STEM项目课程化的探索与思考

叶耀 柏毅

[摘 要]STEM是实施科学教育的有效方法之一。STEM教育通常以项目的形式呈现，从教育的实际出发，STEM项目只有实行课程化才能更大程度地为STEM人才培养服务。在STEM项目课程化过程中，教师需要首先考虑“学生能收获什么？培养学生怎样的素质？学生的创意体现在哪里？”，在此基础上设计教学环节。普适性的STEM教育可以采取STEM项目的“课程化”与科学课程的“STEM化”两种模式。

[关键词]STEM；科学教育；课程化

一、STEM的科学教育特征

善于解决各种工程问题的人才被称为STEM人才，这样的人才代表着一个企业乃至一个国家的竞争力。一个工程问题的解决离不开STEM（科学Science、技术Technology、工程Engineering和数学Mathematics）四门核心学科。但是对于STEM教育，形式本不是主要的。从本质上看，STEM教育是为了培养具有“科学创新素养”的未来人而探索出的一种科学教育方法。雷朝滋在第四届中国未来学校大会的致辞中提到，“科学教育”有两层含义：一是科学学科的教育；二是用科学的方法进行科学的教与学。“以自然科学的范式，以自然科学手段，特别是信息科学、神经科学、生命科学与传统教育科学交叉融合，研究教育科学基础问题”，这为科学教育的发展提供了思路。其中，依据“脑的自然学习法则”[1]将成为科学教育的首要依据。

创造力是人脑心智能力与行为能力的综合呈现[2]。创造能力的核心要素是人类在总结的基础上发展起来的。原中国科学院理论所所长郝伯林在一次谈话中提到：一切可以发生与发展的才是可以教育的，以物理学为例，翻开大学普通物理教材，其目录呈现的就是物理学发展史。以物理为例，是因为物理学科是一门相对成熟的科学学科。按照“可以发生、发展的就是可以教育的”这一观点，则创造能力的核心要素是可以培养的。因为人的大脑功能具有终身“重塑”特征，这样的“重塑”依赖于“社、物、身、脑、心理”之间的一体化相互作用[3]。即：多器官共同参与学习的过程，才是脑有效“重塑”的保障。当学生面对需要解决的问题时，他们的学习或工作才是积极的。这对于学生形成科学的“概念与模型”具有决定性作用。神经教育学认为：不管是直觉决策系统还是推理判断决策系统，掌握概念和建立模型都是决策必要的基础，学什么概念，如何建立模型必然会影响决策判断能力和创新能力[4]。

既然STEM教育直指创造能力的培养，那么这样的培养就应该是面向全体公民的，而不应只是小众的专利。要开展普适于义务教育阶段的STEM教育，就必须将STEM项目作课程化处理。以江苏省太仓市第一中学与东南大学儿童发展与教育研究所的合作研究为例，该项目选择全体初一年级学生，在一个学期中，安排每周一节（共约16节课），进行了“降落伞制作”的STEM项目課程化的实证研究。

二、STEM教育的课程化探索

1.确定课程内容要素

课程任务：制作一个降落伞，使之能携带100克重物，从四楼下降，达到安全的落地速度（<1m/s）。

S（科学）：在“降落伞制作”项目中，要求知道重力是使地球上物体下落时加速的原因；知道空气对运动物体具有阻力；通过探究感知空气阻力的大小与面积、形状、速度有关；知道阻力能使物体减速；初步理解一定质量物体的运动速度与人体伤害程度的关系；初步理解安全下降落地速度；能运用控制变量法对降落伞的面积、形状、伞面材料、线长、线数的选择进行研究。

T（技术）：能依据“放样”技术，合理裁剪、拼接材料达到节约原材料的目的；能依据材料强度选择合适的拴线技术，即能通过拴线保证伞面展开成一个有效的形状、更加牢固及防止缠绕；能仿制圆规原理画较大的圆。

E（工程）：初步学习工程制图技术；理解分工合作对于工程的意义，如小组的领导协调、资料的收集、材料的保管、讨论和实验过程的记录、工程的设计、工具的操作、产品的制作等。

M（数学）：能依据降落伞图片资料运用相似比估算伞面大小以缩小研究范围；能利用位似图形的位似比确定伞绳的长短。

2.确定创新素养培养指标

（1）培养阅读能力

降落伞课程从阅读达·芬奇于1483年画在一个记事薄上的人类第一个降落伞的设计图开始。这只降落伞与现代降落伞不同，它包含了4个等边三角形，每条边长达7米，并设计了木质框架，外形看起来就像一座金字塔。在这张图的旁边写着：如果有人用一大幅涂上树胶的麻布，每边长12码（约10.97米），高12码，那么不论他从多高处跳下来，都不会受伤。从这张图开始，引发学生思考：你认为达·芬奇的设计是否可行？说出你的理由。

初一学生的回答十分有趣。包括“木头框架要砸死人的”“涂上树胶的麻布要被戳破的”“不可行，因为从来就没有看见现代降落伞是这个样子的”，几乎所有学生都认为“不可行”。学生之所以作出这样的回答，其根本原因是缺乏“科学阅读”的基本素养。反观初中数理化的学科，“读题”是很多学生的大问题。在脑科学的研究中，眼动仪可以有效分析学生在阅读时目光是否停留在有效信息上。为此，教师要求学生：第一步，划出核心词；第二步，将划出的词分类；第三步，引导学生将上述文字归为 “目的”与“条件”两类；第四步，围绕目的与条件探索可行的方法。

（2）培养不怕失败的品质

初一学生通常都急切地想展现自己的创意，从第一次制作与放飞的情况看，降落伞的结构与降落效果可谓“五花八门”。学生用各种方法呈现自己对于降落伞的想法与创意，有锅盖形的（用钢丝制作一个锅盖底），有雨伞形的（用竹签制作），有“子母”形的（一大多小）。从效果来看，有成功的，也有失败。而失败才是STEM教育的开始。初一学生往往容易“胜则骄傲、败则气馁”，这在其他学科的学习中也很常见。在STEM活动中，失败很常见。教师应正确引导学生面对失败，使失败成为促进学生探究学习和解决问题的开始。

（3）学习科学探究方法

依据放飞时出现的情况，要求学生就“影响降落伞下降速度与下降稳定性”的原因进行有理论依据的科学猜想，当学生得出“降落伞的下降速度及稳定性与伞面面積、伞面形状、伞面材料、线的根数、线的长度诸因素有关”时，引入控制变量法与相关实验设计，进行科学探究。比如，各小组分别选择一个规定变量制作降落伞，这样既增加了学生“工程目标”意识，又培养了组间的合作意识。即学生被要求制作一个符合设计图纸的降落伞。如怎样保证圆形、正方形、长方形的面积相等；怎样根据提供的材料，通过合理的裁剪、拼接来制作伞面；怎样估算线的长度等。

（4）培养数据分析的能力

通过实验数据寻找结论，这在其他教学活动中常难以实现。比如，对于物理探究实验的结论，时常出现教师明白而学生不明白的“信息不对称”现象；在制作降落伞的STEM项目中，教师引导学生观察现象并分析实验数据，得到了合格降落伞的大致数据指标。例如：面积与配重之比的范围是50～100cm2/g，且比值越大，落地速度越小；伞面材料密度越小越好，材料具有一定硬度更利于伞面展开；合适的线数是伞面舒展的保障；“线长/直径=1.5”时伞的降落最稳定。

由于这些是学生亲自实验得到的结果，所以看起来很有亲切感。同时，学生也会认识到，只要多次进行控制变量法的实验，就可以得到很多其他与降落伞有关的结论。

（5）培养写作能力

撰写自己的观点这一科学素养要在不断训练中发展起来。要让学生写出自己的观点与设想，画出自己的设计图，交流自己的观点与设想，评论他人的作品（要求从开伞舒展度、落地速度、稳定性、制作质量、艺术感几个方面进行评价）。项目结束时要以小组为单位撰写工程报告书，内容包括：预期目标、施工图纸、技术数据、实验数据、实验结论、实验感想、参与者任务等。如让学生撰写科技小论文《降落伞的科学原理》；让学生完成一次降落伞的改进设计（包括提出改进点、改进原理、制图、预期等）。

（6）STEM文化的熏陶

STEM文化对学生的情感、态度、价值观有重要影响。学生在STEM活动过程中体会“办法总比困难多”“失败乃成功之母”“我们不应该只着眼于自己完成了什么，而应该看到还有什么需要完成”“科学家之间最常谈论的话题并不是已知的研究成果，而是他们尚未解开的科学问题，以及要如何进行下一阶段的实验”“探究无止境”等，这样的文化熏陶迁移到其他课程的学习中，将使学生受益匪浅。

三、STEM项目课程化的趋向

STEM项目与STEM课程的区别在于前者可以是孤立的、随机的，而后者应该是系统的、相对成熟稳定的。作为课程，应该具有分阶段的、明确的、可以达成的教学目标。

1.碎片化与系统化的调和

相对于目前学科教学的系统化而言，STEM教学中的学科知识呈现出碎片化的特点。而对于某一个特定的项目，各STEM相关知识点与能力发展点又具有了系统化的特征。也就是说，学科教育与STEM教育是两种不同的知识建构途径。较之系列化的学科教学，学生在学习这些碎片化知识时，更能体现“从学科本质的角度”去理解，这恰恰是传统学科教育过程中被忽略的。因为，学科本来就是在解决问题的过程中发展起来的。如果能将各STEM项目的设置次序与各相关学科的课程标准结合起来，也就是学界提出的“整合的STEM”，那么碎片化与系统化是可以调和的。而且，以STEM项目作为载体，显然更有利于学科教育。

2.STEM“课程化”与课程“STEM化”的选择

就目前的课程体系来看，STEM教学有两种选择。一是作为一门独立的课程存在于中小学课程体系中，这样就必须实现STEM项目的“课程化”。就目前的实际情况看，这就犹如在基础教育课程外，加入STEM课程，以达到对基础教育课程的完善与补充。但这样的课程化也必然会受到教师学术背景的影响。二是在各科学学科中渗透STEM理念，即课程教育的“STEM化”。目前阶段，实施课程教育的“STEM化”，在操作层面上看似乎更容易些。

从资料显示来看，美国的STEM教育也是经历了单学科的渗透STEM教育、多学科整合的渗透STEM教育、学生自主的STEM教育三个层次。由于学者在引进STEM教育时，重点介绍了第三层次的自主STEM教育，以致第一层次学科教育“STEM化”没有得到学界的关注。

3.微课程与STEM教育的结合

受教师学术背景的限制，在实施STEM教育的过程中，必然会遇到科学（S）、技术（T）、工程（E）、数学（M）方面相关知识与学科思维的挑战，而在基础教学中被评价为“碎片化”的微课程将成为有力支撑。由此而创作的系列微课程，在一个具体项目的学习中，恰恰形成的是一个有机的整体教学资源。于是，制作大量的与科学、技术、工程、数学相关，乃至与人文、艺术、科技阅读、科技写作等方面相关的微课程资源就成为必要。比如在降落伞制作项目中的《空气阻力》《工程制图初步》《怎样进行放样》《栓线技术》等，有了这些微课程的辅助，学生的探究学习会更加有效。

4.工程与技术课程标准的制定

科学课所涉及的内容，在中小学都有课程标准作依托，便于教师把握教学难度。而STEM课程涉及到工程与技术，中小学教师通常缺乏相关学科背景，因此不易确定和把握相关的参考标准，比如处于不同学段的学生在纸工技术、木工技术、金工技术、电子技术、编程技术等方面可以达到的等级。我国新发布的《义务教育阶段小学科学教育标准》中，已将“技术与工程”内容纳入其中；美国《2014国家教育进展评估的技术与工程素养框架》中也对此有详细描述。这些都可以为教师们提供参考。

5.课时的安排

独立设置的STEM课程需要引导、讨论、设计与制作、实验、总结与反思等环节。按照目前一周一节的课时安排，对于制作与实验这样的任务，往往出现“思维断链”，如果改为连续的两节课，甚至三节课的时间，会给课表的安排带来困难；如果采用“科技活动日”的方式，即在同一天，让学生完成一个项目，又涉及同一年级没有这么多的STEM课程教师等诸多问题。因此，在课时安排上，要综合考虑以上问题。

6.STEM教育的出路

创造力对于个体发展、国家和民族发展都具有重要意义，因此学校和教师要为学生创造力的发展而教。但是目前，在很多学生与家长看来，创造力与他们眼前正面临的升学目标没有必然的联系。为此，应该使家长和学生们进一步认识到STEM教育对于个体发展的重要意义，并考虑是否要将其列为学生升学时的一项参考依据。

STEM项目所呈现的教育功能，恰恰是目前基础教育阶段最缺乏的功能。无论是作为基础教育的补充，还是作为今后教育发展的一种必然，在现阶段，将STEM项目课程化，面向中小学全体学生开展STEM教育，都具有重要的现实意义。从STEM所呈现的教学方法来看，有理由相信，如果目前基础教育课程的教师能够理解STEM教育的理念与功能，那么任何学科，包括语文、历史、道德与法治等没有被STEM重点提名的课程，都具有STEM化的空间。因为STEM可以理解为一种科学的教学方法，这个方法的核心特征就是在解决问题的过程中学习知识，并跨学科地应用知识。这也正是倡导课程教育“STEM化”的依据所在。

参考文献

[1][美]E·詹森著.基于脑的学习[M].梁平，译.上海：华东师范大学出版社，2008.

[2][3]吴祖仁等.让脑科学助推我国新一轮课程改革[J].基础教育课程，2017（6）：28-33.

[4]韦钰.以大概念的理念进行科学教育[J].人民教育，2016（1）：41-45.

（责任编辑 郭向和）