张碧柳
STEAM教育的前身是20世纪80年代美国国家科学委员会在意识到高层次的创新人才对于国家竞争力的重要性而提出的“STEM(Science,Technology,Engine ering,Mathematics)教育集成”的建议。之后,美国弗吉尼亚科技大学的Yakman教授在原有4科的基础上加入艺术(Art)学科,通过多个学科的融合发展成为现有的STEAM教育。与STEM相比,STEAM教育的内涵更加丰富,不仅能够有效培养学生的逻辑思维、问题解决、创新、合作、激励等能力,还致力于将学生塑造成具有创造和革新精神的全面发展的人,支持学生成为未来的发明家和创造者[1]。
虽然STEAM教育在我国的发展前景较好,但是STEAM教育毕竟是从美国引进的一种新型的教育模式,不同的研究者对于STEAM教育所蕴含的本质与内涵理解有所不同。通过大量的文献查阅,可以发现主要有以下几种代表性观点:王娟等人提出STEAM教育需要依托互联网、云计算等新一代信息技术,打造智能化教育信息生态系统[2],强调STEAM教育是一种多学科整合的创新教学方式。李小涛等人提出的STEAM教育是以项目学习完成相关任务,同时培养其项目学习能力、创新精神和STEAM素养的素养说[3]。杨玉佩研究则认为STEAM教育是一种立足于生活实际问题,在问题解决中培养创新思维,从而培养创新人才的新型教学模式[4]。虽然各家说法有些许差异,但是本质与内涵基本相通,STEAM教育是基于真实情境中的项目或问题,依托工具与资源用跨学科整合的方式培养学生创新素养的一种技术教育。
在2016年教育部发布的《教育信息化“十三五”规划》中明确提出要“积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习(STEAM教育)、创客教育等新的教育模式中的应用,着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力、促进学生的全面发展”[5]。近年来,在化学新课程标准的指导下,中学化学课程改革取得一些成果,但同时也暴露了中学化学教学形式单一、容易受传统模式的影响、评价机制僵化等问题。STEAM教育的根本目标是做到以学生为主体,全力提升学生核心素养和综合创新能力。因此,学校可以打破原有的教学模式的僵局,结合自身特点与地域特点,开发地方与校本资源,利用校本课程或者社团活动,丰富课程设置,满足学生的需求。我校高中学生就是利用每周二下午的社团活动时间,自主成立化学社团,开展化学实验探究活动。在STEAM教育理念的引领下,化学社团的实验探究活动历经如下几个阶段。
学生一开始开展社团活动,主要基于自己的兴趣,比较倾向于做一些趣味性和现象性比较强的实验探究活动。STEAM教育注重实践和过程,在教师的指导下,学生已经可以自主地上网找资料,设计实验方案,根据自己的实验方案进行实践探究。然而在该阶段,学生主要还是依靠网上提供的现有方案进行实验操作,例如,学生可以根据网上提供的方案成功制作出黄晶雨、银镜等成品,过程虽然实现自主操作,但是设计思维上还是依赖模仿。对于水葫芦造纸的设计方案最初就源于学生的一次简单的再生纸实验,学生根据网上收集的方案,将废弃纸张进行浸泡、粉碎、漂白、洗浆、抄纸、晾晒等一系列的过程制备再生纸。模仿与实践阶段是学生在进行实验探究活动的必经阶段也是首要阶段,在以往的学习经验和思维模式的影响下,学生接受新的知识,掌握新的操作方法都需要一个观察模仿的实践阶段。
学生通过探究大量网上寻找的实验方案,渐渐地发现有些实验设计并不是最佳方案,于是开始基于现有方案的弊端,进行实验方案改进,通过查阅资料或咨询化学教师,寻求解决方法。例如当学生完成了再生纸实验后,对于网上的设计方案提出了疑问,如何选取合适的废纸张?废纸张和水的最佳比例是什么?根据自己提出的问题,学生进行一系列的实验设计:(1)通过比较废弃的A4纸、油印纸和报纸的再生纸效果探究最佳的原料选取;(2)设计不同的水纸的比例探究最佳的配比。在这一阶段,学生不再完全地依赖现有的实验方案,而是进入提出问题、查找资料、提出假设、验证假设的基于问题解决的实验探究阶段。基于项目与问题阶段是一个承上启下的阶段,它的实现需要学生在模仿与实践阶段打下扎实的理论基础和大量的实验素材积累,同时也为整合阶段提供了探究性思维准备。
美国弗吉尼亚理工大学的Sanders教授认为,STEAM教育是在建构主义和认知科学理论的指导下,以科学、技术、工程、艺术和数学知识为基础对问题或项目进行探讨[6]。由此可见,STEAM教育并不是5门学科的简单叠加,而是根据一个现实问题的需要,将学生的零碎知识有效地整合为一个整体的过程。从一开始的模仿别人的实验方案到改进方案,学生也开始意识到所有的实验设计都是局限在化学方法上,而现实生活中遇到的一些问题如河流污染整治、废弃电池回收处理等,不仅需要化学知识还需要其他学科知识的辅助。因此当学生提出水葫芦这种植物可否代替废纸张或部分代替废纸张进行再生纤维的回收利用时,教师鼓励他们打破现有的学科壁垒,查阅资料寻找解决方案。在这期间,学生自己查阅大量水葫芦的生物学知识,自学了纤维化学的知识,提出用水葫芦制作再生纸的具体实验方案,在实验过程中不断调整实验设计和讨论交流,并在实验后期的数据处理上运用数学上的方法进行误差分析,确保方案的可行性。在这个阶段,学生遇到的最大的问题是如何使已经分离的水葫芦纤维组织进行再次重组,于是学生借鉴了传统的麦草蒸煮法,提出了用日常生活可见的白糖、糯米粉、明矾和碳酸钠等药品代替传统的氢氧化钠、十二烷基苯磺酸钠、羧甲基纤维素钠和EDTA等药品作为煮熟剂。学生又针对煮熟剂的选取和加热时间的不同进行一系列的探究实验(见表1),最终得到了最佳的水葫芦再生纸方案。跨学科整合阶段并不是所有的中学化学探究活动都会经历的,在以往的学生的探究活动中,学生能够从模仿实践阶段跨越到项目研究阶段,但是很少有学生能够打破学科壁垒进行学科知识的整合创新,因此这个阶段的实现是基于STEAM教育理念下的一次大胆的尝试,为中学生化学探究活动提供了多维度的研究方法和思维拓展,在探究活动中具有重要的意义。
表1 不同煮熟剂成分和加热时间正交处理
根据STEAM教育理念,教师利用社团课引导学生初步探索以具体的项目或者问题为学习的中心,实现有效的跨学科整合的教学过程。在这一学习过程中,学生通过自己上网找资料,学习学科的知识,设计方案,改进方案,学习并使用软件处理大量的实验数据。通过这种实验探究活动,学生可以将科学、技术、工程、人文、艺术和数学等多个学科进行交叉融合,由实践解决现实问题、进行创新设计,不断培养和提升创新素养[7]。现在学生提出的探究活动,不再局限于化学本学科的现实问题,而是更加大胆地跨越学科壁垒进行实验猜想,例如学生提出探究防水涂层材料和活性炭进行一定比例的混合能否设计出新型的具有吸附功能的纳米防水材料?STEAM教育由于涉及多学科、多领域,对于学生创新素养的形成有天然的优势,同时也创造出许多传统学科所不具备的主题,如环境保护等,这都有助于学生形成系统全面的创新品格和创新能力。