在课堂中整合工程与科学

在课堂中整合工程与科学
ISBN: 
978-7-5428-6214-3/G·3523
出版日期: 
2015-12
开本: 
16开
页码: 
216
定价(元): 
52.00
作者: 
埃里克·布伦塞尔
译者: 
周雅明等
  

目录

引言………………………………………………………… 1

第一部分工程设计…………………………………… 5

1. 工程设计流程………………………………………… 6

2. 科学与工程

——实验室研究的两种模式……………………………… 9

3. 利用循环模型寻找解决方案

——学生运用四步循环模型解决当地的问题……………… 15

4. 建立模型

——更好地理解工程中成本与安全的重要性……………… 22

5. 微型雪橇,冲,冲,冲!

——运用工程项目教幼儿园学童进行技术设计…………… 31

6. 科学与工程…………………………………………… 38

7. 初级设计挑战

——学生模仿美国宇航局的工程师……………………… 45

第二部分学科活动………………………………… 51

生命与环境科学

8. 修复股骨骨折

——生物材料科学示范课……………………………… 52

9. 抓住窍门!

——中学课堂上的一项工程挑战……………………… 60

10. 问题导向型学习中的合作

——鼓励学生思考有关基因治疗的开放性问题………… 68

11. 环境中的塑料

——“拼图式”学习活动………………………………… 75

12. 大自然的设计

——探索线性和循环的生命周期……………………… 84

13. 运动型多用途车

——从热力学角度思辨燃料经济性的标准……………… 90

地球科学

14. 设计挑战:为英语学习者奠基

——英语学习者通过语言和行为表达………………… 100

15. 拯救企鹅

——通过工程设计讲授热学………………………… 106

16. 震动、摇晃,最好别塌

——地震和建筑设计探究…………………………… 118

自然科学

17. 重力赛车…………………………………… 124

18. 鸡蛋赛车…………………………………… 130

19. 工程学习总动员

——帮助学生成功完成设计流程的策略……………… 134

20. 呼吁驾驶燃料电池汽车……………………… 140

21. 《星球大战》背后的科学

——整合技术和《科学素养的基准》中的要求………… 144

22.“弹入”技术设计……………………………… 150

23. 土豆难题

——开展“5E 活动”来消除对隔热保温的误解………… 155

24. 纳米视野…………………………………… 161

25. 小物体,大作用……………………………… 163

第三部分课外项目……………………… 175

26. 激发科学学习兴趣

——一个实用的课外项目模式……………………… 176

27. 发明工厂

——帮助特需人群的发明…………………………… 182

28. 年轻女性“未来工程”………………………… 189

29. 面向初中生的INEEL 科学工程展会…………… 193

30. 工程学课堂………………………………… 198

内容提要

前言

        最近,英国国际权威科学期刊《自然》(Nature)与美国权威科普期刊《科学美国人》(ScientificAmerican)合作,在2015 年7 月15 日出版的《自然》期刊上集中推出几篇从幼儿园到大学的“科学、技术、工程和数学”(STEM)方面的文章,并配以非常醒目的封面图片、名为“培育21世纪的科学家”的封面文章和名为“一种教育”的期刊社论,系统审视了全球STEM 教育的挑战和希望。美国连接在校教育和职业生涯的期刊《技术》(Techniques)在2015 年3 月出版了STEM 专题(STEM Issue),指出:当STEM 教育的重要性和价值已经成为教育改革和经济发展的主要部分(a major part)时,STEM 教育就成为“今天的创新,明天的成功”。同样,由美国督导和课程开发协会主办的著名教育期刊《教育领导》(Educational Leadership)在2015 年1 月出版了题为《全民STEM》(STEM for All)的专题。这一切确切地传递着这样的信息:现在是关注和重视STEM 教育的时候了!

        早在近30 年前的1986 年,美国国家科学基金会(NSF)就发布了名为《科学、数学和工程本科生教育》的报告,强调要“加强大学教育并追求卓越,以使美国下一代成为世界科学和技术领导者”,并就此向各州、学术机构、私营部门和作为联邦机构的国家科学基金会提出诸多建设性建议。这或许是最早提出STEM 教育的一份重要文献(最初的英文缩写为SME&T)。国家科学基金会在1996 年对美国大学科学、数学、工程和技术教育的十年进展进行回顾和总结,发表了名为《塑造未来:科学、数学、工程和技术的本科生教育新期望》的报告,针对新的形势和问题,对学校、地方政府、工商界等提出明确的政策建议,包括要大力“培养K—12 教育系统中科学、数学、工程和技术学科的师资队伍”。2007 年10 月3 日,国家科学基金会又发布了名为《国家行动计划:应对美国科学、技术、工程和数学教育体系的重大需求》的报告(以下简称《国家行动计划》),针对面临的两项主要挑战,提出两个方面的措施:一是要求增强国家层面对K—12 阶段和本科阶段的STEM 教育的主导作用,在横向和纵向上进行协调;二是要提高教师的水平和增加相应的研究投入。而10 月3 日这一天正是苏联第一颗人造卫星上天50 周年纪念日。此时发表《国家行动计划》的目的,就是要向美国朝野警示:50 年前的威胁今天正以另外一种形式出现,美国必须时刻不忘加强对学生的STEM 教育。

        这里还须提及的一份重要文献,是美国总统科技顾问委员会于2010 年向美国总统提交的名为《培养与激励:为美国的未来实施K—12年级科学、技术、工程和数学教育》的报告。该报告的如下表述充分显示了STEM 教育对于美国的战略意义和积极价值,这在一定程度上也显示出STEM 教育的普遍价值:“STEM 教育将决定美国未来能否成为世界领袖,能否解决如能源、卫生、环境保护和国家安全等诸多领域的巨大挑战。STEM教育将有助于培养国际市场竞争所需要的能干且灵活的劳动力。STEM教育将确保美国社会继续做出基础性发现并提升我们对我们自身、我们的星球和宇宙的理解。STEM教育将造就科学家、技术专家、工程师和数学家,他们将提出新的思想,制造新的产品并创造出21世纪的全新产业。STEM教育将为每一个个体提供技术技能和计算素养,为获取足够生活的薪水及为他们自身、他们的家庭和社区作出决定所必需。”STEM 是科学、技术、工程和数学(Science, Technology, Engineering and Mathematics)的英文单词首字母的缩写。我们可以这样来认识STEM:首先,STEM 是分科的,它代表着科学、技术、工程和数学四门独立的学科领域;其次,STEM 又是整合的,这或许是今天强调和重视STEM时最为看重的;再次,STEM 还是延伸和扩展的。

        就分科而言,这里以美国中小学各科标准为例予以说明。最早是美国全国数学教师理事会(NCTM)在1989 年公布其《美国学校数学课程与评价标准》,而后又在2000 年公布了新版标准《学校数学的原则和标准》。隶属于美国国家科学院的国家研究委员会会(NRC)在1996 年发布了美国第一份《全国科学教育标准》,且在2013 年再次公布了标志着美国新一轮科学教育改革的新标准,即《下一代科学标准》(NGSS)。此次新科学标准第一次将工程和技术教育单独列出并加入到科学教育的标准中,且非常注重跨学科学习和实践参与,“旨在帮助实现科学和工程领域的教育愿景”。2000 年4 月,美国国际技术教育协会及其下属的“面向全体美国人的技术项目”隆重推出《技术素养标准:技术学习之内容》的全国性中小学技术教育标准。此外,美国国家科学院于2009 年发布了由国家工程院和国家研究委员会组成之“K—12 年级工程教育委员会”提出的研究报告《K—12 教育中的工程:理解现状和改进未来》,并提出中小学实施工程教育的三项原则和七条政策建议,其中的建议七提出:“国家科学基金会和美国教育部应该支持研究‘STEM 素养’的特征和界说。研究者应该不仅要思考科学、技术、工程和数学的核心知识,还要思考连接这四个学科领域的大概念(bigideas)。”这是我们理解科学、技术、工程和数学作为各自相对独立的学科的基础。

        作为集成战略的STEM 教育并不局限于四门各自独立的学科,而是更关注其“整合”的意义和价值。这正如美国瓦利市州立大学(Valley City State University)的STEM 教育中心官网在解释“什么是STEM 教育”时所说:STEM“超越其首字母缩写所意味的,它远不止于科学、技术、工程和数学”,“STEM 教育是关于学生参与的学习,是基于项目的学习,它运用科学探究过程和工程设计过程,是跨学科的,是关于积极学习的,是关于合作与团队工作的,是关于解决实际问题的,它连接抽象知识与学生的生活,整合过程和内容……”。美国“项目引路”(ProjectLead The Way, PLTW)机构的观点更明确了STEM 教育的整合特点及其现实意义:STEM 教育课程计划旨在使学生参与以活动、项目和问题解决为基础的学习,它提供了一种动手做的课堂体验。学生在应用所学到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。

        美国国家科学院出版社于2014 年出版的《K—12 年级STEM 整合教育:现状、前景和研究议程》,对理解STEM 教育的整合有了更为全面的认识,认为“STEM 整合教育远不是单独的、定义明确的经验,它包括一系列不同的体验,涉及一定程度的联系。这些体验可能发生在一个或几个课时内,贯穿整个课程,体现在单一学科或整个学校中,包含于校外活动中”;认为通过对STEM 整合方案的研究获得如下三点重要启示:整合必须明确,支持学生学习单个学科的知识,整合并不一定越多越好。同样,从目前发展的情况看,STEM 教育本身也在不断扩展和延伸。首先,STEM 教育发端于美国,但现在已经不断地出现在其他国家的教育改革中。如英国教育与技能部早在2006 年就发布过《科学、技术、工程和数学计划报告》(The Science, Technology, Engineering and Mathematics Programme Report),英国“代表教育之科学团体”(SCORE)机构在2010 年发布了一份三次专业发展活动的总结报告《STEM 提供者的变革性课程》(The Changing Curriculum for STEM Providers);2013 年全球STEMx 教育大会的专题中涉及的国家有芬兰、澳大利亚、新西兰、赞比亚等;此外,还有“美洲国家组织对拉丁美洲与加勒比地区STEMx教育的支持”的专题。

        其次,STEM 教育本身也在扩大。如全球STEMx 教育大会名称中STEM 后的x 就是最明显的扩大,这里的“x”代表着计算机科学、计算思维、调查研究、创造与革新、全球沟通、协助及其他不断涌现的21 世纪所需的知识与技能,“其他不断涌现的”表示出一种极大的“包容性”。此次大会专题中还多次出现STEAM,如“以STEAM 为支撑的高尔夫课程”“从STEM 向STEAM 进发”“STEAM 设计”;又如2013 年8 月,中国第一届中小学STEAM 教育创新论坛在浙江温州中学举办;以STEAM 模型为中心的技术教育课程设计正成为当前韩国技术教育发展的最新动向。

        STEAM 中的“A”即艺术(Arts)。

        再次,STEM 教育的实施正在越来越多地与教育信息与通信技术(ICT)结合,而后者的引入为STEM 教育的实施提供了更为丰富的方式和途径。美国科学与技术研究联盟(ASTRA)于2013 年7—11 月连续发布了《2013 教育技术》报告,对教育技术革命及其对教育领域的影响进行了全面的阐述,认为“教育技术革命正在为学生创造出更为有效的学习方式,让他们理解学习如何与‘真实世界’相联系,并向他们提供有助于其更为彻底、深入地进行学习所必需的工具”。“教育技术正在变革着K—12 教育的面貌。随着教育技术延伸至课堂,学生不再是信息的被动接受者。当学生已经拥有智能手机或iPad 时,很少有人能够静静地坐在课桌后面。”当STEM 教育与迅速发展中的教育信息与通信技术相联系时,它所带来的教育效果或许难以预料,但其前景却令人十分期待。

        最后,STEM 教育从最初关注或集中于高等教育,到逐步下移至中小学教育乃至幼儿园活动,从国家竞争力人才的培养扩展至学习方式的变革。尽管从比较研究的角度看,STEM 教育在世界其他国家的出现和实施已经为时不短,且越来越显现其引人注目的积极方面,但它在我国教育研究界和中小学一线的出现只是最近几年的事情。2012 年第4 期《上海教育·环球教育时讯》曾开辟STEM 教育专栏,刊登有“STEM:美国教育战略的重中之重”等若干篇文章,这是我国教育类杂志第一次较为集中地介绍STEM 教育,而由中国科协青少年科技中心翻译、科学普及出版社于2013 年出版的《STEM 项目学生研究手册》,或许是我国第一本有关STEM 教育的译著。我国中小学新课程改革至今已有10 多年的发展历史,且已取得相当的成就并获得诸多有益的经验,但在如何延续或深化这一课程改革,尤其在学校教育如何注重培养学生的批判性思维和问题解决能力(或者说21 世纪基本素养或技能)等方面,国际的经验或许可以为我们提供某些方面的借鉴。为了使我们能够充分了解世界其他国家尤其是美国在中小学课程改革和发展中实施STEM 教育的现状,从中获得某些有益的经验,我们策划出版“中小学STEM 教育”丛书,其中既有翻译著作,包括美国国家科学教师协会出版社(NSTA Press)于2012 年出版的《在课堂中整合工程与科学》、英国劳特里奇出版社(Routledge Press)于2013 年出版的《设计、制作、游戏:培养下一代的STEM 创新者》及荷兰Sense 出版社(Sense Publishers)于2013 年出版的《基于项目的STEM 学习:一种整合科学、技术、工程和数学的学习方式》等3 本译著;也包括由丛书主编赵中建教授负责选编或撰写的《美国STEM 教育政策进展》和《美国中小学STEM教育研究》2 本著作;同时计划出版出自我国一线学校的相关著作。

 

        华东师范大学 课程与教学研究所国际与比较教育研究所 赵中建

        2015 年8 月25 日

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