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教育关注:STEM来了,学科之间如何“拆墙”

上传时间:2016年11月29日 文章来源:中国教育报

付业兴 绘

    当中国课改轰轰烈烈地行进到深水区时,美国教育圈也开始掀起一场课改。说是课改,不如说是一场革命,而在这场革命中,催生出了一门新的交叉学科——STEM。

    中国学生常挂在嘴边的一句话是,学好数理化,走遍天下都不怕。对美国学生来说,这个评价标准要宽得多,包括Science(科学)、Technology(技术)、Engineering(工程)、Mathematics(数学),四个首字母综合起来就是STEM。

    2008年至2013年,美国国家年度教师奖6位获奖者中,有一半是STEM教师。奥巴马在2013年的国情咨文中提出两个教育目标,重点就是“培养新一代的STEM人才”。在国家实力的比较中,获得STEM学位的人数成为一个重要指标。

    如今,在欧美红透半遍天的STEM,已经悄然进入了中国中小学的课堂。在一些家长眼中,STEM课程只是教孩子摆弄乐高积木和教授代码机器人,而在一些学校,STEM真的就上成了示范课。

    STEM这场变革到底会给中国教育带来什么,如何克服“异地栽植”带来的水土不服?

    一次特殊的合作教学

    未来,你数学是体育老师教的,将不再是一句调侃,而是变成了现实。

    “今天,我们让滑翔机飞起来。”6月的一天,在中关村三小三年级的一节活动课上,来了两个老师,一个是学生们熟悉的语文老师朱一文,另一个是正在三小参观学习的芬兰全科老师Jaana Hekkanen。

    尽管两个老师此次也是第一次见面,但事实上,两人已经在微信上沟通了很久。从讨论课程主题,到分别在各自国家的课堂上试验,时间已经过去了大半年,而一切都是为了这一堂合作教学课。

    在让滑翔机飞起来之前,中关村三小的孩子们已经做了7节课的准备。前5节课,朱一文带着孩子们做思维导图,了解滑翔机的力学原理、制作方法。第六和第七节课调试滑翔机,朱一文给每个小组的学生发一张表格,用来记录数据,发现飞行问题,寻找原因,调试解决。

    在这场合作教学课上,孩子们才是真正的主角。

    教师:“飞机为什么可以飞起来?”

    学生:“机翼下面是平的,上面是曲线形的,跑的时候机翼下面的空气速度慢,上面空气速度快,空气速度影响压力,因而上面压力小,下面压力大,飞机就慢慢升起来了。”

    教师:“飞机飞行中一共受到几种力的影响?”

    学生:“升力、推力、阻力、重力,而且在飞行中,每种力起到的作用都不一样。”

    教师:“飞机一滑出便迅速上升,但很快又掉了下来,是怎么回事?”

    学生:“跟重心有关,飞机重心太靠后了,相对的机翼就靠前了,所以上升快,但由于作用力不平衡,所以又掉下来。”

    经过一次次调整,最终孩子们的滑翔机达到了沿直线飞行、机翼左右平衡、俯仰适度的要求。

    事实上,飞行主题在所有孩子中都很受欢迎。不过让孩子们真正掌握并会运用飞机的力学原理,这样的教学难度却不小。飞机和物理力学有哪些关联?为什么一些塑料片和小木棍搭起来就能飞?

    朱一文是语文老师,而Jaana Hekkanen的强项在信息技术,带着孩子们做飞机对他们来说是不小的挑战。

    “现在许多学校都有手工社团,但真正的动手做和做手工是完全不同的。”朱一文认为,把‘动手做’变成项目学习,或者把‘做手工’变成真正的学习,对教师来说挑战都不小。

    这堂课吸引了许多教育专家现场观摩。在首都师范大学教授孙明明看来,这节滑翔机课,恰恰体现了项目教学的优势。这节课里讲到了三个力,重力、差力和升力,而中国课标只要求讲重力和差力,项目教学是超课标的,这给了孩子们更大的发挥空间,也给了老师很大的发挥空间。

    “在传统教学中,学生是主体,老师是引导,而在项目教学中,老师成了一个支持者。”孙明明认为,这也对老师的素养提出了挑战,项目式教学要求老师不仅要有广博的知识,而且要有跨学科的素养,“未来,你数学是体育老师教的,将不再是一句调侃,而是变成了现实”。

    而在斯坦福评价、学习、公平中心学者劳拉·伽特曼看来,项目教学的质量,不仅体现在实验过程中,更体现在对收集的数据进行的分析和解释中。通过这种反馈,学生不断地调整实验,以此来加深对概念的理解。

    中关村三小学生刘平十分高兴能参与这堂课。“之前感觉飞机很复杂,这次滑翔机课程,让我了解了飞机的构造、力的相互作用,以及如何与大家合作完成一个项目,我甚至可以给大家讲飞机如何起飞了。”刘平说。

    “在学习的过程中,丰富的语言词汇、生动的结构、图解的方式,既给了学生发散性思考空间,又能聚合起来回到课程标准上去。”劳拉.伽特曼认为,孩子们通过这堂合作课,不仅了解了滑翔机构造,掌握了力学原理,而且动手能力大为提高。

    在Jaana Hekkanen看来,这种教学方式在中小学里要落到两个方面,一方面是要考虑如何让学习变成有一件有意思的事情,另一方面要考虑如何培养学生的创新精神和意识。

    在美国威斯康辛大学白水分校教授梁国立看来,这种基于项目教学的STEM教育是对当下时代要求的回应。中国制造业2010年的时候已排名世界第一了。与此同时,世界每年毕业的理工科学生,中国的数量要远大于美国。美国社会产生了紧迫感,因而提出发展STEM课程,以增加他们在制造业中的竞争力。

一所美国高中的逆袭

    STEM像是兹皮科斯手中的一根魔法棒,让这个原本“学术不达标”的学校脱胎换骨。

    2013年的一天,美国马诺新技术高中的校长斯蒂文·兹皮科斯手机响了,这是一个陌生的号码,从白宫打来,电话那头的人告诉他,奥巴马总统希望参观他的学校。

    这个电话让兹皮科斯惊喜交加,什么样的学校让总统如此垂青?说实话,这所距离德克萨斯州首府奥斯汀14公里、生长在传统农业社区的技术高中,并非传统意义上的名校,但该校也的确与众不同,因为这里是一所STEM教学的样板校。

    在2016第四届小学教育国际研讨会上,兹皮科斯娓娓道来,他与马诺新技术高中的故事,是一个典型的逆袭故事,像极了电影《放牛班的故事》里的情节。2006年,马诺独立学区的初、高中学校被德克萨斯州教育部门评为学术不达标学校,这个社区里的学生差异极大,80%来自贫困家庭,32%英语欠佳,52%属西班牙语裔,24%属非裔。

    “当时我们面临的困难不仅是糟糕的州级测试分数,还有严重的旷课问题,很多学生从三年级到五年级开始就没通过州内组织的数学测试。”兹皮科斯说。

    这的确让台下的中国校长和老师们吃了一惊,因为在他们的印象里,STEM多多少少像是一张名校俱乐部的“邀请函”,一所薄弱校能玩得转吗?

    不仅玩得转,STEM甚至成为他们绝地逢生的杀手锏。台上的兹皮科斯来回踱着步,双手自信地比出各种手势,STEM像是他手中的一根魔法棒,让这个原本“学术不达标”的学校脱胎换骨,现在84%的学生都能进入大学继续深造。

    “我听说你们在做项目学习的公开演讲时,会着盛装,因此我今天也特意系了一条领带,免得扣分。”访问当天,奥巴马的开场白幽默诙谐,让在座的学生会心一笑,也道出了这里学生的习惯。这里的课程被拆分成一个又一个的学习项目,在每个项目结束时,学生团队要在一个座谈小组里报告自己的成果,这个座谈小组通常由项目领域里的专家、家长和社区成员组成。

    “学生每年要做50至65次公开演讲,截至毕业,他们将会有200次机会登台演讲,报告自己的研究成果。”说到这里,兹皮科斯看到台下的老师张成O型的嘴。

    在这之前,一些中国老师对STEM教育的认识,仅限于机器人课程。兹皮科斯也经历了同样的过程,“在我刚接手这所学校时,我对STEM的理解和你们一样,代表科学技术、工程和数学。随着时间的推移,我终于掰开科学技术的蚌壳,找到了STEM中的珍珠——协作、明辩性思维,交流沟通,这些21世纪需要的技能都在这些课程中得以培养”。

    兹皮科斯认为,STEM的意义是对传统科学技术和工程、数学课程的一种革命性重构。马诺新技术高中以基于项目的学习为主要教学模式,并推广到了所有的学科,从科学到语言艺术。老师和学生一起开发基于学生个人兴趣的和现实情境的项目。

    美国科学教师协会总裁Juliana在接受媒体采访时说:“STEM教育,首先是科学、技术、工程、数学学科的学习和实践;其次是通过参与真实世界的项目实现跨学科的融合;再其次是凌驾于学科之上的学生未来职业和终身学习所需要的能力和素养的培养。STEM项目要求学生参与、合作、创新、分享,以及像科学家一样做研究,像工程师一样做产品……”

    那STEM的课堂如何组织呢?在马诺新技术高中的课堂里,你会看到几个学生在讲台上展示一出二战期间如何处置越狱逃犯的话剧:把逃犯交给德国人,德国人会杀死他;把逃犯交给一个能救他一命的医疗机构,会消耗本已短缺的当地资源。

    把一节看似枯燥的历史课上成妙趣横生的话剧课,这样的点子,来自一名英语老师和一名世界史老师思想上的“奇妙姻缘”。他们想通过盛行一时的反乌托邦小说《饥饿游戏》来讨论道德困境问题,他们决定进行为期3周的协作教学,在这组项目学习中,他们不仅带领学生探讨了极权主义的兴起和二战的起源问题,同时也探讨了这部流行小说的语言风格和艺术问题。而这场话剧则是他们项目的展示环节。

    一场学科之间的“拆墙”运动

    STEM的核心就是学科融合,强调对知识的应用和对学科之间关系的关注。

    如果将STEM的内核拆开来,其中一个核心的关键词,就是学科融合。在一些学校,学科融合的课堂形式不仅见于STEM课堂中,也在对传统学科教学进行的重构中。

    即将到来的STEM教育代表了课程组织方式的重大变革。北京师范大学教育技术学院教授余胜泉曾经撰文指出,“目前中小学最广泛应用的课程模式是分科教学模式,即数学、科学等学科教师负责教授各自科目,很少重视学科之间的联系。然而,要让学生为未来的职业发展做准备,他们必须超越学科的界限进行思考。STEM教育的课程设计应该使用‘整合的课程设计模式’,即将科学、技术、工程和数学等整合在一起,强调对知识的应用和对学科之间关系的关注”。

    说起来容易,但是分门别类的课程如何“拆墙”呢?美国马里兰大学教授赫希巴奇提出两种最基本的课程模式:相关课程模式和广域课程模式。

    对于这两种模式,赫希巴奇举了两种课堂的例子,在一种课堂里,上物理课可能需要学生预先掌握数学概念,数学和物理教师要通过沟通,让这两次课的时间节点相近且数学课的教学排在前面。这就是所谓的相关课程模式,它将各科目仍保留为独立学科,但各科目教学内容的安排注重彼此间的联系。

    相关课程模式与学校目前的课程模式很相近,但最大的区别在于前者需要不同学科之间的教师对课程安排进行详细、周密的协调和计划。

    在另一种课堂模式里,教师要围绕建构和测试太阳能小车组织课程。教师要通过设计太阳能小车,将科学、技术和工程等STEM学科相关知识渗透在内,让学生通过活动进行学习。广域课程模式则取消了学科间的界限,将所有学科内容整合到新的学习领域。STEM教育的广域课程模式不再把物理、化学甚至科学作为独立的学科存在,而是将科学、技术、工程和数学等内容整合起来,形成结构化的课程模式。

    在“拆墙”运动中,最激进最彻底的是芬兰。

    据媒体报道,芬兰国家教育委员今年8月在中小学全面推行新课程。其实,这轮基础教育的新课改在2013年2月就启动了,与新课改相关的基础教育国家核心课程标准也在2015年2月被审查通过。

    芬兰此次课程改革的核心内容主要包括:培养学生在未来社会所需的核心素养与能力,进行依托学科融合式的“现象教学”,使信息科技技术与课程教学深度融合,发挥学生在课程设计与评价中的主体作用。

    所谓“现象教学”,即事先确定一些主题,然后围绕特定的主题,将相近的学科知识重新编排,形成学科融合式的课程模块,并以这样的课程模块为载体实现跨学科教学。这些主题可以是“欧盟”“社区和环境变化”“芬兰100年独立发展史”等。基于“欧盟”这一主题所编排的课程模块,将同时涉及地理、历史、社会文化、语言、政治和经济制度等跨学科的知识。

一件舶来的华美外衣如何穿好

    有的人只是饿了,需要一碗米饭,给他一碗红烧肉,未必是好的。

    实际上,像STEM和“现象教学”这样的跨学科尝试,在中国的一些中小学也开始了类似的尝试。在中关村三小,类似的项目学习已经开展了三年,其中的亮点是,他们为了实现课程的互融互通,进行了课程的空间结构调整,这是他们打造3.0生态课程的一种尝试。

    在中关村三小校长刘可钦看来,世界学校的发展已经到了第三个阶段。“1.0是农业学校,2.0是工业学校,3.0才是现代化的学校。”刘可钦解释,1.0是读书识字的扫盲阶段;2.0工业学校把儿童分为班级和年级,按班级和学科授课;而3.0学校,则是生态学校,将会实施班组群、校中校的设置,在这里,知识和技能只是孩子学习的一个方面,更重要的是让孩子学会与人交往,这种学习必须打造新的空间,给孩子提供交流的可能。

    沿着这种思路,三小在空间设计上进行了调整,四栋教学楼,每栋都是一个校中校,集合了语数英教师,作为独立管理单位,校中校由一个个班组群组成,这是师生生活的基地,由三间传统教室打通而来,三个年级组成一个小型单元。作为一种新型生态系统,设计的目的在于让老师和孩子共同生活,不同学科的老师一起研究孩子的发展,以此实现大孩子、小孩子一起学习,共同发展。

    在教学上,班群组的形式,打破了传统的分科或全科模式。不同学科教师集体备课,保持了分科学科的深度和系统性,老师之间也可以分学科协同工作,设计跨学科的活动。

    “学校里面处处是博物馆、图书馆,三小希望用这种新型的组织生态,跨越学科与学科间的界限,超越学校和社会之间的围墙,我们希望一起学习,为老师的发展、学生的发展带来更多的可能。”刘可钦说。

    在上海市虹口区教师进修学院教师柳栋看来,STEM教育的推进,应该带有一定的国家色彩,因为它涉及课程的改革,学科关系的重组,教育评价体制的变化,学段衔接关系的设计,是一个庞大的系统工程,需要系统和扎实的研究。

    实际上,从去年开始,STEM教育已经开始出现在我国的文件和规划中。

    2015年9月初,教育部发布《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见》,其中明确指出,建议学校探索STEM教育、创客教育等新教育模式。在中国的校园里,也逐渐出现了新的教育模式的探索。

    但STEM教育在中国课堂上的跨界和融合,也有其独特的问题所在。

    中关村三小的语文老师孙敬斌中规中矩教了十几年的语文课,去年开始,他的课堂发生了一次革命。

    “我从没想过自己的语文课可以跟其他学科的老师一起上。这源于一个大胆的想法,不同的‘水’,能不能流到一起?”

    “我们四年级语文有《潮水》这篇课文,科学课里有水溶解的课,品德课里有节约水的内容,这些都是讲“水”,为什么不让它们流到一起呢?”

    有了这想法之后,孙敬斌就开始跟其他学科的老师一起梳理内容融合的点,然后进行课堂设计。

    在一直从事比较教育研究的梁国立看来,像孙敬斌这样习惯了传统的分科教学的老师,要迈出跨学科的这一步,似乎并不容易。他用“数学的张三和语文的李四”来比喻学科之间森严的壁垒。

    “怕帮别人挣了钱,荒了自己的地。”刚刚开始项目学习时,孙敬斌坦言,自己确实抱着这样的顾虑。

    而上海STEM云中心创始人张逸中甚至认为,并不是所有的学校都适合马上做STEM课程。

    STEM火到中国后,很多学校迫不及待地想披上这件舶来的华美外衣。有段时间,很多学校都找到张逸中,想要做STEM课程,但一聊之后,张逸中发现,有些校长并不了解STEM。

    “有的人只是饿了,需要一碗米饭,给他一碗红烧肉,未必是好的。”张逸中说。由于STEM教育的出口始终是走向信息时代的创新,课程设计有信息化的内在要求,学校一旦采用STEM课程,学生必须具备起码的科学素养,学校需要有一定的硬件环境,以及师资,如果连学校领导都没有弄清楚做STEM教育的目标,张逸中并不建议这样的学校盲目参与。

    【链接】

    何为STEM

    S代表科学(Science),T代表技术(Technology),E代表工程(Engineering),M代表数学(Mathematics)。STEM教育就是科学、技术、工程、数学的教育。近年来,在国家实力的比较中,获得STEM学位的人数成为一个重要的指标。

    美国作家托马斯·弗里德曼在《世界是平的》中写到,在中国,60%的学士学位是授予科学和工程专业的学生,而在美国,这个数字只有31%。还有统计数据显示,美国生产的科学与工程方面的博士数量的全球份额,正从20世纪70年代高于50%的水平下降到2010年的15%。与此同时,中国、印度、韩国等国家加大在教育、技术和研发方面的投资,这些训练有素的科学与工程队伍正在加强这些国家的竞争力。感受到挑战的美国政府推出STEM计划,不断加大科学、技术、工程和数学领域的教育投入,大力培养学生的科技素养。美国弗吉尼亚理工大学的学者Yakman还提出用STEAM来代替STEM。STEAM中的A(Art)包括美术、语言、人文、形体艺术等含义,即用人文素养补全科学精神的短板。

    此外,虽然中国每年授予的STEM学位的绝对数量已经超过美国,但是西方对中国STEM学位的质量提出很多质疑。这些质疑包括学科领域研究的质量,国家在每一个学位获得者身上的投入,学位持有者的知识更新状况,获得学位者的创新能力,等等。(本报记者 刘博智 董鲁皖龙) 

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