非正规教育环境下青少年STEM教育活动的设计与实践研究

叶兆宁 郝瑞辉 王 蓓



非正规教育环境下青少年STEM教育活动的设计与实践研究

叶兆宁 郝瑞辉 王 蓓①

STEM 教育日益成为美国教育发展战略的重中之重，也吸引了世界许多国家的关注和重视。如何在校外科学场馆等非正规科学教育环境下，将科学教育、技术教育、工程教育和数学教育融合起来，成为新的研究热点。本研究借鉴国外先进的科学教育模式和经验，并结合中国目前的科学教育实际，开发适合青少年开展的非正规教育环境下的STEM课程。本文重点介绍切实可行的三个活动方案和5E教学策略，用于培养青少年的探究技能和综合解决问题的能力。

非正规教育环境；STEM；5E教学策略

一、 非正规教育环境与STEM教育

青少年对世界充满好奇心，善于发现生活中的问题，喜欢探索。保护他们的好奇心，并引导他们正确地探究问题，提高解决问题能力，是科学教育的一个重点。研究表明，儿童生而具有强大的学习能力，他们缺乏的是知识和经验，而并不缺乏推理能力[1]，可以在有效的引导下，学习更多的基本知识和技能[2]。

然而，学校的科学课由于时间和场地限制，只选取一些简单、易操作的内容进行教学，而学校外的科学教育机构，如博物馆、科学中心和课外培训机构，可以为孩子们提供更广阔的课外活动场所和丰富的活动内容，主题也能更贴近青少年的日常生活，用科学探索解决生活中的问题。研究表明，在这些非正规教育环境下开展的科学教育，采取的方式更加多样化，在提高公众对科学、技术、工程和数学的兴趣和理解上，起到非常重要的作用[3]。

如今在国际上盛行的STEM教育正是与青少年的生活紧密相关，以解决实际问题为导向，结合科学(Science)教育、技术(Technology)教育、工程(Engineering)教育和数学(Mathematics)教育，把学生学习到的零碎知识与机械过程转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程[4]。STEM活动有如下特点：

1. 综合性——STEM 教育将科学、技术、工程和数学相结合，以整体、联系的思维模式解决各种现实问题的挑战，体现出学科的综合型[5]。

2. 实践性——非正式教育环境下开展的STEM活动大多以场馆资源为依托，通过互动体验，培养学习者的逻辑思维能力，弱化学习者对于知识的记忆，注重内容的拓展与深化，结合实际经验，构建知识体系。

3. 灵活性——STEM活动大多是以小组的形式有序开展，学习者可自主选择学习时间、地点、学习内容，选择的自由度较大[5]。

博物馆、科技馆等非正规教育环境可以依据丰富的场馆资源，开展相关主题的STEM活动，一则可以提高青少年对科学、场馆的兴趣，对展品的兴趣，二则可以培养和发展青少年解决问题的能力、探究精神和综合实践能力，为国家培养创新人才奠定基础。在国家大力倡导创新教育的今天，非正规教育环境作为学校教育的补充，同样有着为中小学校科普教育服务的义务与责任。

为了探索如何在非正规教育环境下，通过整合课内外资源，进行面向青少年的系统性的STEM教育实践。我们借鉴美国、法国、英国等国家先进的科学教育模式和经验，遵循科学教育的原则，结合中国目前的科学教育实际，采用基于动手动脑的探究式学习模式，针对青少年开展非正规教育环境下的科学教育项目，探索适合非正规环境下开展STEM活动课程。旨在以青少年日常生活为出发点，强调让孩子们在亲自参与过程中动手、动脑，从小培养青少年综合解决问题的能力和各方面探究技能。

二、 非正规教育环境下的STEM活动实例

活动实例一：搭建高塔

“搭建高塔”是一项以挑战结构高度和稳定性为主要任务的活动。其中需要考虑的核心问题包括：什么样的结构能稳定？用什么样的材料？材料之间如何连接？

低难度版(7～10岁)

活动任务：用条形意大利面和棉花糖为材料搭建一个又高又稳的塔，棉花糖用于意大利面的连接，塔的顶端也要固定一颗棉花糖。

活动材料：意大利面、棉花糖

限制条件：每组意大利面20根，棉花糖数量不限

高难度版(11岁以上)

活动任务：用条形意大利面搭建一个又高又稳的塔，其顶部必须能安稳地放置一颗棉花糖。用棉线和标签贴作为连接材料。制作前要先绘制好设计图，明确结构原理。高塔可以不断测试改进，以求最佳效果。

活动材料：意大利面、棉花糖、棉线、标签贴

限制条件：每组20根意大利面、1颗棉花糖、1卷棉线、20个标签贴。不得任意弯折或剪断意面。

活动设计思路

该活动将科学、数学、工程、技术相结合，以搭建高塔这一工程任务为切入点，其中需要学生学习影响结构稳定性的因素：支撑面积、重心、结构的几何形状、结构的强度等科学知识，并在高塔搭建时运用这些知识；还需要学生在设计过程中，考虑到材料数量有限，计算材料的分配；在制作过程中考虑到连接技术对结构稳定性的影响。

活动特点

在组织这个活动时，学生可以自行设计结构的形状和链接的方法，教师不需要给学生提供样本或制作的步骤，只需要帮助他们完成他们所想的，当他们遇到困难的时候协助他们解决。因此，学生通过理解任务和限制条件，开展设计、制作、测试和改进等环节，同时学生能在制作的过程中发现问题、解决问题；在和学生的交流过程中相互学习；在测试和改进中学习影响结构稳定性的因素。在活动的最后，教师将看到每一个小组的作品是不同的，都有着各自的特点。

在这样的活动中，教师所关注的不再是固定的流程和制作步骤，而是学生的创造性和解决问题的能力，这也是STEM教育的核心要旨。

活动实例二：LED穿戴式设备

“LED穿戴式设备”是一个以电路设计为主要任务的STEM活动内容，适合于四年级以上的学生，因为四年级的学生已经通过科学课程学习了相关的电学知识，具备一定的知识基础。且中高年级的学生已经掌握了一定的操作技能。该活动中需要考虑的核心问题包括：如何用电源、导线和LED灯搭建一个电路？如何设计穿戴式设备上的电路？它的作用是什么？如何连接电路？如何推销我们的产品？

小学生版

活动任务：用电池、导线、LED和开关为链接电路的材料，设计和制作一个可穿戴的物品，再将电路安装在该物品上，制作成一个独特的可穿戴式LED作品。

活动材料：每组一份塑料眼镜、发箍、LED灯、纽扣电池、开关、导线、透明胶、双面胶、剪刀、工具刀、彩色卡纸、装饰材料等。

初中生版

活动任务：设计和制作一个能实现一定功能的可穿戴LED作品，以电池、导线、LED、蜂鸣器、开关等电路元件为链接电路的材料。该作品要能实现一定的功能，并能解决生活中的现实问题。要求完成详细的设计图、产品说明书，列出材料情况并提交合理的产品预算。

活动材料：每组一份塑料眼镜、发箍、LED灯、蜂鸣器、纽扣电池、开关、导线、透明胶、双面胶、剪刀、工具刀、彩色卡纸、装饰材料等。

活动设计思路

本活动将科学、工程与技术相结合。学生需要先了解LED发光原理和基本的电学知识，掌握连接简单电路的基本方法，并将其运用于LED可穿戴设备的设计和制作这项工程任务中，在制作过程中还要解决电路连接、外观设计、功能配比、设计图、产品说明书等工程与技术问题。本活动中学生将经历寻找设计机会、设计、选材、制作、测试、改进、再设计、再制作、再测试、再改进、交流分享等活动环节。

活动特点

组织该活动时，需要给学生提供丰富的材料，让学生设计能穿戴在身上的物品，这是一个非常开放的任务，因而也没有好坏之分，教师鼓励学生做出各种各样不同的物品，不仅激发了学生的热情，同时也体现了STEM活动的多样性和开放性。对于初中生，活动提出了更高的要求，不仅要设计和制作出作品，还要求该作品具备一定的功能、能解决生活中的问题，并要求他们能绘制设计图、计算产品预算、撰写产品说明书。

活动中学生的技能可以得到快速发展，因为学生不仅要根据自己的想法设计作品，还要设法将LED的电路安装在作品上，这对学生的设计和动手操作能力都是一个不小的挑战。在解决问题的同时，促进了学生思维和动手能力的提升。

活动实例三：快递薯片

“快递薯片”是以设计和制作易碎品保护装置为主要任务的活动。该活动帮助学生了解碰撞和缓冲的原理，认识常见的缓冲材料，探索能够保护易碎品的包装方式。同时体验设计、制作、测试、改进等工程设计过程。

活动材料

每组一份报纸、一次性塑料袋、泡沫片、泡沫板、气泡纸、海绵、塑料直尺、硬卡纸、彩色水笔。公共材料：大纸箱。

活动内容

教师现提出问题情境：薯片在快递过程中极易破损，请同学们想想办法，运用什么材料改善快递包装，可以解决这个问题？

学生探索有关碰撞、缓冲等基础知识。

讨论对最终包装成果的评价方式，制定评价表。

每组学生利用各种缓冲材料，制作薯片的快递包装。通过测试最终选定某种包装方式，并完成对三片薯片的包装制作。

教师将各组的包装都放进同一个大纸箱，全班同学一起模拟快递运输的过程。最后开箱检测各组薯片完整情况。

各组汇报设计方法，交流经验；运用评价表给予评价。

活动设计思路

该活动帮助学生了解物体碰撞和缓冲的基本原理，并运用到设计、制作薯片的快递包装这个工程问题上，还需要解决缓冲材料选择、固定等技术问题。该活动还可以结合数学，添加缓冲材料价格和兑换币环节，给每组一定量的兑换币，让学生用兑换币来买材料，因此学生要学会计算材料成本。成本最低、效果最好的小组获胜。

活动特点

该活动具备STEM活动的诸多特点，如情境的设置、多样性的作品、STEM各个领域的结合等。同时该活动还体现出另外两个特点：模拟活动的设置；评价表的设计与讨论。

三、 STEM活动教学策略[6]

STEM活动教学遵循5E教学模式，该模式体现了以学生为学习中心的教学方式。体现了STEM活动的综合性、实践性和灵活性的特点。5E教学模式分为以下五个阶段：

1. 参与(Engagement)——此阶段的活动设计用于吸引学生的注意力，激发他们思考，帮助学生获取记忆中的已有知识。由教师或学生提出一个现实世界的问题、复杂的问题或者全球性问题。然后学生头脑风暴产生可能性方案或构建对问题的解释。

2. 探索(Exploration)——此阶段主要给学生时间去思考、设计、调查和组织收集到的信息。在这一阶段中,学生可以通过探索建立起科学、技术、工程、数学和其他学科之间的联系。鼓励学生选择和应用恰当的系统方法回答复杂问题,调查全球性问题,开发解决方案应对挑战和真实世界的问题。

3. 解释(Explanation)——此阶段学生将对他们的探索和探究进行分析和解释。他们澄清自己的理解发现，以多种方式交流。

4. 阐释或延伸(Elaboration or Extension)——此阶段学生有机会扩大和巩固他们对概念的理解。在STEM活动中，学生制作好模型，可以根据其他组的分享发现，进而改进自己的设计。

5. 评价(Evaluation)——评价贯穿于5E模式中。教师和学生开发了评估标准确定学生必须知道什么和做什么。在评估中，学生反映了他们应对复杂事物、问题和挑战的方案，参与同行评议，通过基于绩效的任务来展示理解。在每个STEM活动中，都配有记录单，教师和学生可以根据记录单的评分点，对各小组进行评分。

四、 总结

在非正规教育环境下开展STEM活动，可以有效弥补课内科学教育中动手做活动缺乏、班容量大、科学探究机会少等不足，为青少年搭建起广泛的科学学习的平台，提高孩子们主动学习的能力，同时青少年的观察能力、记录能力，创造能力和社会情绪能力也可以得以发展。

STEM教学实践现在仍在进行中，学生的认知水平在不断进步，课程也要不断更迭出新，以满足学生的学习发展需求。中国的STEM教育仍处在引进理念和课程设计探索之中，也需要更多的小学科学教师和校外科学机构、科技场馆教师一起加入，丰富课程，切实发挥STEM的精髓，提高学生的科学素养，为国家培养创新人才的好苗子。

与注释

[1]Wellington, J. 1990. Formal and informal learning in science: The role of the interactive science centres[J].PhysicsEducation. 25, 247-252.

[2]刘文利. 科学教育的重要途径—非正规学习[J]. 教育科学，2007 23(1).

[3]National Research Council. January 2009. “Learning Science in Informal Environments: People, Places, and Pursuits.” Committee on Learning Science in Informal Environments. Washington, DC: The National Academies Press. http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=12190.

[4]Darci J. Harland. STEM: Student Research Handbook. National Science Teachers Association Press. 2011.

[5]郑巍，黄慧，孙琪琳. STEM教育在科技馆教育活动中的实现方式[C]. 全球科学教育改革背景下的馆校结合——第七届馆校结合科学教育研讨会论文集，2015.

[6]5E Model for Integrated STEM Education [EB/OL].http://mdkl2.org/instruction/curriculum/stem/pdf/6-8/Middle School Integrated 5E Model for STEM Education.pdf.

Research of Designing and Practice STEM Teaching Activities for Teenagers in Informal Education Environment

Ye Zhaoning Hao Ruihui Wang Bei

In recent years, developing STEM Education is getting close to the top priority for all of the National Education Strategy in USA. It also attracted high attention of many countries in the world. In this field, the new hotspot of research is how to integrate science, technology, engineering and mathematics together in informal education. Based on international advanced teaching mode and experience in science education, while combined the real situation of compulsory education in China, this issue explored how to develop STEM activities for teenagers in informal educational environment. And three valuable activities were introduced to illustrate the 5E teaching strategies in order to cultivate teenagers’ skills of inquiry and solving problems.

informal education, STEM, 5E teaching strategies

①叶兆宁：东南大学学习科学研究中心副教授；研究方向：“做中学”科学教育培训；通讯地址：江苏省南京市四牌楼2号，东南大学李文正楼3楼；邮编：210096；Email：ye_zhaoning@263.net。

郝瑞辉：中国科协“做中学”科学教育改革实验项目教学中心讲师；研究方向：科学教育。

王 蓓：中国科协“做中学”科学教育改革实验项目教学中心讲师；研究方向：科学教育。