STEM理念下基于问题的学习探索与实践——以“物体上滚实验”为例

孙 越 史 艺 詹光奕 相新蕾

(北京市第一〇一中学,北京 100091)

STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)4个英文单词首字母的缩写,是这4门学科有逻辑、有组织地进行交叉融合,体现跨学科思维,提升学生核心素养的教育理念.面对经济发展与人才竞争的压力,美国最早提出STEM教育理念,意在培养高科技人才来保持国家竞争力.

近10年,我国对 STEM 教育研究的热度逐年增加,在引进STEM教育的同时,也在研究与实践中努力寻找STEM教育的本土化之路.2016年《“十三五”期间教育信息化指导意见》中指出:“有条件的地区要有效利用信息技术推进众创空间,跨学科学习(STEAM教育)、创客教育等新教育模式中的应用”.同年关于STEM教育研究呈爆发式增长,这一年发表的论文接近300篇.2017年《义务教育小学科学课程标准》倡导跨学科学习方式(STEM).同年中国教科院颁布《中国STEM教育白皮书》指出:STEM教育在中国进入蓬勃发展阶段.2018年,为进一步发挥STEM教育在促进科技创新和提高国家竞争力中的基础性和先导作用,中国教科院启动“中国STEM教育2029创新行动计划”,以服务国家创新驱动发展战略为宗旨,打造覆盖全国的STEM教育示范基地,培养国家急需的创新人才和高水平技术人才.同时中国教科院发布《中国STEM教育2029行动计划》和《STEM教师能力等级标准(试行)》.2019年《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》指出:注重加强跨学科综合性教学(STEM教育).

对于STEM教育的认识,首先它是分科的.不仅代表着科学、工程、技术、数学4门独立的学科领域及其核心知识,也代表着这4科领域的大概念;其次,它又是整合的.美国“项目引路”(Project Lead The Way)机构指出:“STEM教育整合的特点是学生应用所学的数学和科学知识来应对世界重大挑战时,他们创造、设计、建构、发现、合作并解决问题.”再次,从STEM教育的发展来看,其内涵也在不断地扩展延申.例如STEAM、STREAM、STEM+、STEMx等等变式不断涌现,表现出STEM的极大“包容性”.[1]

1 STEM教育的实施方式

STEM教育的实施方式有基于问题的学习模式(Problem-based Learning),基于项目的学习模式(Project-based Learning)等,其中基于项目的STEM学习更为多见.基于项目的STEM学习与基于问题的STEM学习有很多的相似之处,例如两者均以建构主义理论、情境认知理论为基础,通过开放式的问题或者任务,鼓励学生通过小组合作交流,利用跨学科的知识解决问题、完成任务.不同之处在于周期长短不同,基于项目的学习用时较长,通常为几周或几个月,而基于问题的学习多以短期为主,也有长期的;基于项目的学习通常是来源于真实世界的真实问题,而基于问题的学习通常使用个例研究或者是虚拟的情景问题;基于项目的学习更强调以产品或者表演的形式给予展示,而给予问题的学习通常是有形或者有计划的解决方案,通常用书写或者报告的形式展示.

通过分析和对比STEM教育的两种实施方式,笔者认为基于问题的教学形式能够更有效地将STEM教育理念融入高中物理课堂．教师充分挖掘物理素材中具有STEM教育价值的教学内容,以逻辑性强、合理且有针对性的问题为主线,充分考虑学生的最近发展区,提出既要超出学生现有的能力水平但是在学生的努力下要可以顺利解决的问题,以跨学科的形式消除单一学科的学习障碍.这样不仅能够加深学生对某一物理问题的理解,也能够提高学生的科学素养、创新思维和实践能力.[2]

2 基于问题的STEM学习案例分析

进行过跨学科案例研发的教师一定都会有深刻的体会,确定案例主题是非常重要的,也是一个难点.所以在案例开发的过程中,可以由多学科教师针对某一个领域的知识,以问题为导向,开展跨学科合作,分别提取出自己学科的相关模型及知识点,从不同学科的视角聚焦同一问题,最终将各个学科的知识点以具有逻辑顺序的一系列问题的形式串联起来,结合教学内容开发出具有挑战性的学习体验活动.[3]通常,问题的提出多从某一学科角度出发,在后续的深入研究其原因、或者开展探究活动时,再引入其他学科进行解决问题,拓宽学生的横向思维能力.具体的教学流程框架如图1所示.

图1 基于问题的STEM学习教学框架

2.1 确定主题

科技馆里有一件非常有趣的展品叫做“物体上滚”(图2),言外之意,物体可以在轨道上向上滚动.这个滚动物体不是一般的球体或者圆柱体,而是一个双锥体.轨道的形状也很特殊,呈一个大写的八字,由两根圆杆组成,一头高一头低.高的一端两杆之间距离大,而低的一端两杆之间距离小.虽然我们看到的是双锥体在向上滚,但实际上锥体的重心是在向下运动.这与物体在地球引力的作用下总是以降低重心来趋于稳定的规律是不矛盾的.

图2 中国科技馆“物体上滚”展品

下面就以“物体上滚”实验为例,详细说明基于问题的STEM学习如何开展.

2.2 教学流程框架图

图3 教学流程框架图

本案例始于一个“物体上滚”的问题情境,这也是整个学习过程的主线,教学流程框架图如图3所示,学生利用物理、数学、计算机等学科知识探索系列问题,达到对知识的构建,分别从物理探究实验的角度、数学理论推理的角度、计算机3D建模验证结论的角度,削弱学科的边界,组织学生开展学习活动,提高学生的问题解决能力.

2.3 教学流程(表1)

表1

提出问题(教师活动)学生活动学科问题4:如何验证你得到的数量关系是否正确?活动:改变轨道夹角β,轨道平面与水平面夹角(坡度)γ,是可以直接操作实现的,改变双锥体锥角α则需要借助3D打印技术.利用3D设计软件Autodesk 123D Design制作不同锥角的双锥体实体,记录好每一次实验的α、β、γ,验证数量关系的正确性.学生填写数据表格,验证猜想.αβγtan(α/2)tan(β/2)sinγsinγ( )tan(β/2)·tan(α/2)(填“>”、“<”、“=”)运动方向计算机技术+数学问题5:你的收获有哪些?请撰写成研究报告.撰写研究报告

3 小结

STEM教育是建构主义学习理论的产物.在基于问题的STEM学习过程中,学生获得知识的多少,取决于学生在头脑中构建有关知识的能力,学生单纯的自我构建知识是不可能完整的.通过跨学科的主题设计和结合认知深度等级工具来设计的每一个问题,使学生积极思考并且思考的深度逐步增加,最终完成自我构建,促进学生的思维发展.