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      科學(xué)實(shí)踐社會(huì)學(xué)視角中的美國(guó)STEM全納中學(xué)研究

      2018-11-28 09:43周穎琦王晶瑩
      關(guān)鍵詞:STEM教育

      周穎琦 王晶瑩

      摘 要:文章結(jié)合皮埃爾·布爾迪厄的資本理論,運(yùn)用反思的實(shí)踐邏輯將科學(xué)主體客體化,試圖將學(xué)生的科學(xué)實(shí)踐行動(dòng)理性化。詳細(xì)論證了美國(guó)STEM全納學(xué)校在改造社會(huì)環(huán)境場(chǎng)、構(gòu)建靈活學(xué)習(xí)場(chǎng)域、用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方法引導(dǎo)學(xué)生內(nèi)化科學(xué)慣習(xí)、采用多樣化的評(píng)估方式調(diào)動(dòng)學(xué)生科學(xué)資本方面的措施。通過(guò)芭芭拉(Barbara Means)等人對(duì)美國(guó)北卡羅來(lái)納州全納高中與綜合性高中教學(xué)效果的定量研究對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行分析,結(jié)合中國(guó)國(guó)情提出如下建議:增強(qiáng)學(xué)生對(duì)STEM的興趣,訓(xùn)練自主探究意識(shí);正確引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新;引導(dǎo)學(xué)生正確看待“失敗”。

      關(guān)鍵詞:STEM教育;STEM全納學(xué)校;資本理論;科學(xué)實(shí)踐行動(dòng)

      中圖分類號(hào):G40-01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1673-8454(2018)22-0016-06

      一、美國(guó)STEM的發(fā)展

      STEM教育是美國(guó)近代積極推行的以科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)為主導(dǎo)的教育戰(zhàn)略。1993年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金首次提出“SMET”,即將科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)多學(xué)科融合以加強(qiáng)美國(guó)科學(xué)教育。2007年,美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì) (NSB)在其報(bào)告《國(guó)家行動(dòng)計(jì)劃:應(yīng)對(duì)美國(guó)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育系統(tǒng)的緊急需要》中正式提出“STEM”一詞[1]。

      在此之前,美國(guó)開(kāi)展的STEM教育主要培養(yǎng)對(duì)象是擁有優(yōu)秀科學(xué)資質(zhì)的學(xué)生。由此產(chǎn)生了特別關(guān)注STEM學(xué)科的學(xué)?!猄TEM學(xué)校[2]。最早的STEM學(xué)校被稱為STEM精英學(xué)校(Selective STEM Schools),他們的歷史可以追溯到20世紀(jì)30年代。STEM精英學(xué)校以極高的入學(xué)門檻和嚴(yán)格的學(xué)術(shù)要求著稱。

      然而STEM精英學(xué)校未能“擴(kuò)大在大學(xué)選擇STEM專業(yè)的學(xué)生通道,解決美國(guó)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力及教育平等問(wèn)題”[3],因此在近十年興起了STEM全納學(xué)校(Inclusive STEM Schools)和STEM職業(yè)技術(shù)學(xué)校(Schools with STEM-focused Career and Technical Education)。

      STEM全納學(xué)校的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的STEM才能,而不是挑選出有STEM才能的學(xué)生,使更廣泛的學(xué)生群體接受到STEM教育,讓市民都有一定的科學(xué)素養(yǎng),并擴(kuò)大教育公平性。[3]

      STEM職業(yè)技術(shù)學(xué)校的目的是培養(yǎng)在自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和農(nóng)業(yè)技術(shù)等STEM領(lǐng)域的高素質(zhì)技術(shù)人員,為學(xué)生提供多樣化的STEM職業(yè)發(fā)展道路和高水平的技術(shù)培訓(xùn)。

      2015年,時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)的奧巴馬(Barack Hussein Obama)在演講中呼吁國(guó)家努力創(chuàng)造更多“新一代高中”。之后,美國(guó)教育部與美國(guó)研究學(xué)會(huì)(AIR)合作舉辦了為期1.5天的工作坊,邀請(qǐng)STEM領(lǐng)域的專家和學(xué)科帶頭人分享他們的觀念并對(duì)STEM教育未來(lái)的改革提出建議,形成了頗有指向性和戰(zhàn)略性的《STEM 2026:STEM 教育創(chuàng)新愿景》報(bào)告,自此掀起了STEM教育的熱潮。由于其理念的先進(jìn)性,被中國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)、澳大利亞等國(guó)廣泛學(xué)習(xí)。

      二、皮埃爾·布爾迪厄資本理論

      皮埃爾·布爾迪厄(Pierre Bourdieu)是當(dāng)代法國(guó)最具國(guó)際性影響力的思想大師之一,他的實(shí)踐社會(huì)學(xué)理論探討了場(chǎng)域(Field)和慣習(xí)(Habitus)對(duì)實(shí)踐的結(jié)構(gòu)性引導(dǎo)作用以及資本(Capital)在實(shí)踐過(guò)程中對(duì)場(chǎng)域和慣習(xí)的重構(gòu)過(guò)程。具體到科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中的作用關(guān)系如圖1所示。

      科學(xué)場(chǎng)域指的是科學(xué)領(lǐng)域的內(nèi)部關(guān)系位置所形成的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型,包括科學(xué)行動(dòng)者和科學(xué)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室等所組成的物理空間??茖W(xué)慣習(xí)指的是身處科學(xué)場(chǎng)域特定位置的科學(xué)行動(dòng)者所表現(xiàn)出來(lái)的特性,是一系列歷史關(guān)系在個(gè)體心智層面內(nèi)化的結(jié)果。[4]科學(xué)資本指的是行動(dòng)者所擁有的全部科學(xué)資源,包括與科學(xué)相關(guān)的經(jīng)歷,對(duì)科學(xué)的理解,關(guān)于科學(xué)和如何運(yùn)用科學(xué)的相關(guān)知識(shí),興趣和接觸到從事科學(xué)相關(guān)職業(yè)的人等。科學(xué)資本作為科學(xué)場(chǎng)域里重要的媒介,使行動(dòng)者參與到科學(xué)場(chǎng)域中去。個(gè)體的實(shí)踐行動(dòng)在調(diào)動(dòng)自身科學(xué)資本的同時(shí),也在不斷學(xué)習(xí)補(bǔ)充著自身的科學(xué)資本,從而重構(gòu)科學(xué)場(chǎng)域和科學(xué)慣習(xí)。個(gè)體的行動(dòng)遵循機(jī)會(huì)主義原則,因此學(xué)校所能做的就是為學(xué)生提供良好的科學(xué)場(chǎng)域,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)慣習(xí)以引導(dǎo)學(xué)生保持在STEM領(lǐng)域不斷探索實(shí)踐的熱情。

      美國(guó)現(xiàn)有的三類STEM學(xué)校為擁有不同科學(xué)資本的學(xué)生提供了適合他們的場(chǎng)域,以更好地引導(dǎo)他們形成科學(xué)慣習(xí),讓每位學(xué)生都能樂(lè)于調(diào)度現(xiàn)有的科學(xué)資本并通過(guò)學(xué)習(xí)不斷增加自身科學(xué)資本,成為STEM領(lǐng)域人才。

      三、資本理論下STEM全納中學(xué)的引導(dǎo)措施

      1.改造社會(huì)環(huán)境場(chǎng)

      (1)存在參與缺口的科學(xué)場(chǎng)域

      美國(guó)教育政策專家的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,從事STEM領(lǐng)域的少數(shù)民族裔和女性與美國(guó)的人口構(gòu)成嚴(yán)重不符:美國(guó)歷史上非洲裔居民占美國(guó)總?cè)丝诘?/9以上,但是非洲裔居民從事STEM職業(yè)的人僅為1/20。盡管西班牙裔是美國(guó)人口增長(zhǎng)比率最大的種族,但2013年只有6%的西班牙裔工程師和科學(xué)家。盡管有一半女性有大學(xué)學(xué)歷,在生物和相關(guān)的科學(xué)專業(yè)工作的女性也有近一半,但在STEM領(lǐng)域中女性仍未被很好地代表。尤其是在工程領(lǐng)域只有15%的女性勞動(dòng)力。這些懸殊不僅影響了國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)力,還限制了個(gè)體在工作中的機(jī)會(huì)[5]。

      (2)少數(shù)民族裔和女性低自我效能的科學(xué)慣習(xí)

      存在參與缺口的科學(xué)場(chǎng)域深深地影響著社會(huì)公眾對(duì)少數(shù)民族裔和女性及少數(shù)民族裔和女性對(duì)自己的認(rèn)知。根據(jù)阿爾伯特·班杜拉(Albert Bandura)的社會(huì)認(rèn)知職業(yè)理論(SCCT),職業(yè)的選擇是自我效能、結(jié)果預(yù)期及個(gè)人目標(biāo)在環(huán)境的支持和阻礙下動(dòng)態(tài)作用的結(jié)果。從這種觀念來(lái)看,自我效能(相信將來(lái)在STEM領(lǐng)域中可以成功)、結(jié)果預(yù)期(如果參與STEM,將會(huì)發(fā)生什么)是影響個(gè)體興趣和職業(yè)目標(biāo)的重要因素。斯蒂爾(Claude Steele)等學(xué)者的研究表明固有觀念的威脅使少數(shù)民族裔學(xué)生在潛意識(shí)中認(rèn)為自己不被看好[6]。穆吉塔巴和瑞斯(Mujtaba&Reiss;)UPMAP研究指出由于男性比女性對(duì)于物理特征結(jié)構(gòu)更敏感,比起男性大多數(shù)女性學(xué)生不被教師、家長(zhǎng)或朋友鼓勵(lì)學(xué)習(xí)物理學(xué)。諾拉(Nora)和拉米雷斯(Ramirez)等發(fā)現(xiàn)當(dāng)獲得的成績(jī)比預(yù)期低時(shí),西班牙裔學(xué)生比非西班牙裔白人學(xué)生感到更加沮喪。相同數(shù)學(xué)成就水平的男性學(xué)生比女性表現(xiàn)出更多數(shù)學(xué)自我效能。

      (3)自我效能和參與缺口共同作用下的選課現(xiàn)狀

      根據(jù)美國(guó)教育部民事權(quán)利辦公室(U.S. Department of Education, Office for Civil Rights)2014年對(duì)美國(guó)高中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示:美國(guó)高中非洲裔學(xué)生占16%,但只有8%選擇微積分課程;西班牙裔學(xué)生占21%,選擇微積分課程的只有12%。一些少數(shù)民族裔學(xué)生集中的高中缺少高等課程的開(kāi)設(shè)。幾乎有1/5非洲裔學(xué)生的高中不提供任何AP課程,1/3非洲裔和西班牙裔學(xué)生集中的高中不開(kāi)化學(xué)課程。即使少數(shù)民族裔學(xué)生上的高中提供這些課程,他們也沒(méi)有白人學(xué)生或亞洲男學(xué)生傾向于選擇這些課程。

      (4)社會(huì)環(huán)境下少數(shù)民族裔、女性學(xué)生對(duì)科學(xué)資本的調(diào)度情況

      由于參與缺口和較低的自我效能,少數(shù)民族裔學(xué)生和女性學(xué)生在面對(duì)選擇時(shí)多表現(xiàn)為不愿調(diào)動(dòng)自己的科學(xué)資本。因此即使選擇了課程,他們的成績(jī)也相對(duì)不理想。埃雷拉(Herrera)和烏爾塔多(Hurtado)的研究表明即使非洲裔、西班牙裔和白人學(xué)生對(duì)于在大學(xué)選擇STEM專業(yè)表現(xiàn)出的興趣是一樣的,前兩個(gè)少數(shù)民族裔學(xué)生最終完成學(xué)業(yè)的仍占少數(shù)。少數(shù)民族裔和女性缺乏的科學(xué)資本繼而重構(gòu)了社會(huì)的科學(xué)場(chǎng)域。在STEM領(lǐng)域中缺少優(yōu)秀的少數(shù)民族裔和女性領(lǐng)導(dǎo)者導(dǎo)致惡性循環(huán),如圖2所示,這樣的問(wèn)題亟需解決。

      (5)STEM全納學(xué)校的改善措施和效果

      STEM全納學(xué)校采用以學(xué)生興趣為主、就近入學(xué)的招生原則。在申請(qǐng)學(xué)生人數(shù)大于招收人數(shù)時(shí)會(huì)采取抽簽的方式選擇學(xué)生,有效解決了參與缺口問(wèn)題。調(diào)查顯示北卡羅來(lái)納州STEM全納高中學(xué)生中有62.6%為少數(shù)民族裔學(xué)生(州平均38.9%),德克薩斯州STEM全納高中學(xué)生中有73.4%為少數(shù)民族裔學(xué)生(州平均51.6%)。[5]多樣的文化背景和學(xué)術(shù)水平既是學(xué)校的特色也是挑戰(zhàn)。學(xué)校積極發(fā)揮優(yōu)勢(shì),引導(dǎo)學(xué)生相互學(xué)習(xí),尊重每個(gè)人的文化背景,以實(shí)際行動(dòng)為學(xué)生闡釋“公平”的定義。正如進(jìn)入哈佛大學(xué)的羅伯特(Robert Lue)回憶說(shuō):“我的老師教會(huì)我珍惜這個(gè)多樣性——從同學(xué)廣泛不同的背景中吸取經(jīng)驗(yàn),并思考我能為小組貢獻(xiàn)什么?!痹谶@種公平全納的環(huán)境中,未被充分代表的少數(shù)民族裔學(xué)生和女性學(xué)生的資質(zhì)可以被很好地開(kāi)發(fā),以增強(qiáng)他們的科學(xué)資本,重構(gòu)學(xué)生的認(rèn)知觀念。

      根據(jù)芭芭拉等人對(duì)美國(guó)北卡羅來(lái)納州和德克薩斯州39所STEM全納教育高中和22所綜合性高中畢業(yè)生的縱向調(diào)查,STEM全納學(xué)校學(xué)生在微積分或微積分初步、物理、化學(xué)、工程課程的參與比例均比綜合性高中學(xué)生高且具有統(tǒng)計(jì)意義。也就是說(shuō)如果非洲裔學(xué)生或女性學(xué)生進(jìn)入STEM全納學(xué)校,他們就更容易選擇微積分初步或微積分、物理、化學(xué)這些STEM相關(guān)課程。進(jìn)入STEM全納學(xué)校的非洲裔學(xué)生更有可能選擇至少一門工程課程(見(jiàn)表1)。

      2.創(chuàng)建靈活的學(xué)習(xí)環(huán)境,引導(dǎo)學(xué)生自主探究

      提到教室,多數(shù)人腦海中會(huì)浮現(xiàn)這樣的畫(huà)面:整齊的桌椅,滿是文字的黑板。在這樣的教室中,學(xué)習(xí)的發(fā)生大多是教師傳授、學(xué)生記憶。然而STEM全納中學(xué)努力轉(zhuǎn)變這種被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài),從為學(xué)生提供靈活的學(xué)習(xí)空間開(kāi)始。

      《STEM 2026:STEM 教育創(chuàng)新愿景》中一位撰稿人描述了他在STEM全納高中所看到的教室:這里有長(zhǎng)桌子,在一端有兩臺(tái)電腦,另一端是大型小組工作空間。在房間周圍有6個(gè)壁式投影儀可以用筆記本電腦或?qū)W生的手機(jī)控制。這個(gè)空間被有意設(shè)計(jì)得空曠而簡(jiǎn)單,吸引學(xué)生參與。學(xué)生不會(huì)感覺(jué)這個(gè)空間是貴重的,他們可以把空間搞亂,移動(dòng)?xùn)|西,甚至放松娛樂(lè)。所有東西——包括長(zhǎng)凳、白板、計(jì)算機(jī)和工作臺(tái)都是有輪子的。桌子可以單獨(dú)使用或拼接在一起進(jìn)行小組活動(dòng)。教室提供充足的電力和隨處可見(jiàn)的插座,可用于靈活的設(shè)施放置。[7]

      在這種教室中,學(xué)生會(huì)十分自然地設(shè)計(jì)自己所需的工作空間并很快投入到探索的海洋中去,充分調(diào)動(dòng)已有知識(shí)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的檢驗(yàn)證明,盡管為學(xué)生們提供方向性的指導(dǎo)會(huì)讓他們更快地學(xué)到知識(shí),但當(dāng)學(xué)生還被允許探索學(xué)習(xí)內(nèi)容時(shí),他們額外的技能也會(huì)被提升,如創(chuàng)造性和問(wèn)題解決能力。[7]這種能力會(huì)幫助學(xué)生結(jié)合進(jìn)一步學(xué)習(xí)所需重構(gòu)科學(xué)場(chǎng)域和科學(xué)慣習(xí),形成良性循環(huán),如圖3所示。

      值得說(shuō)明的是,科學(xué)新手在形成個(gè)體科學(xué)慣習(xí)前,首先需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力將理論化形態(tài)的知識(shí)、程序、慣例等內(nèi)化成為個(gè)體心智素質(zhì)的一部分,最終形成個(gè)體的科學(xué)慣習(xí)[4]。因此STEM全納學(xué)校在允許學(xué)生進(jìn)行自主探究的課程前嚴(yán)格規(guī)定了先修課程條件。比如學(xué)生首先必須達(dá)到一定的代數(shù)基礎(chǔ)和技能水平,知道學(xué)習(xí)是如何發(fā)展的才可以自行發(fā)展與其他學(xué)科結(jié)合的學(xué)習(xí)活動(dòng)。正如《STEM 2026:STEM 教育創(chuàng)新愿景》中描述的:僅僅依靠自主探究的方法學(xué)習(xí)可能會(huì)限制青年運(yùn)用可行、科學(xué)的方法去探索科學(xué)的機(jī)會(huì)。這也許將成為學(xué)生探究道路上的一塊不必要的絆腳石,直到學(xué)生在一個(gè)適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中學(xué)習(xí)了相關(guān)知識(shí)[7]。

      在這種靈活的學(xué)習(xí)環(huán)境下,STEM全納高中學(xué)生在高等數(shù)學(xué)、高等科學(xué)、STEM活動(dòng)和校外非正式STEM活動(dòng)參與數(shù)量上均明顯高于綜合性高中且具有統(tǒng)計(jì)意義(見(jiàn)表2)。女性學(xué)生和非洲裔學(xué)生在高等數(shù)學(xué)、高等科學(xué)以及課外STEM活動(dòng)中的參與度提高尤其明顯。大量研究表明,高中所學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)和科學(xué)課程水平對(duì)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)STEM專業(yè)有很高的預(yù)測(cè)作用。參加某一課程(如微積分)或被置于或高或低的STEM課程路徑中都對(duì)學(xué)生相信自己有STEM領(lǐng)域職業(yè)的能力有顯著影響并可以延續(xù)下去。一旦學(xué)生有了對(duì)于自己能力和可能性的信心,他們就會(huì)產(chǎn)生一種STEM特質(zhì):一種他們有能力克服STEM課程學(xué)習(xí)中的困難,并愿意接受挑戰(zhàn)的心理特質(zhì)。[5]因此,我們有理由認(rèn)為STEM全納學(xué)校提供的這種學(xué)習(xí)環(huán)境可以促進(jìn)STEM人才的發(fā)展和保留。

      3.運(yùn)用基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方法,踐行以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)模式

      STEM全納高中基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)具體表現(xiàn)為提倡游戲?qū)W習(xí)、嘗試解決生活中的實(shí)際問(wèn)題和積極運(yùn)用新技術(shù)輔助學(xué)習(xí)。

      (1)游戲?qū)W習(xí)在STEM全納學(xué)校的運(yùn)用及內(nèi)化效果

      STEM教育中最好的資源就是孩子們的好奇心。正如一位《STEM 2026:STEM 教育創(chuàng)新愿景》撰稿人所說(shuō):“孩子們天生具有好奇心,這將會(huì)成為驅(qū)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī),即使再意志堅(jiān)定的科學(xué)家也不敵此動(dòng)機(jī)?!痹S多以學(xué)習(xí)為目的的游戲因此被開(kāi)發(fā)。例如在一款在線蛋白質(zhì)折疊游戲中,挑戰(zhàn)者在一個(gè)游戲競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境中將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行折疊以實(shí)現(xiàn)最有效的蛋白質(zhì)折疊方法。通過(guò)STEM主題游戲,學(xué)生的設(shè)計(jì)欲望被激活,并刺激形成一種對(duì)STEM的好奇心。對(duì)游戲的低戒備心讓所有學(xué)生都開(kāi)始對(duì)話題感興趣并積極投入到探索和研究中去。

      游戲過(guò)程還可以激發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維。學(xué)生會(huì)主動(dòng)嘗試不同的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),來(lái)探索不同結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的特征。學(xué)生也許還會(huì)一邊試著想出最有效的折疊蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法,一邊思考如何在現(xiàn)實(shí)醫(yī)藥學(xué)和分子生物學(xué)中應(yīng)用這些富有創(chuàng)造性的貢獻(xiàn)。這些游戲活動(dòng)是有規(guī)則的,但是允許在一定程度上破壞或延伸這些規(guī)則,鼓勵(lì)學(xué)生涉足和嘗試新鮮事物。為教育設(shè)計(jì)的游戲不僅可以讓學(xué)生看到學(xué)習(xí)內(nèi)容之間的相關(guān)性,還會(huì)使他們開(kāi)始將自己當(dāng)作積極而成功的學(xué)習(xí)者。[7]

      在游戲的過(guò)程中,失敗被認(rèn)為是達(dá)到成功所必經(jīng)的路徑。即使失敗了也并不會(huì)因此受到批評(píng)或者被認(rèn)為能力不足。挫折或失敗會(huì)被看作是游戲挑戰(zhàn)過(guò)程的一部分,是對(duì)學(xué)生用另一種方法再次嘗試的刺激。堅(jiān)持不懈的嘗試培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)術(shù)韌性,是克服困難繼續(xù)保留在STEM管道中的重要品質(zhì)。

      (2)真實(shí)的生活問(wèn)題在STEM全納學(xué)校的運(yùn)用及內(nèi)化效果

      STEM全納學(xué)校倡導(dǎo)讓學(xué)生明白所學(xué)知識(shí)的用處,鼓勵(lì)通過(guò)嘗試解決真實(shí)問(wèn)題而進(jìn)行的課堂教學(xué)。如數(shù)學(xué)課也許會(huì)基于某公司為產(chǎn)品所定價(jià)格計(jì)算盈虧。生物課會(huì)在實(shí)驗(yàn)室中討論為什么有不同的卷發(fā)類型或直發(fā),以此學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)和線粒體DNA的問(wèn)題。這樣的課堂活動(dòng)促進(jìn)了學(xué)生以更深入的視角看待信息而不是僅僅套用內(nèi)容。真實(shí)的生活問(wèn)題還可能包括保護(hù)水資源或改善水質(zhì);更好地了解人類的頭腦以便提出預(yù)防、處理和治療腦損傷的新方法;解決基礎(chǔ)設(shè)施老化問(wèn)題;將利用太陽(yáng)能的價(jià)格變得更有競(jìng)爭(zhēng)力等。解決這些現(xiàn)實(shí)生活中亟需解決的問(wèn)題可以幫助學(xué)生更好地理解STEM與生活的相關(guān)性,看到STEM在提高生活質(zhì)量方面的價(jià)值。

      嘗試解決這些問(wèn)題只是為學(xué)生提供一個(gè)可獲得的介入機(jī)會(huì)。事實(shí)上解決問(wèn)題并不是學(xué)習(xí)的目的。真正的目標(biāo)是通過(guò)交互學(xué)科的思考方式、小組合作的形式努力去思考解決辦法的過(guò)程。在思考這些問(wèn)題的同時(shí),學(xué)生會(huì)將所學(xué)科學(xué)知識(shí)內(nèi)化為一種責(zé)任,運(yùn)用自己所學(xué)為社會(huì)發(fā)展作出貢獻(xiàn)的使命感。

      如果學(xué)生的研究項(xiàng)目可以在真實(shí)世界中得以實(shí)現(xiàn),將會(huì)極大地支持他們?cè)赟TEM道路上繼續(xù)前行。例如美國(guó)田納西州Chattanooga STEM全納學(xué)校與當(dāng)?shù)匾患译娏υO(shè)備與通訊公司合作,請(qǐng)學(xué)生為櫥窗裝飾設(shè)計(jì)一個(gè)方案原型。九個(gè)星期以后,學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)出了各種巧妙的裝置原型,真的獲得了公司的資助在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)了他們的創(chuàng)意。

      (3)先進(jìn)技術(shù)在STEM全納學(xué)校的運(yùn)用及內(nèi)化效果

      STEM全納中學(xué)充分理解STEM在信息技術(shù)領(lǐng)域扮演的重要角色,并將虛擬現(xiàn)實(shí)、3D打印等新技術(shù)充分應(yīng)用于課堂中,幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)。

      例如,EcoMUVE 和 EcoMOBILE是一個(gè)基于課程的互補(bǔ)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件。通過(guò)教師的指導(dǎo),使中學(xué)生通過(guò)EcoMUVE進(jìn)入一個(gè)生動(dòng)復(fù)雜的科學(xué)環(huán)境,如魚(yú)在池塘中生活的計(jì)算機(jī)環(huán)境。運(yùn)用EcoMOBILE技術(shù),學(xué)生可以使用移動(dòng)技術(shù)在學(xué)習(xí)設(shè)備中增強(qiáng)學(xué)生的觀察。例如,兩位學(xué)生可以用一個(gè)與探針連接的手持牌去探測(cè)學(xué)校附近的池塘耗氧量。在課堂中,由學(xué)生組成的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)中每位成員都扮演一個(gè)明確的角色:有的是水質(zhì)專家,有的是博物學(xué)家。學(xué)生們首先在教室中確定自己的角色,然后在虛擬的池塘生態(tài)系統(tǒng)中練習(xí)相應(yīng)的技能。例如,博物學(xué)家在虛擬場(chǎng)景學(xué)習(xí)池塘中的生物體,水質(zhì)專家在虛擬池塘中測(cè)量水中各種化學(xué)物質(zhì)的含量。然后學(xué)生們可以到真實(shí)的池塘中運(yùn)用已熟練掌握的技能實(shí)地考察。最后學(xué)生們互相分享他們?cè)诓煌慕巧袑W(xué)到了什么,討論收集的數(shù)據(jù),共同了解池塘環(huán)境。[7]

      再比如運(yùn)用3D打印技術(shù)輔助學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)。學(xué)生可以通過(guò)3D打印技術(shù)制造一些廉價(jià)的、可以檢查和觸摸的模型,如三維恐龍模型、人類器官橫切面圖等。這種制造工具鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行小組合作,運(yùn)用所學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新,培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考的能力。

      (4)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)下的深度學(xué)習(xí)

      個(gè)體的學(xué)習(xí)過(guò)程需要給予充分的時(shí)間以使他們通過(guò)自組織將適當(dāng)?shù)闹R(shí)和固有的認(rèn)知相結(jié)合,并嘗試在新的情景中對(duì)已有知識(shí)加以有效運(yùn)用。在這個(gè)過(guò)程中就需要有意識(shí)地放慢學(xué)習(xí)速度,加強(qiáng)個(gè)人反思。教育者還認(rèn)識(shí)到當(dāng)年輕人能將他們的全部所知在各種地方運(yùn)用起來(lái)的時(shí)候他們通常就會(huì)成功。“但是他們?cè)谝粋€(gè)空間中學(xué)到的知識(shí)很少在另一個(gè)地方被想起來(lái)或運(yùn)用”。STEM全納高中的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)正嘗試在不同的情景下調(diào)動(dòng)學(xué)生的已有知識(shí),從而實(shí)現(xiàn)深度的學(xué)習(xí),形成良性循環(huán),如圖4所示。

      (5)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的效果

      芭芭拉等人的縱向調(diào)查顯示北卡羅來(lái)納州STEM全納學(xué)校的12年級(jí)學(xué)生比綜合性高中12年級(jí)學(xué)生表現(xiàn)出更高的數(shù)學(xué)和科學(xué)特質(zhì),即自己和別人都認(rèn)為自己擅長(zhǎng)數(shù)學(xué)(或科學(xué)),其中女性和非洲裔學(xué)生差異也十分明顯(見(jiàn)表3)。在對(duì)學(xué)生在課堂中表現(xiàn)為堅(jiān)持不懈的行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn):STEM全納學(xué)校的學(xué)生在遇到數(shù)學(xué)和科學(xué)的困難時(shí)會(huì)表現(xiàn)得更加堅(jiān)持不懈,其中全體學(xué)生和女性學(xué)生的統(tǒng)計(jì)尤其具有統(tǒng)計(jì)意義。這表明STEM全納學(xué)校的教學(xué)方法有助于使學(xué)生堅(jiān)持學(xué)習(xí)STEM相關(guān)科目,更高的STEM方面學(xué)科特質(zhì)有利于學(xué)生未來(lái)進(jìn)入大學(xué)STEM專業(yè)。

      4.及時(shí)、多樣的評(píng)估反饋機(jī)制為學(xué)生提供個(gè)性化發(fā)展平臺(tái)

      基于STEM全納學(xué)校的招生策略,學(xué)生成績(jī)水平差異性巨大,如何滿足所有學(xué)生的學(xué)習(xí)需求成為STEM全納學(xué)校所面臨的巨大挑戰(zhàn)。因此STEM全納學(xué)校致力于為每位學(xué)生構(gòu)建自己的個(gè)性化科學(xué)場(chǎng)域,推動(dòng)學(xué)生實(shí)現(xiàn)自我導(dǎo)向的學(xué)習(xí)。

      (1)實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)的運(yùn)用

      STEM全納學(xué)校積極嘗試運(yùn)用實(shí)時(shí)反饋評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行輔助教學(xué)。教師僅通過(guò)后臺(tái)檢測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,當(dāng)發(fā)現(xiàn)學(xué)生遇到困難時(shí)及時(shí)出面進(jìn)行引導(dǎo)。例如“智能輔導(dǎo)系統(tǒng)”是以現(xiàn)實(shí)中人類助教的行為和指導(dǎo)為原型設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),其區(qū)別于其他計(jì)算機(jī)半自動(dòng)指導(dǎo)工具的地方在于它是為解釋復(fù)雜的學(xué)生反應(yīng)而設(shè)計(jì)的,并在運(yùn)行過(guò)程中不斷學(xué)習(xí),調(diào)整和適應(yīng)自己的行為以便與學(xué)生更有效地互動(dòng),幫助他們堅(jiān)持學(xué)習(xí)和理解有難度的內(nèi)容——尤其是當(dāng)學(xué)生努力想要學(xué)習(xí)和理解關(guān)鍵概念時(shí)。這些輔導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)與學(xué)生互動(dòng)建立個(gè)性化的學(xué)生檔案,不僅可以評(píng)估學(xué)生的熟練程度,還可以診斷學(xué)生的問(wèn)題類型和為什么學(xué)生會(huì)有此問(wèn)題。

      美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)一項(xiàng)兩年的研究將這種認(rèn)知輔導(dǎo)軟件運(yùn)用到7個(gè)州的《代數(shù)1》課程中,發(fā)現(xiàn)參與應(yīng)用此軟件的學(xué)生平均每年學(xué)到了兩倍的知識(shí),那些有學(xué)習(xí)和行為困難的學(xué)生成績(jī)提高尤為明顯。

      (2)多樣化的評(píng)估方式

      不是所有的認(rèn)知過(guò)程都是線性的。很多有創(chuàng)造性的學(xué)生因?yàn)樵诨诔煽?jī)的評(píng)估中表現(xiàn)平平或欠佳而被埋沒(méi)。因此,STEM全納學(xué)校尤其注重整合更多全面的學(xué)習(xí)測(cè)量方法,更深入地評(píng)價(jià)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中獲得的多樣化技能和知識(shí)。通過(guò)這種不僅僅關(guān)注知識(shí)熟練度的評(píng)價(jià)機(jī)制,可以建立學(xué)生對(duì)STEM領(lǐng)域的認(rèn)同感,能更好地培養(yǎng)青年心智的成熟。多樣的評(píng)估方法使學(xué)生更容易認(rèn)為他們的數(shù)學(xué)和科學(xué)教師對(duì)他們有高標(biāo)準(zhǔn)的要求并相信他們可以達(dá)到要求。

      (3)基于評(píng)估反饋機(jī)制下的不斷學(xué)習(xí)

      通過(guò)多樣化的評(píng)估方式和實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng),每位學(xué)生都會(huì)感到學(xué)習(xí)是可以通過(guò)不斷挑戰(zhàn)自我完成的,在保持興趣的基礎(chǔ)上不斷調(diào)動(dòng)已有知識(shí)獲得新的提升,實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的良性循環(huán),如圖5所示。

      四、對(duì)我國(guó)STEM教育的啟示

      美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)包雷教授指出,中美對(duì)于STEM課程的出發(fā)點(diǎn)是不同的。美國(guó)的STEM課程體系致力于培養(yǎng)新時(shí)代美國(guó)本土的科技人才和工程師。而中國(guó)教育缺少的則是對(duì)于探究、創(chuàng)新和運(yùn)用整合知識(shí)方面能力的訓(xùn)練。因此我們不應(yīng)將美國(guó)的理論完全照搬,而應(yīng)當(dāng)結(jié)合我國(guó)國(guó)情進(jìn)行有側(cè)重的學(xué)習(xí)和借鑒。

      筆者針對(duì)中國(guó)的STEM教育特色提出如下建議:

      1.增強(qiáng)學(xué)生對(duì)STEM的興趣,訓(xùn)練自主探究意識(shí)

      學(xué)??梢罁?jù)學(xué)生的水平和興趣,積極與企業(yè)、博物館合作,為學(xué)生提供豐富多樣的學(xué)習(xí)環(huán)境,鼓勵(lì)學(xué)生在不同環(huán)境下學(xué)以致用開(kāi)展探究活動(dòng)。現(xiàn)在許多學(xué)校致力于開(kāi)發(fā)機(jī)器人、3D打印項(xiàng)目等,但其實(shí)很多學(xué)生只是在完成課堂上教師布置的電路板任務(wù),而沒(méi)有真正理解STEM課程對(duì)于知識(shí)整合運(yùn)用和發(fā)展個(gè)性創(chuàng)造力的課程目標(biāo)。這是我們不太愿意看到的[8]。

      2.正確引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新

      教育部在《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見(jiàn)(征求意見(jiàn)稿)》中明確提出學(xué)習(xí)者需要具有較強(qiáng)的信息意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)?!禨TEM 2026:STEM 教育創(chuàng)新愿景》報(bào)告中研究表明運(yùn)用技術(shù)創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、建造、探索和合作的學(xué)生比那些僅消極地將技術(shù)應(yīng)用為媒體的學(xué)生對(duì)技術(shù)的應(yīng)用會(huì)在教育方面收益更多[7]。因此,學(xué)校應(yīng)致力于為學(xué)生提供參與科學(xué)活動(dòng)的機(jī)會(huì)和資源,即良好的科學(xué)場(chǎng)域。引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)自組織將掌握的科學(xué)技術(shù),如iPad、3D打印技術(shù)等在教師的引導(dǎo)下形成用來(lái)探究科學(xué)問(wèn)題的科學(xué)慣習(xí),而不僅僅作為一種娛樂(lè)設(shè)備。

      3.引導(dǎo)學(xué)生正確看待“失敗”

      在我們的教育系統(tǒng)中,“錯(cuò)誤”的概念經(jīng)常帶有強(qiáng)烈的消極色彩。師生間對(duì)失敗的恐懼導(dǎo)致大部分學(xué)生快速學(xué)會(huì)了懼怕和逃避失敗。但“這種天生的對(duì)失敗的低容忍度阻礙了我們?nèi)〉谜_創(chuàng)新的潛力”。教師應(yīng)認(rèn)識(shí)到在研究中,失敗的嘗試是一個(gè)很好的加強(qiáng)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。通過(guò)失敗新的問(wèn)題被提出,開(kāi)啟了確定為什么一個(gè)技術(shù)、結(jié)構(gòu)或創(chuàng)新不可用的新調(diào)查。學(xué)生可以重新審視什么是熟悉的,什么是不清楚的,承擔(dān)嘗試使用新方法解決復(fù)雜問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。教師需要具備有效評(píng)估學(xué)生對(duì)科學(xué)現(xiàn)象的察覺(jué)力,與他們共同探究和延伸這種察覺(jué)力,而不是像他們做錯(cuò)了一樣駁回他們。

      參考文獻(xiàn):

      [1]楊華平.美國(guó)哈莫尼公立學(xué)校STEM教學(xué)模式(STEM-SOS model)研究[D].成都:四川師范大學(xué),2017.

      [2]朱珂,馮冬雪,楊冰等. STEM教育戰(zhàn)略規(guī)劃的指標(biāo)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)策略——基于美國(guó)北卡羅來(lái)納州STEM教育戰(zhàn)略規(guī)劃的啟示[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2017,35(5):75-83.

      [3]周蕾,趙中建.美國(guó)實(shí)施STEM教育的學(xué)校類型研究[J].外國(guó)中小學(xué)教育,2017(12):9-17.

      [4]劉崇俊.科學(xué)社會(huì)研究的“實(shí)踐轉(zhuǎn)向”——布爾迪厄的科學(xué)實(shí)踐社會(huì)學(xué)理論初探[J].科學(xué)學(xué)研究,2012,30(11):1607-1613.

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      [6]GD Borman,J Pyne. What if Coleman had known about stereotype threat? How social-psychological theory can help mitigate educational inequality[J]. Rsf Russell Sage Foundation Journal of the Social Sciences,2016,2(5):164-185.

      [7]STEM 2026:A Vision for Innovation in STEM Education[DB/OL].https://innovation.ed.gov/what-we-do/stem/.

      [8]趙興龍,許林.STEM教育的五大爭(zhēng)議及回應(yīng)[J].中國(guó)電化教育,2016(10): 62-65.

      (編輯:李曉萍)

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