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趙章靖、張永軍:創新就在學科融合之中

【浏覽字體: 】      五福彩官方网站:2019-11-22      來源:中國教育報

  近日,美國聯邦教育部與“數字前景”公司合作發布了《促進STEM教與學的九種方式》報告,該報告通過系統研究相關文獻,結合中小學教學案例,梳理出了有效促進STEM(科學、技術、工程、數學)學習的九種方式。這些借助新技術的教學方法主要聚焦在培養學生STEM素養、提高計算思維與技能等方面。每種方法後面附有相應的學校案例介紹,案例學校分布于美國主要的州和地區,既具有代表性,也方便在全美中小學STEM課堂中推廣。這份報告對于我國當前教育改革之關注學科交叉融合、注重提升學生核心素養也有一定的借鑒意義。
  方法一:動態表征
  数字模型、交互式仿真和虚拟环境等动态表征是科学家、数学家和工程师所采用的基本方法。动态表征法(Dynamic Representations)基于计算机模型,帮助学习者构建自然或工程现象的准确认知模型与知识结构,这种方法在形式上千差万别,要求学习者所具备的能力水平也不尽相同。师生通过与数字模型、仿真模拟系统深入互动,动态表征数学、科学及工程原理,可以深度理解并掌握科学原理和概念。为了更好地支持学习者,教师通常在STEM学科涉及的系统性和过程性知识与技能中,利用动态表征法,并设置相应的教学支架,为学生对知识的理解提供一种框架,帮助学生学习。大量的实践证明,这种方法是颇见成效的。
  在美國拉斯韋加斯的沃爾特·布蘭肯學校,老師借助互動模擬技術向三年級學生講授天氣和氣候。學生通過在線模擬獲取美國兩個地區的天氣信息,及時查看溫度、濕度、雨水和風向測量結果,然後利用平板電腦對數據進行圖形化處理,以觀察天氣模式並相互分享各自的發現。由于拉斯韋加斯的天氣變化有限,學生通過在線模擬學習不同地區的天氣既拓展了視野,又樂在其中。
  方法二:協同推理
  师生围绕科学概念开展协作推理(Collaborative Reasoning),能鼓励学生平等参与以改进或完善对概念的认识。借助技术工具可以扩大交流、聚焦研讨、增强协作。该方法促使学生深度参与研讨,建构并达成对问题的理解共识,亦有助于实现均衡参与,抑制那些研讨中个别喧宾夺主或轻易听信于人的现象。
  在美國內布拉斯加州的菲利普·H·舒爾中學的聲學課上,教師首先向學生展示大頭釘接觸塑膠唱片産生聲音的現象,引起學生發問:“聲音是如何産生並傳播到人耳的?”然後,學生使用筆記本電腦創建數字模型來回答,並引發出更多問題。教師鼓勵全班一起探討,學生使用在線交流和協作平台提出問題、分享觀點。老師在課堂上展示每個學生的數字模型,並討論學生開發的數字模型與科學模型的相似之處或不同之處。這樣,教師與學生共同建構科學概念,推動科學探究。
  方法三:即時與個性化反饋
  数字工具能帮助学生学习STEM技能与概念,并提供即时、个性化的反馈(Immediate and Individualized Feedback)。面临挑战性的学习任务,学生根据反馈来制定合理的目标并规划学习行为。科学有效的反馈可以帮助学生缩小现有水平和预期水平之间的差距。根据课程学习目标,反馈可采取多种不同的形式。考试一般属于延迟性反馈,课上课下交流则属于即时性反馈。一项涉及来自129个课堂的4000名二年级学生的准实验研究发现,当学生使用计算机练习算术技能并收到即时反馈时,他们的学习收益更大。
  在美國北卡羅來納州的格林中央高中,學生在線觀看老師講解問題視頻,然後自己解決問題。教師借助在線平台,可以看到每個學生的學習狀態,及時發現遇到學習困難的學生,並通過提示或示例的方式提供及時的個性化的反饋。
  方法四:科學論證
  科学论证(Science Argumentation Skills)是一个思维过程,需要批判性思维来提出和捍卫解释关于科学现象的理论的证据,这对于所有科学领域的探索都是至关重要的。学生运用科学论证有助于建构知识,辨析不同观念并开展独立思考。现代技术可以通过多种方式促进科学论证。研究发现,成绩较低的学生可借助计算机技术显著提升科学论证能力。
  美國明尼蘇達州的韋弗湖STEM小學四年級開設了爲期一年的關于湖泊生態健康的研究課,學生持續觀察附近的淡水湖,使用探頭記錄水和湖區土壤溫度,收集湖水樣本,用濁度管記錄水的透明度,拍攝數碼照片,記錄湖區不同時期的季節變換。在此過程中,學生根據自己的觀察與資料搜集創建相應的網站,周圍社區可通過該網站了解湖泊是否健康。通過這樣的學習,學生利用技術搜集與分析信息,表述自己觀點並開展相應的論證。相應地,學生的學習動力、表達能力以及科學論證能力都有所提升。
  方法五:工程設計流程
  学生可借助工程设计流程(Engineering Design Processes)和相应的技术修订、实施和测试问题并找到解决方案。工程涉及设计、迭代与系统化等环节。借助技术工具,学生可将科学和数学思路应用于设计。相关研究发现,那些通过科学与技术相结合的工程模块单元学习的学生,显著拓展了STEM领域知识,并提升了高阶思维技能,包括解决问题的能力和程序知识。
  在美國佛羅裏達州聖彼得堡的道格拉斯·詹姆遜小學,學生們從幼兒園開始學習“計劃、設計、檢查和共享”的工程設計流程。該校三年級開設了隔熱材料專題,學生測試不同材料耐熱程度,例如不同顔色的紙和鋁箔,以選擇隔熱層,設計制造保溫箱。之後,學生們將冰塊放入保溫箱,進行初始溫度測量,再將保溫箱在陽光下放置30分鍾。然後,他們使用探針溫度計檢查保溫箱溫度,記錄測量結果並繪制相關的圖表。回到教室後,他們再打開保溫箱,測量已融冰的毫米高度,據此比較不同保溫材料的耐熱程度。借助工程設計流程,學生通過設計、分享與比較來確定最適宜的保溫材料,增進了認識,提高了技能。
  方法六:計算思維
  计算思维(Computational Thinking)主要是借助算法思维开展的抽象推理和借自动化执行程序来解释与解决问题,该方法可广泛适用于科学和数学学习。学生利用信息技术,通过算法、数据计算和模拟来分析问题、解决问题,从而获得对相关现象的新认识。一项针对高中生的准实验研究发现,将计算思维与计算机编程结合起来进行教学,可大大提高学生的推理能力,包括进行推测和从数据中得出结论。
  在美國印第安納州哥倫布市的南邊小學,計算思維課程涵蓋了從幼兒園到五年級全程。該校二年級就要求學生通過學習編程來闡述蝴蝶的生命周期。高年級開設機器人課程,要求學生通過編程設計機器人,運用計算思維來解決現實問題。通過修正編程錯誤,學生逐漸了解到計算思維需要不斷的反複試驗,並且鍛煉了在一次次錯誤和失敗中堅定信心,提高科研心理素質。
  方法七:基于項目的跨學科學習
  学生借助数字技术工具开展富有挑战性的跨学科项目学习活动(Project-based Interdisciplinary Learning),能有效整合STEM多个学科。开展这类项目学习,可以为学生提供关联性更强、更吸引人、更深度集中的学习体验,进而提高综合能力。在跨学科学习中,学生可像专业科学家那样,运用数字技术搜集、组织和交流信息,辅助任务管理,探索问题解决之道,以及设计产品等。
  在美國華盛頓州的亨利埃塔·萊克斯健康與生物科學高中,該校STEM項目圍繞防曬霜的化學成分及其環境影響這一專題展開。首先,教師在課堂上介紹一類分子模型,這類分子在包括防曬霜在內的非處方産品中很常見。通過研究,學生了解到某些化合物(如氧苯甲酮)對珊瑚礁和皮膚有害。在研究過程中,學生充分利用了開放性的化學數據庫以及三維交互式化學結構模型,制作了防曬手冊和項目海報,在課堂上展示研究成果,並詳細闡述防曬霜成分對珊瑚礁系統和人類健康的影響。
  方法八:嵌入評議
  嵌入评议(Embedded Assessments)是利用数字技术,将评议嵌入到STEM教学中,可实时、准确反映出学习活动的性质、质量等信息,并促使学生发现问题,提出解决方案。课堂评议也可帮助教师调整教学方式,更好地满足学生需求。该方法与即时个性化反馈有交集之处,即学生能及时得到反馈信息并作出改进。
  在美國紐約州錫拉丘茲市的松樹林中學,每一堂課教師都會提出富有啓發性的問題,鼓勵學生發散思維,廣泛討論。在討論過程中,學生圍繞問題展開獨立思考,分享觀點,相互開展同行評議,然後大家綜合彙集討論意見,促進了對問題的認識和理解。在該校生物課堂上,老師提問:“如果從食物鏈中去除或添加某些物種會發生什麽變化?”學生小組討論,相互評價,然後集中整理意見。借助在線平台,學生反思並綜合了各種想法,從多個角度反思並認識了食物鏈變化及其對生態環境的影響。
  方法九:基于證據的模型
  开发、测试和利用基于证据的模型(Evidence-based Models)是科学家和工程师的常用方法,也可广泛应用于STEM教学。学生根据数据、证据开发模型,并明确模型的应用范围。通过开发模型以融合STEM理论与实践的教学可帮助学生增进理解,发展技能。例如,六年级学生在学习气体和液体运动时,利用计算机绘制气味向鼻子传播的模型,随着探究的深入和知识的积累,学生不断修改模型,最终他们的模型逐渐与完整的科学模型趋于一致。
  在美國得克薩斯州奧斯汀的雪松國際下一代中學,老師讓學生圍繞“如何在學校建築中增加可利用空間”展開設計。學生利用測量工具和數學知識測量每個房間的大小,根據測量數據開發新的學校空間模型,新模型所展示的學校空間比現有的空間要大。在此過程中,學生創建樓層平面草圖,並與圖形設計團隊展開協作。此前開展這類項目時,學生主要通過手繪草圖開發模型,但是這些模型傳達的信息有限。而現在利用數字技術生成模型時,傳達的信息更加詳細、清晰、豐富。
  上述九種方法均強調計算機技術和信息技術在當前STEM學習和教學中不可或缺的作用,並鼓勵學生獨立思考、自主探索、開展協作、不懼失敗,此外,尤爲注重跨學科學習。
  2018年12月,美国联邦政府出台STEM教育的第二个五年规划《为成功规划路线:美国STEM教育行动方略》,又名“北极星计划”。在该报告中,美国联邦政府前所未有地重视STEM学科融合,指出最具变革性的发现和创新往往就是发生在学科融合之际——“STEM教育能够实现不同学科知识的整合并提出创造性的解决方案,以应对复杂的问题和挑战”,并强调STEM教育并不仅仅停留在培养批判性思维、问题解决能力以及高阶思维、研發设计与推理等现代技能上,同样也应关注一些行为素养的培养,诸如坚韧品格、适应性能力、合作能力、组织能力以及责任感等。此外,该报告还突出强调数字素养及计算思维的培养。美国当前中小学STEM教学与其联邦政府的倡议是相呼应的,注重数字素养培育、开展跨学科学习和借助信息技术促进STEM教与学,已成为当前美国STEM教学的突出特征。
  (原载11月22日《中国教育报》。作者赵章靖、张永军,系五福彩-首页国际与比较教育研究所博士。本研究为该院2019年度基本科研业务费专项资金项目“特朗普时期美国基础教育创新研究”[GYI2019079]成果之一)