述分析提供了以工程为本的STEM课程实施的理论框架，那么，在实践中具体应如何实施呢?关于这一问题，可以中国台湾地区一所高中以工程为中心的STEM课程的实施过程作为案例参考，借鉴其实践经验。 (一)选择课程主题 该课程围绕设计“高压空气赛车”项目(见图2)，强调学生跨学科知识的应用，培养工程问题的解决和设计能力。本专题旨在帮助学生：(1)了解工程设计及相关知识；(2)利用工程设计过程设计及制造产品；(3)运用科学方法评估及判断，作出设计决策。总的来说，目的在于让学生们通过工程设计过程整合STEM学科知识，建造他们独特的赛车。同时，在设计过程中，让学生学习使用计算机辅助设计工具和科学的分析仪器来测试和分析他们的产品。 图2“高压空气赛车”项目的STEM课程内容 (二)定义STEM学科知识的范围 根据上述目标，除了考虑车辆的功能和美学设计外，学生还需要掌握工程材料的特性和制造技能，动力机械和控制系统、车辆动力学和与驾驶控制原理有关的机械工程知识。为此，教师首先需要根据课程主题分析大量相关的科学、技术、工程和数学内容。其次，需巩固项目中使用的STEM学科知识，并分析学生可能遇到的潜在困难和解决工程设计过程中遇到的问题所需要的关键知识。最后，需根据课程主题为不同学科领域的知识分配不同的角色和权重。 (三)设计学习活动 为帮助学生掌握完成车辆设计项目所需的STEM专业知识，教师以“车身结构设计”和“车身形状设计”两个设计部分为主轴，围绕“探究与实验”和“设计与制作”开展了四项学习活动，以帮助学生探索理论与实践的关系。本课程每周1个小时，共18周。 1.抗滑坡滚动试验(探究与实验) 在抗滑坡滚动试验中，通过“探究与实验”活动，可帮助学生理解重要的科学概念或数学原理，以加强他们的观察、数据记录和分析、反思和评价以及数据交流的技能。这项学习活动的主要目的是帮助学生发现在特定条件下通过科学实验解决问题的关键因素。目标是设计一个汽车样机，在满足特定车辆尺寸要求(20厘米长，8厘米宽，10厘米高)和使用特定的测试方法的情况下，展示出最佳的性能。活动过程中，帮助学生考虑如何减少车辆的能源消耗，以便在这些条件下达到最佳效率。这项活动促使学生通过探究与实验学习车辆动力学，发现物理力学和工程学之间的关系。在活动开始时，学生使用金属和木材制造车辆，测试和记录数据，然后，教师帮助学生探索其车辆设计问题背后的科学原理。例如，如果车辆的一侧有摩擦，学生可以使用测量工具来确定车轮轴是否平行或对称。如果车辆没有达到要求的行驶距离，他们会观察和分析轮胎的圆度是否不够或者轴的大小是否合适。建造原型的经验可以帮助学生学习如何观察、记录和分析实验数据，并制定解决方案。这种经验也形成了后续活动的支架。 2.流体分析模拟实验(设计与制作) 通过“设计与制作”活动，可帮助学生把抽象的科学原理或设计概念具体化，了解其意义和功能，加强学生应用相关技术、选材、使用工具和设备的技能。在流体分析模拟实验的设计与制作活动过程中，学生先提出初步的设计想法和开发解决方案，然后，使用三维建模和数字分析软件(AutodeskFlow)来预测和分析其设计结果。更具体地说，学生被要求尝试不同的设计，并记录模拟结果，然后通过图表解释观察到的数据。在课程的早期阶段，学生知识不足，甚至对车辆设计有误解，教师需要精确地介绍车辆流体力学的概念，并为学生提供实际的例子。通过这个过程，学生学习了如何评估其设计性能，然后再进行后续设计，并探索科学原则背后的设计问题。这项活动突出了产品开发的关键过程，也是将STEM知识整合到课程之中的关键步骤。 3.风洞体阻力实验(探究与实验) 在工程设计过程中，学生通过建模测试他们的原型，比较实际结果和预期结果之间的差异。这是工程设计的一个重要阶段。风洞体阻力实验活动的目的是引导学生理解基于科学数据对各种解决方案设计的权衡。风洞是一个产生人工气流的管道，可以用来研究空气流过物体的空气