物理课程融入STEM教育理念的研究与实践

谢 丽 李春密

(1. 长江大学物理与光电工程学院,湖北 荆州 434023; 2. 北京师范大学物理学系,北京 100875)

·教育理论研究·

物理课程融入STEM教育理念的研究与实践

谢 丽1,2李春密2

(1. 长江大学物理与光电工程学院,湖北 荆州 434023; 2. 北京师范大学物理学系,北京 100875)

发展STEM课程是推动和落实STEM(科学、技术、工程和数学)教育的关键,亦是学校课程改革的重点.文章通过回顾和分析,构建了STEM教育的情境整合模式框架,指出6E设计型学习模式是物理课程融入STEM教育理念的适切形式，并以“过山车制作”项目为例,给出了具体的课程设计案例.

物理课程;STEM教育;6E设计型学习模式;课程设计

1 问题的提出

STEM(Science,Technology, Engineering, Mathematics)概念最早由美国国家科学基金会 (National Science Foundation, NSF)于90年代提出.这四个相互独立又相互关联的学科是科技的基础,是高素质创新性人才所必备的核心技能,被认为是社会和经济发展的根本动力,是增强一个国家竞争力的重要手段.在21世纪经济全球化的背景下,世界各国之间的竞争日益激烈,这种竞争归根到底是教育和人才的竞争.为了在竞争中获得优势,越来越多的国家投入到STEM教育的改革浪潮中,以提升本国人力资本的STEM素养.

参照PISA(OECD, 2006)的科学框架,拜比(Bybee,2010)在其研究中从4个方面对STEM素养进行了描述:[1]

(1) 获取科学、技术、工程和数学知识,运用这些知识发现问题,掌握新知以及运用所学知识解决STEM相关的问题.

(2) 了解STEM在人们从事调查、设计和分析等活动时的学科特征.

(3) 认识到STEM学科对物质、知识和文化世界的塑造.

(4) 参与和从事STEM的相关议题,成为关注科学、技术、工程和数学的、富有竞争力的劳动者.

当前,我国正处于STEM教育改革的起步阶段,发展STEM课程是落实STEM教育,培养学生STEM素养的关键.然而,一直以来我国与STEM相关的学科都是分科教学,所以STEM课程的设计应以原有的科学技术课程为载体,融入STEM教育理念.本研究以物理学科为研究对象,在吸取和借鉴他国经验的基础上,尝试探寻基于STEM教育的物理课程教学设计模式.

2 STEM教育的整合性理念

在STEM概念提出之初,更多的被理解为4门独立、分离的学科,即S.T.E.M.随着STEM教育运动的发展和推进,教育者逐渐认识到“整合”的重要性,并提出了STEM教育的整合性理念.该理念强调以真实世界的问题情境为背景,通过跨学科知识的联结和应用,培养现代社会所需的具备STEM素养的人才.摩尔和史密斯(Moore &Smith,2014)在其研究中提出了STEM教育的两种整合模式:一是情境整合(Context integration),意在将工程设计当作科学和数学教学中的学习情境和动力要素.其中,工程设计并不是学习目标,而是一种教学方法,用以加强学生对知识的联结和掌握.二是内容整合(Content integration),重在将工程设计看作学习目标之一,将相关的工程知识与科学和数学知识进行整合.[2]我国基础科学教育的教学目标设置中,没有将工程技能定为教学目标,所以情境整合应成为实施STEM教育的主要参考模式.情境整合模式中, “情境学习”、 “工程设计”、“科学探究”、“数学分析”和“科技技术”是STEM教育整合框架中的核心要素,它们之间的关系如图1所示.

图1 STEM教育情境整合模式框架

涉及STEM的生活和工作议题为中心齿轮,目的在于激发学生的好奇心,提高学生的参与度.在具体项目或问题的驱动下,学生通过外圈齿轮——工程设计(分析、限定、建模、优化、折中和系统),将科学、数学和技术知识进行联结与传动,制作出相关的作品,达到实践学习(hands-on learning)和心智学习(minds-on learning)的协同发展.[3]

3 融入STEM教育理念的物理课程设计

3.1 6E设计型学习模式

践行STEM教育整合性理念,STEM课程的开发和设计是关键.作为STEM教育的发起者和主要推动者,美国教育界做了大量的研究和实践.其中,美国国际技术与工程教育学会(International Technology and Engineering Educators Association,ITEEA)于2014年提出的6E设计型学习模式(Learning byDeSIGNTMModel)是近年来备受推崇的课程设计模式.[4，5]该模式结合了“科学探究”的思维和“工程设计”的实践,让学生在“需要知道”和“需要做”的循环过程中感知和洞察真实情境中的问题,统整跨学科的知识,解决挑战性任务,是落实STEM教育整合性理念的有效课程设计模式.表1对6E模式的具体内涵以及学生和教师的行为活动进行了详细地阐述.

表1 6E设计型学习模式

续表

3.2 6E模式下的物理课程设计

我国的基础科学教育有着良好的科——数整合传统,但是在科——技整合和科——工整合上还存在着很大的不足,甚至是缺失.[6]就物理学科而言,其本身就与技术和工程有潜在的联系,例如学习“圆周运动”和“机械能守恒定律”后,设计制作过山车;学习“帕斯卡定律”和“杠杆原理”后,设计制作液压机械手臂等.因此,在物理教学中可以基于STEM教育的整合框架,依循6E教学模式设计多课时的课程.

本研究针对高中物理必修2“机械能守恒定律”的内容,以过山车的制作为项目主题,依据6E设计型学习模式进行STEM课程设计,其中所涉及的STEM学科知识如表2所示.

表2 过山车项目制作涉及的STEM知识

“过山车制作”为主题的课程设计共分为7节课实施,教师首先要创设真实的问题情境,激发学生的学习动机,促使他们积极主动地参与到学习中.接着,引导学生通过科学探究、数学计算、技术知识和技能的系统性应用,来实现工程方案的设计和装置的制作.然后,分析该设计能否应用到其他新的情境中,促进学生知识和技能的迁移,深化他们对工程设计的理解.最后,教师和学生共同对项目过程、制作的装置进行评价和反思.表3详细列出了各节课的教学内容以及所包含的6E模式阶段.

表3 过山车项目教学流程

续表

4 结束语

教学强调的是培养学生“带走的能力”,而不是“背不动的书包”,这是STEM教育的意义之所在.STEM教育不仅是一种整合性的教育理念,也是一种课程设置的趋势,更是一种教学方式的革新. 这种教育应该贯穿于学生的整个学习阶段,以及正规的校内学习和非正规的校外活动之中.物理课程中融入STEM教育理念,不是学科知识的简单叠加,而是在物理课程的基础上,以涉及STEM的生活和工作的项目或专题推动物理课程的STEM教育转型.

1 R W Bybee. Advancing STEM education: A 2020 vision[J]. Technology and Engineering Teacher,2010(9): 30-35.

2 T J Moore，K A Smith. Advancing the state of the art of STEM Integration[J]. Journal of STEM Education,2014,15(1), 5-10.

3 范斯淳,游光昭. 科技教育融入STEM 课程的核心价值与实践[J].教育科学研究期刊,2016,61(2):153-183.

4 Burke,B N. The ITEEA 6E Learning by DeSIGNTMModel, Maximizing Informed Design and Inquiry in the Integrative STEM Classroom[J]. Technology and Engineering Teacher,2014,73(6):14-19.

5 N B Barry. The ITEEA 6E Learning by DeSIGNTMModel[J]. Technology and Engineering Teacher,2014(3):14-19.

6 唐小为,王唯真. 整合STEM发展我国基础科学教育的有效路径分析[J].教育研究,2014(9):61-68.

国家自然科学基金应急管理项目“科学、技术、工程、数学(STEM)教育的国际比较研究”(71641016).

2016-12-08)