STEM教育区域推进的探索与实践

2019-09-09沈永翔

中国教育信息化·基础教育 2019年7期

沈永翔

摘要：中美STEM课程平移项目让我国教师亲身领略美国STEM教学方式，在唤醒学科融合意识、提升STEM教学技能、汇聚教师共同体等方面发挥积极作用。以此为契机，杭州市上城区以开放和创新的理念，从师资培训、课程开发、教师激励、实施保障等方面设计相应的策略，促进区域STEM教育的提质增效和均衡发展，为STEM教育的区域推广提供经验参考。

关键词：中小学学生STEM课程平移项目;区域推进

中图分类号：G623.58 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2019）14-0035-05

一、引言

为促进教育国际交流，学习借鉴美国STEM教育经验，浙江省教育厅与美国印第安纳州教育厅在2017年和2018年暑期合作实施了“浙江—美国印第安纳州中小学STEM课程平移项目”（以下简称“中美STEM平移课程”），邀请美国教师走进浙江的中小学课堂，组织我国教师观察STEM课堂学习过程，感受美国教师课堂组织与教学实施的方法，帮助我国教师客观、全面地体认STEM学习活动的特点[1]。平移课程针对我国教师的教学实践需求，在学习项目选择上突出动手实践的特色，包括机械制作、电路制作、机器人等动手实践项目，以及交通运输、建筑与桥梁、资源回收、航空工程、太空安全等技术应用领域的研究课题等。同时，鼓励参加培训的教师基于STEM课程案例开展研讨与交流，美国方面就平移项目的开展有针对性地安排STEM教育通识讲座，启发我国教师超越具体的学习项目和教学细节，思考STEM课程中学与教的策略。

在2018年浙江省人民政府督导委员会发布的浙江省县域教育现代化发展水平的检测报告中，杭州市上城区名列全省榜首，凸显出上城教育在浙江教育中的区位优势。上城区的STEM教育在自主探索的基础上，以开放和创新的教育理念，鼓励教师开拓视野，学习和借鉴国内外STEM教育的优秀经验，并积极组织教师参与中美STEM平移课程项目培训。2017年选派24位骨干教师参加，2018年选派36位STEM相关学科教师参加，并以此为契机在全区开展新一轮的STEM教育探索。

STEM教育区域推广是STEM教育得以普及与发展的基础，是促进区域教育公平、提升区域教育质量的根基。在区域层面，STEM教育以怎样的课程形式介入现有教学生态，重塑新型学习文化，如何把毫无STEM教学经验的教师引向STEM专业教师，如何激励广大科学、数学、信息技术等中小学一线教师开展STEM教学实践，是STEM教育可持续发展的关键。因此，在区域层面探索STEM教育的推广策略对于有效开展STEM教育具有重要意义。

二、中美STEM平移课程的契机

以2017年中美STEM平移课程为分界点，上城区STEM教育推进工作大致可分为两个阶段。在平移课程项目之前，上城区的STEM教育实践呈现的是零散的、点状的、试验性的态势，主要是一些科学骨干教师在STEM理念与学科教学的融合方面积极探索。2017年7月，第一届中美STEM课程平移项目启动，上城区的胜利实验学校作为承办学校之一，为STEM教育工作者提供了研讨与交流的学术平台;2018年7月，第二届中美STEM课程平移项目启动，上城区的清河实验学校作为承办学校之一，为STEM教育工作者提供了研讨与交流的学术平台。中美STEM课程平移项目为上城区STEM教育发展带来的契机主要包括以下几个方面：

1.喚醒学科融合的意识

STEM 教育强调不同学科之间的知识联系，引导学生运用跨学科的思维方式解决现实生活中的问题，主要围绕科学、技术、工程、数学等相关科目领域展开，各科目领域在支持学生认识和改造世界的过程中均发挥重要的作用[2]。美国教师在平移课程中的基于项目学习或基于研究的学习，给长期以来分科教学的上城教师带来直观的、现场的观念冲击，让教师接触到原汁原味的STEM教学，体验到美国教师的课堂组织方式、评价方式等，唤醒了教师在自己的课堂中开展学科融合的意识，激发教师投身STEM教学的兴趣。

2.提升教师STEM教学技能

美国教师在STEM课堂节奏把控、课堂气氛营造、合作技巧指导和学生评价方式等方面，有诸多经验可供我国教师参考：①教学节奏，美国教师善于根据班级学生的学习能力灵活调整教学进度，即使由于学生的学习能力比预期弱导致完成不了预设的教学目标也会放慢速度，保证不落下一个学生;②课堂氛围，美国大多数教师在课堂上会用夸张的表情、动作、声音表现自己教学的激情，吸引学生的注意力和参与的兴趣。我国教师在课堂上一般不苟言笑，甚至有的教师在课堂上不说一句与教学内容无关的“废话”;③合作指导，美国教师通过游戏、话题交流、活动等形式强化学生的小组合作意识，并在STEM学习过程中强调组内协作互助，共同完成学习目标。然而我国教师一般没有花时间培养小组合作的意识，最常见的是指定小组合作，并且为提高课堂时间的利用效率，常常直接分派给小组成员具体职务;④评价方式，由于衡量学生学习能力的标准不同，中美教师采取的评价方式也不同。美国教师擅长综合运用正式与非正式评价，过程性与总结性评价，教师评价、同伴互评与自我评价相结合的方式对学生进行全面评价，并关注学生在各个领域的表现。我国教师往往运用纸笔测试或总结性评价来衡量学生的学习效果。

3.汇聚STEM教师研修共同体

在选派教师参加中美STEM课程平移项目时，秉持“学科相关、骨干优先”的原则，两次参加平移课程培训的教师共计60人次，涵盖了科学、数学、信息技术、英语、综合实践等学科的优秀教师。这一教师群体往往在本学科的教学业务上已小有成就，对新鲜的教学理念、教学方法抱有浓厚兴趣，由他们组成的STEM教师研修共同体是上城区开展STEM教学改革的生力军。

以此为契机，上城区教育学院从区域层面审视STEM教育对中小学课程改革的推动作用，考察STEM区域推进的可行性与可能路径，力图在先前点状的、试验性的STEM教育的基础上，开启STEM教育推进工作的第二阶段，即让STEM教育惠及全区的中小学师生，促进区域STEM教育的提质增效和均衡发展。

三、区域STEM教育推广的策略

区域STEM教育的推进，在参与主体上，需要政府、教师、学生、企业共同努力;在实施内容上，需要将教育理念、政策、课程、装备、培训、文化建设等内容有机融合[3]。STEM教育作为一种新型教学方式，其推广和普及必然是一项复杂的系统工程。从实践层面来说，制约区域STEM教育推进的因素可以归结为三个要点：①人的因素，即师资的培训，怎样把毫无STEM教学经验的教师培养成具有一定专业水平的STEM教师;②课的因素，即课程开发，怎样开发适合区域内中小学生的STEM课程;③时间的因素，即课时保障，怎样在课程与课业时间比较紧张的中小学，保障STEM课堂的教学时间，协调教师与学生的上课时间。针对以上制约因素，上城区通过培育STEM教师研修共同体加强师资建设，通过国外引进与自主开发建设STEM课程，并制定相应的教师激励措施和课程实施保障，推进区域STEM教育发展。

1.师资建设：培育STEM教师研修共同体

（1）STEAM教育名师工作坊

STEAM教育名师工作坊由资深STEAM名师章迎华领衔，其成员包括9所中小学的科学、数学、信息技术、美术学科教师，是一个跨学校、跨学科的教师研修工作坊。工作坊每月组织一次现场活动，不定期进行网上研讨活动，活动形式丰富多彩，包括读书会、观点沙龙、头脑风暴、经验分享、专家指导、教学展示、外出访学等，促进参与教师对STEM教学理念的理解与教学技能的提升。同时，通过教研活动积累优质STEM教学资源，为后续优质资源的区域分享做准备。

（2）科学教师研修共同体

STEM教育强调各学科融合，强调学生实践能力与创新思维的培养，这与小学科学的教育目标相一致。在科学教研员闻蓉美老师的带领下，先后开设了一系列STEM教学研修课程，如《基于工作坊项目学习下的小学科学教师专业能力提升》《基于新课标及STEM理念下的教师实践能力提升》《基于STEM理念下的项目主题式教学研究》等，从科学学科教学的角度，推进STEM教学方式变革。科学教师的研修活动主要关注怎样通过STEM项目学习，促进学生主动学习和深度学习，提升团队合作能力，增强学生的问题解决能力，同时改变教师的教学理念，变革教学方式。以骨干科学教师为主，其他教师共同参与，通过区域指导和协调，稳扎稳打，成熟一个STEM项目，推广一个项目。

（3）教育信息資源中心组织的相关研修与培训

上城区教育信息资源中心开设《小学数学教育与创意编程》，鼓励全区的数学教师参与，希望通过游戏化的方式，让数学教师们认识编程，体验通过技术解决问题的乐趣。数学教师在iPad上编写程序，控制无人机和机器人完成指定任务。目前STEM教育中，科学、技术和工程领域的体现是较为充分的，在数学方面的体现上不突出。编程课程的开设，意在带动一批数学教师参与到STEM教学中，增加STEM教学中的数学味道。同时，教育信息资源中心根据区域STEM教育的发展情况，组织一系列的教育沙龙活动，邀请高校专家、企业组织等和一线教师一起探讨STEM教育中的相关问题。例如2018年11月，以初中STEM教学推广为主题，特邀浙江省STEM协同中心资深专家、浙江大学教授刘徽开设讲座。专家的研究成果往往是高屋建瓴，教师们与刘教授深度互动，探讨怎样通过STEM的真实性学习，促进学生的复杂问题解决能力，培养学生的专家思维。

（4）积极参与其他研修与培训

为了加深教师对STEM理念的理解，上城区组织教师参与STEM相关的浙江省教师培训，以促进教师之间的学习与交流。另外邀请STEM未来计划等机构从理论和实践出发，为部分学校组织《疯狂过山车》实操课和《科学与工程实践》理论培训等。

除此之外，上城区鼓励教师以开放的视野看待STEM教育，组织了2017年上城区骨干教师赴加拿大STEAM课程研修团，让教师充分感受国外STEM课程与教学的形式与文化，更好地服务于本土STEM教学。

2.课程开发：国外引进与自主开发并重

目前STEM课程大致分为两种类型：一是翻译国外STEM教育的课程资源和设置体系，然后进行二次开发;二是国内机构、教师根据自己的理解、经验，自主开发。从实施上看，从国外购买课程的费用很高，很多知识体系和国内尚未有很好的衔接，教师使用起来需要有专门的培训。而国内的课程则普遍依托技术工具进行设计和实现，多以技术类课程的学习为主。

STEM教育是跨学科的项目式学习，以问题解决为导向的综合素质教育。课程是STEM得以落地实施的载体。对于广大一线教师而言，独立开发STEM课程往往需要耗费大量的精力与心血，且课程的专业性也难以保障。因此，上城区决定采取比较稳妥一点的方式，即引进国外成熟的STEM课程，与具有浙江教育出版社背景的STEM未来计划团队一起，进行本土化改造，合作开发STEM课程。目前，已经联合研发的STEM课程如《电风扇的秘密》《躲避高温》《书包新技能》《降落伞》《通信密码》《蓝色星球》等已涵盖小学全学段，并在全区17所学校开展教学实践，旨在通过STEM课程来普及K-12阶段的工程教育，培养每个孩子系统解决问题的能力，为孩子的未来赋能。

合作开发并不是简单的拿来主义，国外的STEM教育虽然在课程设计、材料保障、学习评价等方面较为成熟，但由于教学对象、学习文化、课堂组织等方面的差异，无法直接应用于中国的STEM课堂，因此必须对其进行本土化的改造。上城区鼓励一线教师根据课程标准和学生需要，在国外STEM课程的基础上，加入自己的思考，开发出适合上城学生的STEM课程。在整个课程的开发过程中，我们与STEM未来计划团队始终以“5E教学法”贯穿项目学习，并在项目中融入8项工程实践能力的训练，从而培养学生系统性解决问题的能力。下面以《降落伞》为例分析其设计思路，了解如何达成STEM多学科领域的融合与集成。

《降落伞》的STEM课程设计主要包括：引入问题并确定需求、宣布挑战任务、分享交流、学生讨论及设计降落伞等环节：①情景导入环节。设计地震中因山地地形复杂、道路损坏严重，人员和车辆无法从道路进入灾区的特殊情况，要求学生设计一个可以在该情形中完成救援任务的降落伞。于是在教师的引导下，学生开始关注降落伞、伞面形状、伞绳长短、伞的结构、设计和功能等，进而搜集有关降落伞、伞面大小对降落伞下降的影响、伞绳的多少对降落伞下降的影响、伞兵和投放物资的降落伞的相关资料。②教师宣布挑战任务。学生开始设计并制作一顶可携带200克左右重物且能够平稳下降的降落伞，该降落伞还要求下落的时间要长且可以在4米左右高空安全释放、打开并安全降落在指定的区域内。③分享交流环节。教师需要先了解学生有关降落伞的前概念知识掌握情况，如降落伞的草图绘制、构成材料、稳定性，降落伞的主要结构和功能，降落伞如何携带重物缓慢下降等。在对降落伞相关知识的了解和掌握的前提下，学生在分享交流环节会产生思维碰撞，进而为更好地设计和制作降落伞做好铺垫。④学生开始讨论并设计和制作降落伞。设计之前，要给出设计文档的要求和关键问题的引入，其中，设计文档的要求包括设计草图绘制、尺寸标注、比例等，关键问题的引入要考虑降落伞可以平稳下降的功能以及制作时要特别注意的地方，此外，还应鼓励学生大胆尝试、自主设计与创新制作。

《降落伞》项目的学习，是一种整合科学、技术、工程和数学的学习，学生在整个学习过程中会运用科学探究和工程设计的过程实现跨学科学习。该项目学习中需要关注和理解科学问题、技术问题、工程问题、数学问题、运用设计过程解决问题及评价标准等。

（1）科学问题：知道降落伞是利用空气阻力、依靠相对于空气运动充气展开的可展式气动力减速器;认识降落伞的主要组成成分有伞面、伞绳、开伞部件和伞包等;知道伞面的大小、形状、材料，伞绳的长短、多少，悬挂物的轻重会影响降落伞的下降速度。

（2）技术问题：掌握降落伞的制作技巧，如伞的裁剪、伞绳与伞衣的连接等;会设计对比实验研究降落伞下降的影响因素。

（3）工程问题：会画降落伞的三维视图;能制作稳定下降的降落伞;通过迭代，不断优化降落伞。工程内容是该课程的主体。可以创设“地震中载重物安全救援”或创设“载人返回舱安全着陆”的情境提出问题，即设计安全降落伞。在分析问题的基础上，为学生提供更多的背景经验活动，以支撑他们学习相关知识、积累必备的实践经验。

（4）数学问题：能绘制降落伞的结构图，标明部分尺寸及所用材料;能设计对比实验的数据表格，并记录实验数据;能对实验数据进行合理的解释。

（5）运用设计过程解决问题：学生在了解一定经验、具备相关能力后，课程将进入解决问题的环节：设计、制作、测试、改进和交流。学生在完成降落伞的项目后，会经历分析任务、设计方案、设计汇报、制作与测试、撰写研究报告、交流与反思等一系列过程。在STEM课程中，不仅培养了学生解决问题的能力，更培养了学生积极思考、敢于质疑的精神。

（6）评价标准：STEM学习的评价注重主体多元化评价，不仅有以教师为主体的学校评价，还有项目团队的自我评价、团队之间的相互评价，评价过程包括过程性评价和成果评价，主要从项目选择、方案设计、产品制作、项目展示、资源利用等方面进行评价。《降落伞》的课程依据“5E教学法”的“参与、探索、解释、迁移和评价”各过程环节，给出了详细的评价，进而帮助教师及学生了解他们的发展与进步。

课程开发后，还需要经过不断的尝试和实践，及时发现课程中的不足、完成课程的迭代。例如，教师在实践过程中发现，活动中数学领域的知识涉及较少，于是在《降落伞》项目中额外增加了传感器模块，记录降落伞下落过程中的数据，要求学生通过对数据的分析提高降落伞制作的质量，探寻物体下落中的物理规律。

总之，《降落伞》项目能够使学生专注于问题、事例、积累经验和解决生活中的实际问题，还可以给学生提供搜集资料和观察设计的机会，学生通过讨论、交流与反思，形成自主学习、合作学习、自我监控、自我反思和自我评價的学习方式及理念。学生通过设计、制作和分享，培养敢于尝试、善于体验和勇于实践的良好品质和终身学习理念。

3.教师激励：促进STEM教学的成果化

教师是践行STEM教学的主体。STEM教育对教师提出了更高的要求，由于我国STEM教育处于起步阶段，各学校几乎没有STEM教育的专职教师。中小学从事STEM教育的教师多为兼职教师，由科学、信息技术等学科教师兼职从事STEM教育，或是从校外教育机构聘用。在教师培养方面，学校主要采用相关的理论讲座、技术培训与课例观摩等活动形式，来提升教师对STEM教育的理解水平和应用技能。

为鼓励教师积极参与STEM实践，上城区出台了一系列激励措施，促进教师STEM教学实践的成果化：①在上城区教师多媒体教育软件制作评比活动中，特设STEM案例专项;②在教科研课题申报时，优先支持STEM主题相关的课题研究;③在《上城教育研究》的“智慧教育”模块开辟STEM教育专栏，刊载区内优秀的STEM教学案例和论文;④在项目实践的过程中，不断进行版本迭代和优化，集合全区优秀教师的智慧，针对诸如《机器人工程师》《挑战音乐节》《降落伞》等优秀案例优先安排出版。STEM相关案例、课题和论文的撰写，既是教师本人在STEM教学方面的进一步深化，也是对教师本人STEM教学实践的认可，进一步激发教师对STEM教育理念的认同和教学的热情。

4.实施保障：保障课程资源和开课时长

STEM教育在美国备受重视，而我国同样对其抱有极大的期望。STEM教育可以弥补分科教学的弊端，培养学生创新思维与解决问题的能力，这是课程改革力图达到的目标之一，也符合新时代下我国对创新人才的培养需求。课程建设方面，学校多以教育研究机构和公司购买为主。目前，我国的STEM课程在学校的存在形态表现为必修课、选修课、社团活动课。课程形式多集中于社团课程与选修课。学校层面上，一些学校与科研院所或教育企业合作，积极建设STEM学习空间，引进STEM课程和教师培训项目，STEM教育是一个以多学科融合促进学生创新能力、问题解决能力和实践能力发展的大概念，需要各个学科不同程度地参与其中。我国在STEM教育的政策制定方面比较欠缺，目前还没有将其置于国家竞争力的提升战略层面，我们也很难看到学校制定相应的对策，打破学科壁垒，在各学科进行积极推进。

如果要让STEM成为一种普惠的、日常的教学方式，那么它一定不是几次公开课或教研课的问题，需要必要的课时保障。为此上城区在区域层面设立专项经费，为参与STEM教学改革的学校采购课程、设备等资源。目前，上城区中小学全员参与STEM教学，其中深度参加即独立开设STEM课程的中小学有17所，占总比例60.7%，在课时安排上，保障这些学校至少每周一节STEM课。

四、结束语

STEM教育区域推广的关键在于，区域自身发展状况各有不同，因势利导，依托自身的环境和条件，分析区域优势和需求，寻找最优化的推进策略。美国的STEM教育开展已逾30年，而我国近年来才开始关注STEM教育，在STEM教育理论与实践方面的经验积累和文化积淀尚浅。在国外STEM已趋于成熟的情况下，是完全独立自主在科学教育与劳动技术课程的基础上发展本土STEM教育，还要充分吸收国外优秀的STEM教学经验并加以改造和利用？答案是不言而喻的。上城区牢牢抓住承办两次中美STEM平移课堂项目的机遇，以开放和创新的姿态迎接STEM教学变革中的挑战，唤醒教师的学科融合意识，提升教师STEM教学技能，同时汇聚了一个热衷于STEM教学的教师群体，通过师资建设、课程开发、教师激励和实施保障等策略，促进STEM教育的常态化和普及化。