构建STEM教育的课程观——STEM教师专业发展的必由之路

教育是一个复杂的系统工程,教师的专业发展则是这一系统工程中重要的基石。21世纪以来,新课程改革在教育观、课程观、教师观、学生观各方面都对教师提出了全新的要求,教师专业发展这一持续不断的、复杂的动态发展过程已经成为教师面临的主要问题。

其实,STEM教师的专业发展也是STEM教育必须首先解决的问题。国际上,美国是实施STEM教育的代表。为了壮大STEM教师队伍,提升STEM教师素质,美国联邦政府连续出台多项STEM教师培养法案,包括《有效的STEM教学法案》《STEM教师教育与指导支持方案》《STEM优秀教师队伍建设方案》《全美STEM教师税收激励方案》等,并设立多种多样的STEM教师培养项目。

在我国,STEM教育正处在方兴未艾之际,“STEM教师”对很多人来说还是一个陌生而奇特的名词。此时,STEM教师的专业发展显得尤为重要,需要找到适合的方法、有效的途径,帮助STEM教师构建科学准确的STEM教育课程观,才能促进我国STEM教育的长足发展。

STEM教育的本质——创新人才的培养

今年来,随着研究地不断深入,越来越多的学者提出STEM教育的本质是创新思维的培养,是创新人才的培养。

杨晓哲等认为不论是STEM教育还是STEAM教育,都是为了更好地帮助学生不被单一学科的知识体系所束缚,促进教师在教学过程中更好地进行跨学科融合,鼓励学生跨学科解决问题。科学、技术、工程、艺术和数学等学科的相互结合,有助于提升学生综合能力和跨学科思维能力。

冯华在分析STEM教育视野下的综合课程建设中指出STEM教育的目标时整合各领域知识、技能,将知识的学习与师生生活实践结合起来,解决真实世界中的实际问题,其内涵指向创新型人才培养。

叶兆宁等在对STEM教育与创客教育的对比中提出,无论是STEM教育还是创客教育,都顺应了社会的快速发展对人才的需求,高素质、跨学科、全球化的人才将成为未来社会的中坚力量。跨学科、综合类课程能更好地指向学生对知识的理解和运用,达成问题解决能力和创造力的提升。在社会发展的推动下,STEM教育与创客教育致力于共同的目标追求——培养适应21世纪发展的创新人才。

STEM教育的特点——跨学科的融合、开放与合作

如今的STEM教育不仅是科学、技术、工程与数学教育的统称, 也不是孤立的学科拼盘下一件华丽的外衣,而是一种综合性教育,具有跨学科、跨领域、集成性的特点。它是一座能够为学生提供整体认识世界机会的桥梁;消除了传统教学中各学科知识割裂、不利于学生综合解决实际问题的障碍;它使学生成为新教育与学习模式下的知识生产者;它拓展了学生的创造力,为创新人才的培养奠定基础。

余胜泉指出从教育目标来说,STEM教育的基本目标是培养学生的STEM素养。STEM素养包含了科学素养、技术素养、工程素养和数学素养,同时又不是四者的简单组合:它包含运用这四门学科的相关能力、把学习到的零碎知识与机械过程转变成探究真实世界相互联系的不同侧面的综合能力。融合的STEM教育具备新的核心特征,即跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性。

跨学科是STEM教育最鲜明的特点,它着重强调科学、技术、工程与数学四个领域的链接与融合。它关注在教育的图景中如何创造出一个多维的空间,为学生提供一系列具有一定程度关联性的学习经历。在跨学科的基础上,STEM教育实践着全方位的融合,包括教学中各学科的融合、学科教研的融合、教师团队的融合、以及学校管理与学科建设的融合。融合意味着开放与合作。开放不仅指教育者思维的开放、视野的开放,更是指在教学过程中课程的开放、教学的开放;合作也不仅指学生小组内的合作,还应有更广泛的合作,如组间合作、班级合作、校企合作等,将学校教育延伸到家庭、社区和更广泛的空间。

STEM教师的必备素质——STEM教育的课程观

STEM教育是一个广泛多样、变动不居的研究领域。上海史坦默国际科学教育研究中心王雪华秘书长通过实际的一线课堂观察,深刻体会到要将课程的创新之处一一落实,教师是确保STEM项目或课程成功的核心钥匙。面对跨学科的复杂性,STEM教育需要缜密的课程、教学和评估,技术和工程需要整合到科学和数学中形成一体化课程,科学探究和工程设计过程需要在实践上深度融合。学生需要发展STEM素养和能力,教师需要获得合适的STEM专业发展机会。

2014年国际科学院联盟的科学教育国际研讨会在北京召开,英国科学教育协会的首席执行官Derek Bell教授提出在STEM教育中,教师必须战胜的困难不仅仅是缺乏知识那么简单,他们还需要理解各个学科的教学法。例如科学研究的目标时对研究中的现象形成更深入的理解,而技术和工程的目标是开发一个产品来满足实用性的特定条件和需求。两类学科都需要“解决问题”的方式,但处理和评价任务却是不同的。因而,对于从一个学科转向另一个学科的教师来说,他们并不能照搬原来的教学方法。

跨学科的STEM教育与传统学科教育有截然不同之处,具有较强的生成性和综合性。它已经不是教学层面的教学活动方式,而是具有独立形态的课程。如果教师仍然停留在学科、教材和案例上,显然不能胜任STEM教育的需求。在STEM教育的过程中,教师必须更加关注学生的学习过程,不断反思教学的进度和指向。这时的课程是生成性的而非预设的、是开放的而非封闭的、是动态的而非静态的。因此,对于开展STEM教育的教师而言,树立积极有效的课程观并能付诸于行动尤为重要。

教师对STEM教育的课程观可以体现在以下三个方面:

01教师能达成对STEM素养和跨学科概念的认识和理解

STEM素养及核心素养的培养,是STEM教育的目标和愿景,也是实施教育过程的基本准则。作为开展STEM教育的教师,教师首先需要考虑的还不是如何有效地教学,而是应该带给学生什么样的教育经验,包括什么样的知识最有价值、什么样的主题最值得探索。这就需要教师能达成对STEM素养与跨学科概念的认识和理解,了解STEM教育要达成的教育价值有哪些。并从课程的高度理解课程或主题的结构、功能、性质、理念、内容、活动方式和评价、以及课程设计与课程实施等方方面面。图1表示出STEM中的各学科的内涵。

图1:STEM中的各学科的内涵(点击查看大图)

美国《新一代科学标准》是帮助教师达成整体认识的有效参考,标准中包括三个维度:科学与工程实践、跨学科概念、学科核心概念。明确给出了科学、技术和工程素养以及跨学科概念的具体内容。遗憾的是,标准中没有明确给出数学素养的内容,这部分可以参考州共同标准或其他类似的数学教育标准。

例如:水过滤器

本案例来自于《国外优秀STEM教育案例集》的一篇教学实例文章,是一个面向小学高年级或初中学生的STEM主题课程、关于水过滤的环境工程项目。该主题促使学生在解决实际问题的过程中,对已有经验提取和再内化,加强有效的科学概念、修改有问题或模糊的概念,在评价和交流过程中,逐步建立正确的概念认知。参考《新一代科学标准》,作者给出了主题活动的设计依据,见表2。该表展示出主题设计者对STEM素养和跨学科概念的认识和理解。

表2:“水过滤器”与《新一代科学标准》的关联(点击查看大图)

02教师能从教学和学习两个层面开展STEM课程的教学设计

一个好的STEM课程或主题,不仅要有富有吸引力的内容,还有体现以学生为中心的教育理念和学科间的相互碰撞,更需要着重培养学生综合解决问题的能力和创新思维。因此,教师需要从如何教和如何学两个层面开展STEM课程的教学设计。

如何教?

“如何教”是指教师对整个课程或主题的学习活动的规划。优秀的STEM课程或主题来源于学生的生活与需求,教师可以有教材或有教学活动的指导手册,但教学绝对不是以教材为蓝本的固定程序。教师需要能根据学生的已有经验和基础,灵活使用教材和手册,在开展形成性评价的基础上持续地对学习活动进行教学设计和规划,让学生的学习过程称为能动的、积极的、高效的学习路径。这不仅需要教师对STEM素养和跨学科概念有深入的认识和理解,还需要教师有能组织活动、开展STEM教学设计与规划的能力。

如何学?

“如何学”是指学生会经历怎样的学习过程。学习是否有效、是否能达成预定的教学目标与学生的学习过程有密切关联。跨学科的STEM课程需要学生积极主动的参与到基于项目或基于问题的探索和研究中,包括主动参与学习内容的选择、主动调整学习的路径与进度等。当然这些必须在教师的引导和协助之下。因此,教师必须能了解学生的学习状态、评估学生的学习成果、促进学生选择有效的学习材料与内容,也就是说教师需要能从“如何学”的层面上开展教学设计,并在实践过程中不断调整其教学。

03教师能正确理解和饯行教学中教师的角色与作用

STEM教育比任何一个学科教育都承载了多得多的教学目标,它使得STEM课程在内容的选择和教育的实施上都具备一定的难度。与单一学科相比,学生通过STEM课程需要学习的内容、培养的技能较多,学习周期也较长。在学生能力达不到完成自主学习时,需要教师在教学中起到支持者、组织者和引导者的作用。

教学需要创设情境帮助学生发现问题或形成项目;

需要用问题启发思考、驱动实证研究;

需要激发学生的热情和好奇,也需要激励和保持学生的探究欲望和信心;

需要为学生提供充足的、有结构的材料与资源,也需要在学生遇到困难时给予支持和帮助;

需要能依据对学生的评估判断下一步教学的方向;

最重要的是还需要有耐心和积极的心态陪伴学生整个学习过程。

教师具备良好的STEM教育的课程观是这些教育行为出现的思想基础。教师必须正确理解教师在STEM教育中的地位和作用,才能明确哪些教学行为能符合STEM教育理念的需求。当然,从思想上的理解到行动还需要教师经历较长时间的教学实践,在实践中向理念内化为有效的教学行为。

构建STEM教育课程观的方法与途径

英国惠康基金会在2008年设立的一项STEM教育的研究的一个关键发现是:教师颇费一番周章才能知道应选择什么活动,并且他们有时会缺乏将自己的选择付诸行动的能力。可见教师构建起STEM教育的课程观并不是一件容易的、短时间能解决的事情。即便是在某学科中具备较高教育素养的优秀教师,在从单一学科教育专项跨学科的综合教育之后,仍然需要重新构建对STEM教育的理念、方法和课程观的理解。寻求有效的教师专业发展方法与路径,不仅仅是来自教师自身的需求,更是STEM教育能长足发展的基础和根本。

01参与持续的、参与式的教师培训

持续性是不言而喻的,没有持续的培训支撑,要想发展和提升一个人的综合素质显然是杯水车薪。这就要求开展STEM教育的学校校长、上级教研部门和管理部门制定出持续开展教师培训的方案。在2年、3年甚至更长的时间中给教师提供有系统的学习和专业发展。

STEM教育的实践特征支持了教师培训采用参与式的学习模式,如果仅是理论学习、实地考察、听评课,并不能让教师经历科学和工程的完整过程,也不能促进其理解科学研究和工程设计的真谛和教育价值。因此,开展参与式培训,在教学之前自己先尝试成功和失败,这样的过程是STEM教师培训所必须的。

02组建跨学科的工作团队和协作团队

引入拥有学科之外视角的人,将能帮助教师更好地理解STEM素养和构建STEM教育的课程观,发挥专业人士的学科能力,结合教师的教育才能,共同参与STEM课程的教学实践。同时,工作团队和协作团队对教学的介入,也帮助学生把学习和生活实际联系起来,促进学生以多种方式、在更加开放的空间和时间中,在更多专业人士的支持下,经历STEM教育的学习过程,达成预期的教育目标。

03实践课程开发,成为专业的课程设计者与实践者

在开展参与式的STEM教师培训时,进行课程设计与开发的实践能有效的帮助教师提升这方面的素养。例如让参与者以小组为单位进行教学单元的整体设计,思考以下七个环节,解决每个环节中与教学设计有关的问题:

明确任务或问题,确定引入情境

采用怎样的方式引入问题或任务?要研究的问题或完成的任务是什么?有哪些具体要求?……

分析对象和目标

课程在哪个年级实施?这个年级的学生对所涉及的概念有哪些认识?哪些是错误的认识?在技能方面有哪些缺失?根据这些基础,课程的教学目标有哪些?……

分析学习内容与要求

学生研究该问题或完成该任务的过程是怎样的?涉及到哪些学科探究的内容?活动可以有哪些顺序?这些顺序可以如何分配?……

列出工具与资源

学生需要用到哪些工具?工具的使用方法和注意事项有哪些?哪些可以给学生造成危险或伤害?如何提示和防范?学生需要哪些学习资源做补充?从哪里能找到这些资源?以哪种方式呈现资源?……

设计学习活动过程和教学支架

研究问题的探究过程是怎样的?如何引导学生思考问题?如何帮助学生解决问题?……

设计评价方案

学生的学习成果有哪些?如何进行定性或定量的评价?哪些评价需要和学生共同讨论并制定?如何从评价中获得信息,以判断学生的理解和发展状况?如何给予适当的指导和帮助?

总之,在STEM教育的重要性已经毋庸置疑,STEM教育的理念已初步形成之际,只有将STEM教师的专业发展放在实践STEM教育的首位,才能促进STEM教育在未来得到更好、更快、更有效的发展。

文章来源:《人民教育》

作者:叶兆宁、杨元魁

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