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STEM教育下的通用技术课程教学模式

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发布日期:2018-08-21 09:42

摘要:STEM教育具有跨学科性、协作性、实践性、规范性、艺术性等特征,由此,STEM教育理念下的通用技术课程教学,应以学生为中心,分五个步骤进行:一是设计基于真实问题的教学情境,二是提出问题,三是学生进行探究、协作式学习,四是教师引导学生进行知识建构,五是实践解决问题。

关键词:STEM教育;通用技术课程;教学模型;教学设计

STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)的缩写,是一种融合该四门学科的教育,旨在培养同时具有四门学科知识与能力的复合型人才。通用技术作为一门在高中阶段开设的基础技术性课程,对学生的动手能力与创新思维的锻炼具有重要价值。

一、STEM教育的主要特性

STEM教育的提出,离不开各学科的本质属性以及四门学科融合形成的统一的整体属性,其在研究与实践的过程中会呈现出跨学科性、实践性、协作性、丰富性、规范性等特性。

(一)跨学科性

STEM教育的跨学科性首先体现在形式上,它是由四门学科交叉融合而成的,在理论研究或实践运用时往往会由一个学科跨到另一个或多个学科。STEM教育的跨学科性,要求学习者对科学、技术、工程、数学的知识与能力进行综合把握,培养出具有科学的眼光、严密的逻辑思维、创新的实验设计、有效解决问题的综合性人才。实行分科制度的传统教育,在一定程度上能够使学习者在该领域进行潜心、深入的学习,但这种教育使得学科与学科之间、学科与真实世界之间产生了隔阂,学生具有的这种单一学科的能力,不足以解决复杂多样的实际问题。STEM教育以跨学科融合的理念为指导,使学习者掌握解决问题的多种思维与综合能力,直面和解决复杂多变的真实问题。在这个过程中,学习者可以灵活选取解决问题的学科知识,在解决问题的过程中强化知识应用、加深知识理解。这种跨学科融合的教育方式,满足了学生解决实际问题的需要,而且通过多学科的视角来看待与分析问题,对学生的综合性思维有所锻炼,有利于学生更好地适应未来。

(二)协作性

STEM教育往往会直面真实问题,而真实问题往往是复杂多变、难以解决的。因此,学生与学生、学生与教师、教师与教师之间需要进行有效的协作交流,才能顺利解决此类问题。学生与学生之间分成小组,根据问题在小组内进行资料的收集、整理与分析,提出可行性假设,并进行实验验证;同时对其中面临的难题进行讨论交流,确定有效解决问题的实施方法。STEM教育的协作性,要求学习环境至少包含“协作”和“会话”两个要素,使学生与学生之间形成一种特定的伙伴关系,从而有效地解决问题。教师在学习活动中作为组织者与引导者,主要负责教学活动的设计与疑难问题的解答。学生与教师之间的协作,主要表现在教师与学生共同解决困难问题或教师指导学生解决困难问题。这种协作关系有助于教师掌握学习者的学习情况,促使教师在教学或实践过程中更好地扮演自己的角色,提高教学效益。同时,STEM教育面临的真实问题,依靠单一学科往往不能有效解决,需要不同学科的教师协作互助,不同教师所拥有的丰富的学科知识,使他们在遇到真实问题时,能够较为容易地发现问题实质,并能从不同侧面综合地解决这一问题。

(三)实践性

STEM教育在具体实施过程中,通常采用基于问题解决的方式开展教学活动。基于问题解决的学习方式,要求学习者具有较强的动手实践能力,因此,STEM教育具有实践性的特征。STEM教育中的科学、技术、工程、数学四门学科,均是基于真实问题的学科,强调通过学习获得问题解决能力与创新能力,进而动手实践解决真实问题。在学习过程中,学习者在教师设计的学习环境中,应用所学学科知识进行问题分析、方案设计、知识建构、动手实践等来解决问题。一方面,学习者在参与问题解决的过程中,通过实践获取的不仅是结果性知识,更多的是过程性知识;另一方面,动手实践的机会能让学习者感受到所学知识的实用性,能激发出更为浓厚的学习兴趣。例如PLTW(ProjectLeadTheWay)机构开发的《技术之门》课程,通过向学习者提供“电子魔力”的实践活动,希望学习者了解电子与社会生活的紧密关系。这种通过参与解决真实问题来获取知识的学习方式,使学习者体会到知识与生活的密切联系,对以后的学习具有深远意义。

(四)规范性

STEM教育中所包含的四门学科,均具有严密的逻辑思维与科学规范的特征,因此在进行问题分析、方案设计、假设验证时,要特别注意规范性。在教学过程中,教师要引导学生用科学的眼光审视问题,用科学的实验研究方法分析问题,用科学与数学的严密思维设计假设,用科学与工程的手段验证假设,用规范的工程设计解决问题……这一系列过程,均要在规范的操作下进行,才能帮助学习者认识事物的客观规律与发现问题的本质。学生在掌握了规范性这一特征后,在面对真实问题时,才能有条不紊地按照科学的方法与步骤去解决问题。

(五)艺术性

随着研究的深入,部分研究者在STEM教育中加入“艺术”(Art)学科,提出了STEAM教育,由此看来,STEM教育在其深层次上具有艺术性的特征。STEM教育的艺术性,要求教师在教学过程中不能只用严谨晦涩的语言或材料进行教学,而应在其中穿插一些人文艺术内容,这样不仅能使学生对教学内容产生兴趣,避免课堂的乏味,也能使学生对自然科学了解得更为全面透彻。例如,在进行技术知识的教学过程中,可以适当讲解技术的起源、现状、前景以及一些应用中的案例,以此激发学习者的兴趣,促进学习者将知识与实际问题联系起来。STEM教育的艺术性,除了能促使学生有效解决问题外,还可以在设计的方案、最终的成果等方面提升艺术感与美感,培养学生的审美情趣。

二、STEM教育理念下的通用技术教学模式

通用技术(GeneralTechnology),是指在日常生活中广泛运用,并且对未来的发展具有指导意义和价值的技术,具有基础性强、通用性广泛、价值性高等特点。在普通高中教育阶段,通用技术课程要实现以下目标:一是,关注全体学生的发展,着力提高学生的技术素养;二是,注重学生创造潜能的开发,加强学生实践能力的培养;三是,立足科学、技术、社会的视野,加强人文素养的教育。通用技术课程的教学目标与STEM教育的理念有一定的相似之处,在STEM教育理念的启发下构建了以下教学模式:STEM教育理念下的课堂以学生为中心,在基于真实问题的教学情境中,教师提出具体问题,学生分成小组,运用STEM教育中的学科知识进行探究、协作式学习,学生通过问题分析、资料收集、交流探讨,设计出解决问题的方案。教师在此过程中引导学生完成对知识的建构,最终落实到实践,完成问题的解决。通用技术是一门高度综合的课程,是对学科体系的超越,它强调各学科、各方面知识的联系和综合运用。结合STEM教育的特性及以上教学模式,可将教学过程分为以下五个步骤:①教师根据教学内容联系实际问题,设计出便于学生理解的教学情境;②教师根据教学情境,提出适合学生难度的问题;③学生分成小组,运用STEM教育中的学科知识进行探究、协作式学习;④教师在学生探究与协作学习的过程中给予学生帮助,引导学生进行知识的建构;⑤学生依据解决问题的方案,动手实践以解决问题。根据教学步骤,笔者以广东科技出版社《通用技术》(必修1)技术与设计1第四章中的“自动开关控制电路的制作实践”为例,设计以下教学过程:第一步,设计基于真实问题的教学情境。以生活中的实际问题引入,不仅能激发起学生的学习兴趣,也能使学生认识到知识与生活的紧密联系,进而带着激情进入课堂学习。某某小区的路灯坏了,已知问题位于自动开关控制电路,请同学们设计一个自动开关控制电路,并利用已有材料进行电路板安装,替换出现问题的控制电路,使路灯能正常工作。第二步,教师提出问题。本节内容为“自动开关控制电路的制作与实践”,电路图的设计、电路板的安装与焊接,以及最终实践使路灯按需点亮,是本节课的主要任务。在真实情境中提出问题,能使学生在课堂中充满激情与干劲,带着解决问题的决心开始课程学习。第三步,学生进行探究、协作式学习。学生分成小组,在完成课本知识的学习与资料的收集、整理后,大部分学生对自动开关控制电路有一定了解。在此基础上教师抛出第一个问题:设计出能解决问题的电路图。小组内经过讨论交流能设计出较为简单的电路图,教师对此电路图进行指导并提出优化建议,让学生进一步探究,并且在小组内与小组间进行充分交流,最终设计出所需的电路图。在此基础上,教师抛出第二个问题:依据本组设计的电路图,进行电路板的安装与焊接。学生进一步交流探讨,完成电路板的安装与焊接,电路装好后接上安全电源进行试验。在此环节中,学生在STEM教育理念下进行探究、协作式学习,教师应特别注意避免直接告诉学生应该怎么做,而要引导学生进行思考、探究、讨论,自行解决问题。第四步,教师引导学生进行知识建构。学生进行电路试验,实验现象为:当光线较暗时,光敏电阻阻值变大,继电器吸合,电灯开关接通,灯泡点亮;当光线较强时,光敏电阻阻值减小,继电器释放,电灯开关断开,灯泡熄灭。在此过程中,教师需要引导学生完成对以下知识的建构:硫化镉(CdS)光敏电阻是电路的关键元件,在暗光条件下阻值可达10MΩ,在强光条件下仅为几千Ω;电路中R1选用47kΩ的可调节电阻;工作电压为12V;电路中的二极管是为了保护三极管而设立的;焊接时先焊接二极管和可变电阻器,再焊接三极管和继电器,最后连接光敏电阻和电源线。学生建构的此类知识与生活联系紧密,有利于学生的牢固掌握与解决生活中的实际问题。第五步,实践解决问题。教师将各组同学安装好的电路板,交由路灯维修人员,由路灯维修人员更换坏掉的自动开关控制电路,最终完成问题的解决任务。在发现自己动手解决实际问题后,学生能体会到知识与生活的紧密联系,对所学知识掌握得更为牢固,也会期待下一次的学习。STEM教育注重学生在真实的问题情境下运用跨学科的综合能力来解决问题,知识的情境化与联系性,是当今教育改革的热点,在通用技术课程中运用STEM教育理念,是该门课程教学探索的一种新视角,值得广大一线教师关注。

作者:胡翰林 单位:西华师范大学教育学院

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