stem教育教学设计

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stem教育教学设计 篇1

蒋雄超

1986年，在《本科的科学、数学和工程教育》的报告中，美国国家科学基金会（NSF）首次明确提出“科学、数学、工程和技术教育集成”的纲领性建议。STEM教育逐步进入各国课堂，受到人们的关注和重视。

2017年，中国教育科学研究院发布了《中国STEM教育白皮书》，指出“STEM教育应该纳入国家创新型人才培养战略，是跨学科、跨学段的连贯课程群，是面向所有学生培养综合素质的载体”。

2018年12月，美国政府又颁布了STEM教育“北极星”计划，旨在通过科学、技术、工程和数学教育建立一支强大的人才创新队伍。由此可见，STEM教育作为一种教学思想和策略，已成为培养创新人才的重大举措。

一、STEM教育的现状与存在的问题

尽管STEM教育的意义如此重大，但在当前的STEM教育中，教师通常以演绎的方式安排任务，根据内容设计教学活动，关注活动形式的多样化，导致学生学习内容过于宽泛，知识间缺少有机联系，学习体验华而不实。这都偏离了STEM教育的本质。

（一）重活动，轻知识

STEM教育强调综合运用跨学科、多学科知识以解决现实中的问题，培养学生的创新精神和实践能力。它的本质是用形象、生动的方式，强化多学科、跨学科知识的学习。

然而，对STEM教育的认识偏差，使其呈现活动导向的误区。教师热衷追求多样化的活动，营造活跃的课堂气氛，并没有真正理解STEM教育在培养学生掌握知识与技能并灵活应用方面的作用，忽视学生对问题现象的思考和质疑以及在探究中培养掌握相应知识与方法的能力。

（二）重模仿，轻创新

STEM教育强调实践，是对已有实践导向、创新导向的各类教育样式的继承与发展，如设计、发明、制作等。学生由此获得更多的动手的机会，但它的重点不是让学生掌握某项技能，而是在亲身体验中获取对知识的深层次理解，在此基础上开展创意创新。

但很多时候，这种“做中学”容易异化成手工课，缺少与学习内容相关联的内涵知识分解，让学生被范例牵着走，STEM学习探究仅停留于技能培养与模仿层面，创新能力的培养价值被弱化。

二、基于逆向设计的STEM教育实施框架

STEM教育强调过程的模糊性与结果的明确性，强调多学科融合的实践探究，注重创新精神和实践能力的培养，而传统的授课方式并不能满足学生在STEM教育活动中的体验。因此，借鉴逆向设计理念，开展基于逆向设计的STEM教育，为学生内化知识行为，实现深度理解

STEM教育理念基础上对所学内容进行思辨和创新，为学生有效地将知识与技能用于解决实际问题提供了思路。

基于逆向设计的STEM教育以想要的结果为起点，根据所要求的学习证据和用以协助学生学习的教学活动来达成目标。它的实施框架主要包括明确预期的学习结果、确定达到预期效果的评定证据和安排相关的教学活动三个方面。

（一）明确预期的学习结果

预期的学习结果，即学生在完成STEM学习后应该知道什么，能够做什么，涉及的哪些内容需要深入理解。因此，在基于逆向设计的STEM教育中，教师要对STEM教育主题和学生学情进行分析，明确活动中学生应该知道的知识、具备的技能、值得探究的内容概念等，然后确定符合学生发展的目标。这一环节是逆向设计的关键，具有导向性作用。

（二）确定达到预期效果的评定证据

评定证据是确定学生达到预期学习结果的评价标准和依据，是基于逆向设计的STEM教育的重要特点。这一评估环节在了解学生反馈的基础上能够进一步指导后续教学，确保教学活动与学习目标相匹配，并使教师的教与学生的学以预期的学习结果为中心。总的来说，它要以兴趣激发、问题识别、实践操作、问题解决、合作交流等作为评价维度，为教师开展有效的STEM教育提供证据。

（三）安排相关的教学活动

明确结果和合适的评估证据后，教师设计和安排教学活动，选择相应的教学策略和方法。通过引导性问题，让学生找寻问题本质，获得真正理解且利用跨学科知识解决问题的能力，培养学生在不同情境中灵活应对问题的能力。

例如，采用基于问题的探究学习、基于项目的问题解决学习等方式，确保学生所学的是主要概念和原理，而不仅仅是孤立的知识。

三、基于逆向设计的STEM教育学习样态

基于逆向设计的STEM教育实施框架，在具体学习环节中，通过先行明确教学目标、评价标准和评价方式，再逆推教学活动设计，抓住关键问题并挖掘学科核心概念和知识，最终促进STEM教育学习目标的达成。

（一）明确达成目标

在基于逆向设计的STEM教育初始，教师要从学生的立场出发，让学生明确需要达到的目标、期望完成的任务、所学内容的价值等，并视情况安排检测学生学情。

例如，在“投石机”的目标设置中，外层表示学生应当熟悉的内容，不需深入探讨，只需大概了解；中间层表示学生应掌握的必备知识（概念、原理）和技能（过程、策略和方法），是学生达成目标的前提；内层则表示学生应深入理解的内容，是学习的核心（如图1）。

（二）激发学习意愿

STEM教育往往由真实问题来驱动，问题是基于逆向设计的STEM教育的关键。目标确立后，教师应在教学活动中充分利用和主题密切相关的核心问题或真实情境任务激发学生的学习意愿，引导学生主动思考，提高参与度。

例如，“投石机”一课中，播放投石机攻城的视频之后，教师通过问题判断学生对什么是投石机是否有了大概的认识；随后开展实物观察，了解构成投石机的各部分及它们的作用，建立初步的设计观念；最后，利用材料尝试搭建结构，在稳定性、弹性、韧性、杠杆撬动等任务体验中，体会投石机整体与部分的关系，激发学生深入探究的热情。

（三）深化探究主题

一个优秀的STEM教育活动，体现的是学生像科学家一样思考，像工程师一样解决问题，主动发表见解、观点，在逐步探究中深化对知识的理解。因而，教师在基于逆向设计的STEM教育中，需要思考帮助学生更好掌握基本知识、探究核心问题、优化学习表现的方法。

无论采用哪种方法，其设计都应以教学目标为依据，根据教学目标设置评价任务，预期学生应有表现开展教学，教学目标、评价任务、预期表现和教学活动的每一点都是对应的。如此，学习才能成为发现证据的过程，评价嵌入学习过程，不断促进目标的达成。表1是“投石机”一课中确定达到预期效果的评定证据和教学活动。

表1

“投石机”中确定达到预期效果的评定证据和教学活动

（四）反思学习过程

STEM教育强调学习过程中知识的累积和技能的获得。因此，基于逆向设计的STEM教育反思，重点在于对学习活动过程的检测和诊断。当完成STEM学习后，教师需要为学生提供反思和再思考的机会，利用反思进一步改善学生的学习并系统梳理知识。

一是过程的反思，如自身参与活动的积极性、小组间的合作交流、归纳整个证据收集过程和数据分析过程的方法等；

二是结果的反思，如作品的质量、设计要求的达成、问题解决的方法等。

在对过程与结果反思的基础上，教师指导学生通过撰写报告、反思日志等方式，总结成败得失，提升个体经验，并根据同伴及教师提出的反馈和建议改进，获取更好的问题解决方式，培养问题发现能力。

（五）展评学习所得

评价是教学设计中必不可少的环节。明确的评估标准和反馈，可以帮助教师根据学生学习情况调整教学设计，使学生更加明确学习目标，改进不足。

以教学目标为依据，采用良好的量规评价，是优化教学设计提高基于逆向设计的STEM教育效果的重要举措。它主要包括对学生表现进行评价的指标、评分等级及评分描述等内容。表2是“投石机”一课的量规评价。

表2

“投石机”一课的量规评价

STEM教育的开展，顺应当今快速发展的社会对人才的需求，是提升国家实力的重要途径。采用逆向设计的STEM教育，改变了提出问题、实践操作、评价交流的传统STEM教育模式，在“以终为始”理念的指引下，实现“教、学、评”一体化，为学生真正理解和运用知识，达成问题解决能力和创造力的培养目标提供了载体，也为教师切实开展STEM教育提供了有效支持，助力实现STEM教育效果的最优化。

注：本文系浙江省教育科学规划2018研究课题“创客教育：基于设计性学习的‘双轨共进’模式创生研究”（课题编号：2018SC162）阶段性研究成果。

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中、美课程标准中STEM教育的体现

在NGSS中有大量篇幅体现了STEM教育, 如专门对科学、技术和工程的概念进行了辨析;将工程设计、相关数学、STSE (科学、技术、社会、环境) 分别作为独立的章节, 与学科核心知识等内容并列陈述;对不同学段 (幼儿园至2年级、3~5年级、6~8年级、9~12年级) 的学生提出不同水平的具体目标。以工程设计为例, NGSS对6~8年级和9~12年级学生的要求如表1所示。

我国在初中阶段设有科学综合课程, 但大部分地区实施的是分科物理课程, 高中阶段科学领域的课程标准则都是分学科制定的, 可以说, 我国的物理课程以分科课程为主。初、高中的物理课程标准尽管没有明确提出对工程的要求, 但都从STS的角度对“关心科学技术”给予了重视。在高中物理课程模块中, 选修二系列侧重于从技术应用的角度展示物理学, 强调物理学与技术的结合, 着重体现物理学的应用性和实践性。

物理教材中STEM教育的体现

下面以在美国较为流行的初中科学教材《科学探索者》为例, 分析其中STEM教育的元素。《科学探索者》重视科学领域内部学科的综合、重视科学与相关数学知识的整合、重视知识应用和技术、重视学生的工程设计活动。例如, 在“运动、力与能量”分册中, 就有以下内容体现出STEM教育整合思想 (见表2) 。

《科学探索者》中安排了很多学生的设计制作活动, 以渗透工程方面的教育。例如, “功与机械”这一章的学生活动“制作起重机模型”, 要求“把至少两种以上的简单机械组合成一辆能把质量600克的罐头举高5cm的起重机模型”, 同时要求“和同学集体讨论起重机模型的各种不同的设计方案, 看哪些材料可以用来制造起重机模型”。通过应用已学物理知识制作起重机模型, 学生初步经历了界定工程问题、设计解决方案、优化解决方案的工程设计过程。

在我国的物理教材中, 注重介绍物理知识的技术应用, 渗透STS教育。以侧重于物理学技术应用的选修二系列的人教版高中教材为例, 该教材一些章节的内容完全是技术应用, 如选修2-2第二章“材料与结构”、第三章“机械与传动装置”等。但是, 该教材中对技术的介绍是从理论应用的角度出发的, 而几乎没有让学生亲自体验实践、完成工程或技术项目的活动。

相比而言, 我国的物理教材更重视学科内部逻辑体系和从理论的角度谈技术应用。在技术和工程方面, 让学生亲自制作、自主设计的活动很少。这样的设置仍然使学生从理论知识的角度来看待技术和工程, 而难以自觉主动地应用技术和从工程的角度思考并解决问题。

物理教学中的STEM教育

1.在物理教学中应用技术

现代信息技术在物理教育中已经得到广泛应用。例如, 使用计算机及相关软件、传感器、移动设备、网络等辅助物理教学。使用计算机和传感器进行物理实验, 既能够提高实验精度, 又可给学生以实时反馈, 提高教学效率, 在日常教学中已经大大普及。

比起教师在讲台上通过技术设备进行演示, 学生亲自使用技术设备学习物理 (包括进行实验) 的过程更有助于他们体会物理和技术的关系和培养他们自觉应用技术的意识。例如:在物理探究活动中通过网络搜集信息、展开自学;在处理实验数据时利用Excel软件;等等。又例如:一些智能手机和平板电脑只要安装相应软件, 就可以测量加速度、磁感应强度;使用手机或平板电脑上的摄像头录像, 再通过软件分析录像中物体的运动规律[3]……这样的例子还有很多。随着智能手机和平板电脑等便携式移动设备越来越普及, 学生可以利用这些技术随时随地展开物理实验和探究。

2.在物理教学中有意识地渗透工程和技术教育

比较NGSS和我国物理课程标准, NGSS不仅要求学生了解技术、利用技术学习物理, 还要求学生亲自参与工程设计和应用技术, 并在实践、体验的过程中对工程和技术形成一定水平的认识;我国目前仍主要是从知识应用的角度了解技术和利用技术为物理教学服务, 重点放在理论知识的学习上, 而忽视对技术应用和工程设计本身的体验和深入学习。

物理和技术、工程有密不可分的联系。在物理教学中, 只要潜心挖掘, 利用现有的教学资源, 就可以开发出让学生既能体验工程设计和技术应用的过程, 又能加深对物理内容理解的学生活动, 体现STEM教育的整合思想。举一个简单的例子:在初中学完温度相关内容后, 布置作业给学生, 让他们在几周内完成课题“自制液体温度计”。如果想在较长时间内比较准确地测量出温度高低, 学生需要克服各种困难, 解决实际遇到的问题, 如“使用哪些身边容易获得的物品进行制作”、“如何使玻璃泡和细管的连接处不漏气”、“如何避免温度计中液体蒸发”、“怎样给温度计标上刻度”等。最后比较不同学生制作的温度计, 讨论谁的温度计材料易得、成本较低且测量较准确。经历了自制温度计的过程, 学生不仅对工程设计和技术应用有了初步的实际体验, 对温度计的原理、摄氏温标, 甚至气压等相关物理知识的理解也会更加深刻。

中学生毕业后无论进入大学深造还是步入社会就职, 都应该不仅仅能够进行理论方面的推演和探究, 还有能力实际动手操作、发现并主动应用知识和技术解决遇到的现实问题。在国际科学教育领域, 重视学科间的联系与整合、培养学生的科学技术素养也是主流观点。由此看来, 在物理教育中体现STEM教育是未来的发展方向, 值得认真思考和研究。在我国主要为分科物理课程的大背景下, 如何借鉴国际上已有的资源, 开发适合我国的教育资源, 在物理教育中有意识地渗透STEM教育, 需要同仁们的努力探索。

参考文献

[1]NRC.The Next Generation Science Standards[EB/OL].[2013-6].http://www.nextgenscience.org/nextgeneration-science-standards.

[2]Padilla, M.J.主编, 胡跃明、曹增节译.科学探索者——运动、力与能量分册[M].杭州:浙江教育出版社, 2010.

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此外，该法要求在国家科学基金会的奖学金项目中增加对数学、科学教师的培训及研究支持，并加强对社会机构开展STEM教育的研究，进一步探索如何加强校外STEM教学。这将有利于鼓励博物馆、科普中心等机构提供更多非正式的科学教育项目。

有关分析人士认为，此前有倡议者建议将STEM改为STEAM或STREAM，即将艺术（Arts）和宗教教育（Religious Education）置于与科学、技术、工程和数学同等重要的位置，此次法案的通过预示着联邦政府即使在未来扩大重点发展的学科范围，也可能继续保留对于STEM的写法。

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一 从中美STEM教育说起

早在上世纪90年代克林顿任美国总统的时期，就多次在公开致辞里表达了对STEM教育的重视。美国人有一个普遍认识，一个国家综合实力取决于创新能 力，而创新能力取决于新生劳动力创新水平，新生劳动力是指从幼儿园到大学年龄段的人群。而新生劳动力是否能够具备创新能力和水平，取决于这个国家在科学（S）、技术（T）、工程（E）、数学（M）四大门类学科的教育水平。之后历届美国政府无一例外地都表达了对STEM教育的支持。在2015财政，奥 巴马政府的财政预算中就包含投向STEM领域的“培养下第一代创新者“的1.7亿美金。

这里插播个段子：据说为了了解中国高速发展的原因，美国派了一个专家团到中国调研STEM教育发展情况；中国听说美国在大力提倡STEM教育，也向美国派出了一支考察团，彼此了解一下对方的STEM教育状况。

中国团的考察结果是：NB！美国的科技教育领先中国太多了，因为美国学生从小学甚至更早就开始进行动手实操。

美国考察团也很紧张，因为他们发现：卧槽？中国60%到70%的大学生的专业竟然都集中在STEM四大领域。

现在问题来了，虽然两国都很重视STEM教育，在两国，STEM教育又有何不同？（顺便说一句，后来市场又在STEM的基础上加入了A即arts（艺术），变成了STEAM）1 STEM概念引进中国

在中国，真正意义上的科技教育（科学教育及技术教育）2000年后才开始逐渐成型。首先是一些民间科普教育机构零星出现，但这些机构多以传播科学知识为主，对动手实操并没有太重视。

而体制内开始了解美国的STEM概念则是在10年后，2010年中国市场上引进STEM概念的主要是两家主打拼插积木产品的公司，一家是主攻公立学校采购的智慧天下，一家是大名鼎鼎的乐高，当时乐高主要做的是课外培训市场的生意。

跟科学知识普及不同，STEM的概念不仅意味着对科学现象和科学知识的系统的认知，更强调动手和实操，因为技术教育是一种探究性教育。2 重视程度和教研条件差距相当大

前面那个段子并非空穴来风，它的确真实地反映了中美两国STEM教育发展的差异。在中国，STEM教育主要是放在高等教育阶段进行，更注重理论及认 知的培养；而美国则注重从小在生活中、深入骨髓地对学生进行方法论、实操方面的培育。除了年龄段之外，科学教育和技术教育内容在学习过程中的占比中美也正 好相反。

从课程内容和授课形式上，STEM教育在中国的雏形是劳技课„„呃，劳！技！课！中国K12学校专门的科技教育类的功能室使用率有多高，上课过程是 否有意思，这些问题在应试教育的背景下其实是不值一提的。而近十年中国提倡在K12教育中引入科技教育内容，现在不少幼儿园已开了科学课，小学也有信息技 术机器人和科学课，初中有机器人的课程，高中则有通用技术课和综合实践课程，的确进步不小哦。

美国又是怎么上课的呢？以小学的一堂建构课程为例，中国用的是塑料积木，美国则用大沙盘，还有微缩的小砖块，自己可以调配水泥，学生得通过了解建筑 的结构和稳定性，最后完成微缩房屋景观的构建。在美国的STEM教育中贯穿着一个理念，就是大量地把真实世界的工业产品微缩化进入到课堂教育和家庭教育 中，微型机床之类的设备并不罕见。二 中国STEM教育的问题和机会 1 STEM教育问题在哪

（1）升学考试压力导致课内不重实操。

在中国教育体系里，科技教育做得不够，根本问题在于升学考试制度的压力。进入初中和高中的孩子没有太多时间上动手课程，通用技术等课程虽然都已经进 行了十年了，但是几乎在中国各个省通用技术实验室的利用率都非常低。因为不是高考考试的主要科目，很多学校为了完成教学计划，老师用三分之一的时间把理论 课讲完，大量动手实操是不被鼓励的。而恰恰通用技术课是以实践为主、理论为辅的。虽然每年对初高中的科技教育政府的采购挺多，但如果现有考试升学不发生变 化，动手实操课程的发展还是有瓶颈的。（2）低龄学生家长对科技教育态度好转，但又不纯粹，孩子中学后选择放弃。

中国家长对科技教育的态度也有所改观，但现在还是矛盾心态。最早，家长们只有很少的比例愿意让孩子在科技教育方面花精力，但绝大多数还是热衷于升学 考试培训。慢慢地，年轻一代的家长肯定了科技教育的价值，开始在小学阶段培养孩子的科技素养，但等孩子小学毕业，科技教育就又几乎被放弃掉了。2 STEM教育的机会在哪

（1）“减负”要求为STEM开了条缝

这个状况当前的确有所转变，政府开始提倡幼儿园和小学愉快教学，减轻教学负担，很多城市的小升初压力也在减轻，小学阶段的孩子可以“玩科技”的时间 变多了。有数据表明，在中国参加科技教育的黄金年龄层次是5岁到12岁，也就是幼儿园中班到小学五年级，从市场情况看，这一年龄段的孩子最愿意参与学习的 三大领域的依次是艺术、科学和体育。机会看点：

脑补一下：以科技教育为代表的素质教育在政府层面得到支持。以北京为例，2014年1月份，北京市教委正式发文，将在全市范围推行“中小学生课外活 动计划”。北京各区县、学校可在星期一至星期五15:30至17:00的课外时间安排学生活动，每周不少于3天，每天不低于1小时。通过课外活动计划，让中小学生逐步掌握至少两项体育技能，体育、艺术、科技等方面的兴趣和素养得到进一步培养。

而且，上述通知提出：按照“政府主导、社会支持、学校组织、学生自愿”的原则，提倡通过政府“购买社会服务”的形式，开展体育、文艺、科普等形式多样的社团活动。（2）“创客”概念拉动STEM教育，现有创客人才素质和国外相比差太多，政府和市场都意识到了。“创客”概念在中国的发展以及人才问题也催生了创客教育市场。近两年“创客”这个词很火，北上广以及许多城市都出现了不少创客组织，但口号喊了很 久，绝大多数创客组织都还在玩公益、设计、想法、市场活动，却没有能实现产业化和商业化，这也与国内创客教育、科技教育理念和水平有关。在美国，“创客” 这个概念强调从虚拟变成现实的过程，从一开始就以商业化为目的，而不是凭空幻想，要真实地把产品做出来，对生活和经济产生影响。机会看点

接触创业者最多的资本界也做出了不同反应。在美国，资本对民间创客教育或者是所谓的课外科技教育的青睐度不如中国，这是因为美国的公立学校教育体系 健全、理念也先进，校内教学活动就可以满足学生学习和动手能力，市场对科技教育培训的需求并不是太强烈。在美国，创客教育类的企业，更多的是做产品、做体 验，而不是做培训。美国资本追逐的创客项目多为技术研发和应用研发，而不是创客教育本身。

对于中国创业者的好消息是，由于STEM教育基础薄弱，在中国，创客教育、科技教育可以成为一个大产业的重要分支。这两年，乐博乐博、鲨鱼公园、寓乐湾、萝卜太辣科技一批教育科技公司先后获得投资。三 中国创业者怎么玩STEM教育 1 看看大的思路（1）市场怎么分割的？

我们可以把科技教育分为校内和校外两块。校内教育又分为课内和课外两部分，像在北京，中小学下午三点半放学后，学生可在校园里自主选择、免费参加各种兴趣活动，这就是校内课外学习。校外则可分为机构培训模式和家庭亲子教育。机会看点

“校内”、“校外”、“课内”、“课外”，这是STEM市场的切入细节。不懂这个概念，不要谈玩STEM教育。知道了这些概念，也就可以开始思考体制内、体制外分别怎么玩，哪里存在机会。

（2）先研究公立校为啥没做好？

国内公校的校内科技教育为什么没做好？大概有五个方面原因。A资金问题，很多学校没有美国那样好的教学条件。

B我国体制内教育思想根深蒂固，这是“重认知轻实践”的指导思想因素。

C师资问题，绝大多数K12学校没有专门做创客类教育的老师，有的学校虽有科技辅导员，但在学校的地位是边缘化的，而语文、体育、音乐老师临时被调配兼做科技辅导员的情况也屡见不鲜。

D中国师范类大学很少有科技教育方面的专业。

E体制内科技教育研发水平较弱，包括课程研发以及教学工具、设备的研发。机会看点

公立学校科技教育在课程、产品、师资、研发这几方面的缺失，给了民营教育很大机会。这几个核心点，创业者如果一个都没做好，恐怕悬。2 看看政府采购

现在，政府和民间创业团队都在推动科技教育。属于体制内的课内市场，课程涉及科技教育的部分，往往是政府采购教学器材，限制比较多，资金结算期也比较长。但第二课堂的校内课外部分，很多城市的政府已有明文规定鼓励采购社会教学产品和服务。

仅以北京为例，北京市教育委员会在“关于在义务教育阶段推行中小学生课外活动计划的通知”明确规定“市财政按照义务教育阶段实际在校生人数，城区生 均每年400元，远郊区县生均每年500元标准将经费拨至各区县，由区县统筹安排使用„„经费使用主要用于学生体育、艺术、科技等活动。包括外聘教师费 用、场地租用费、低值易耗品购置费，以及购买社会服务产生的费用等。”截至2014年底，北京义务教育阶段在校学生为112.8万人，北京市每年用于科 技、体育艺术的校内培训经费达5亿。3 看看纯市场的模式

校外的部分，不少培训机构也发现了科技教育的商机，与不断涌现的科技教育类机构合作办学或加盟合作。

目前中国科技教育市场的玩家大概有拼插式机器人教育领域的乐博乐博、好小子机器人、RobotC乐博士、乐高等，以及科普教育领域的鲨鱼公园、小牛 顿等，还有创客及科技创新教育机构寓乐湾、萝卜太辣等。寓乐湾、乐博乐博、鲨鱼公园、萝卜太辣科技等教育科技公司也先后得到了投资。

现在大多数的竞争就主要集中在校外的社会培训方面。这其中，以拼插式积木为主要内容的机器人教育机构基本都以开门店和加盟为主营模式，目前市场已经呈现出红海的趋势。而真正做体制内科技创新教育生意的比较少。4 总结下国内STEM教育主流商业模式 主流的商业模式有三种。

A 做校内课内生意，向学校卖器材，基本不涉及教研。

B 做校内课外的生意，向学校输出课程、教材器材以及师资，或与学校分账。同时运行这三种模式的寓乐湾，在与公立学校的合作办学上，据说经营效果还不错。

C 90%的机构都通过开门店“直营+加盟”的方式在扩张，向门店卖课程器材并收取加盟费，以乐博乐博、鲨鱼公园为代表。

除了这三种模式之外，还有一些创新模式。例如寓乐湾通过校外合作办学的“轻运营”模式，并不收取品牌加盟费，目前其扩张速度惊人。同时，寓乐湾与新东方在线酷学网建立创客教育频道，即将上线几十部“小创客微电影”。四未来挑战和症结所在 1 创新和科研是最大挑战

国内创客教育刚刚兴起，年销售收入能有几千万量级只有寓乐湾、乐博乐博、小牛顿、乐高、博识教育几家，可以说市场增量依旧存在。跑马圈地虽然热闹，但未来将拉开差距的是创新和科研，这也是创客教育市场最大的挑战。

在中国抄袭疯狂的环境里，很容易出现代工厂与创客教育公司停止合作后仿制产品向贩卖的情况，而加盟门店也容易在学会课程教法后自立门户，另寻渠道自行采购器材，但缺失教研能力、教材东拼西凑对学生是极大的伤害。

对于这种风险，除了把控好代工环节外，创客教育机构只能通过不断创新、更新教材，引进优秀的教研人才、寻找“外脑”，不断研发出与时俱进、技术含量 更高、更易被学生认可的课程和设备器材，同时形成一套自己的方法论。像寓乐湾教研团队与东南大学出版社合作已正式出版了中国第一套完整的青少年科技及创客 教材。

让学校、学生、家长认可，能实现学生的成就感，激发创造力，这是最关键的。2其他挑战

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● STEM教育与机器人教育

1.STEM教育

STEM教育理念是当前国际上颇有影响力的教育思想之一，这一理念强调科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四个领域的交叉融合与运用。在STEM教育中，科学素养是重点，是为学生将来进一步从事科学研究打基础的；技术素养和工程素养则是在实际的社会分工中普遍体现的，它以明显的应用特点为科学研究提供工具和思路；数学素养是STEM教育的基础，技术深入、工程论证、科学推理和建模都需要数学作为基础。[1]

2.简易机器人教育

作为高中通用技术课程的选修模块，“简易机器人制作”课程的开设成为当前中学进行素质教育的突破口。有些高中甚至面向全体学生开设机器人课程，让机器人教育进入课堂，进入每位学生的生活学习中。这一活动的综合性以及知识技术应用领域的广泛性，为培养学生的动手能力、逻辑思维能力、分析和解决问题的能力、合作能力等提供了良好的平台。

3.STEM与机器人教育的整合

STEM教育建立在集成其他学科知识，并融合成一个新的整体框架的基础上，它把这一整体的最佳结合点展现在学生面前，这也正体现了当前机器人教育的诉求。

STEM理念下的机器人教学充分体现了学科的综合性、实践性，其核心价值在于对学生创造思维以及实践能力的培养（如图1）。而这种价值的成功与否，关键在于课程体系中教学设计、教学模式和教学方法是否具备创新性。

● STEM理念下的简易机器人教学活动设计

STEM理念下的简易机器人教学需要放在“活动”的结构中来实施课程。而依据传统教学模式开展的机器人教学则很少考虑“活动”在整个教学过程中发挥的作用。美国国际技术教育协会提出了STEM取向的课程架构，以工程问题解决为主轴，再辅以技术（设计）、数学与科学相关知识，发展专题导向的教学模式，以培养学生科学知识整合的能力并激发学生学习工程的兴趣。它利用工程设计的方法把课程中需要学生掌握的科学知识和方法集合成具体的项目，通过解决核心问题的活动使学生经历科学探究以及工程设计的过程，给学生呈现的课程任务是一个需要执行产生最终产品的一项或多项任务，产品可以是一个问题的解决方案、一个模型或者一个成型的设备，而项目活动的高潮则是一个口头或者书面形式的产品展示以及具体的活动过程介绍。[2]

基于这一理念，结合简易机器人教学的实际需求，在整个活动过程中，教师始终以系统问题解决为中心，通过任务驱动，在创设的情境中明确目标，通过活动的实施与评价，实现系统问题的解决，STEM理念下的简易机器人教学活动设计如图2所示。需要特别说明的是，在情境创设过程中必须要明确学习目标，学习目标既是教学活动的起始点，也是教学活动的最终落脚点，是对学生参与学习活动后，在认知知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观领域获得成长的预期，同时目标的设计也要能体现学生对STEM理念学习的强调。例如，在使用超声波传感器进行感应接力的实际应用中，关于超声波传感器的工作原理和程序编写过程中涉及的分支结构均属于知识范畴，且前者属于感知科学范畴，后者属于编程技术领域。具体的设计过程将通过“机器人接力赛”的教学案例进行分析。

● “机器人接力赛”教学案例

STEM理念下的简易机器人教学，采用项目教学法实施教学，硬件采用Lego mindstorms NXT教育机器人套件以及配套的可视化编程软件。学生在学习本项目前已经对乐高构建有了一定的经验，熟悉了编程软件的基本操作，并有了使用传感器的经验。教师可以将班级中的48名学生分成16个小组，每个小组3名学生，4个小组作为一个团队参加比赛。

1.活动主题：机器人接力赛

2.活动目标（如右上表）

3.活动设计

“机器人接力赛”的任务将由4台机器完成，学生自主设计不同角色的机器人，共同完成机器人接力，场地如图3所示，1号机器人从起点出发，到达2号接力点时，1号机器人停止，2号机器人前进，依次类推，最后4号机器人在终点处投放物体。

机器人活动的项目设计作用在于从活动理论的角度去考虑机器人教学活动如何建构。总体而言，活动设计包括活动内容和活动流程设计两部分：活动内容的设计包括对任务、规则、分工以及工具等的设计；活动流程则是对具体活动完成序列的规定，该序列有助于活动实施过程的有序组织。

4.活动实施

（1）情境设计（10分钟）。研究阶段实际为对问题的深入理解和界定。教师在该阶段引导学生关注运动途中的巡线问题以及接力过程的感应，给出模拟流水接力的问题情境，将学生带入问题。学生通过《机器人接力赛任务说明》以及实体场地获得对该任务的深入理解，以团队讨论的方式梳理解决问题的关键点以及可能的解决方案。同时，教师讲解关键知识点，如光电传感器的原理及基本的使用方法等。

（2）活动计划（10分钟）。对问题解决的过程进行规划，包括明确定义问题、对问题解决进行任务的拆解和分工、时间规划、资料的收集和整理等。这一阶段的重要工作是由小组合作转变为团队合作，不同小组之间要讨论不同角色的机器人结构特点以及感应前一个或后一个机器人的方式。

（3）结构设计与调试（60分钟）。按照任务要求搭建机器人并编写程序代码，其中包括对相关知识点的学习过程以及传感器的应用。将载入程序的机器人放入实体场地进行调试，对方案中结构搭建或程序编写方面存在的不足进行实时修正。

（4）比赛总结（10分钟）。即任务完成情况的展示和项目管理过程的报告及讲演，以团队为单位演示机器人在实体场地中完成接力任务的全过程，并对团队合作过程进行口头报告。

机器人课程在培养学生的STEM素养方面具有独特的优势，在机器人教育中体现STEM理念也将是未来教育的发展方向。如何更好地在具体的课程中实施这一理念，是值得广大机器人教育者认真思考与研究的问题。

参考文献：

stem课程发言稿 篇6

2016年教育部出台的《教育信息化“十三五”规划”》中明确指出有效利用信息技术推进“众创空间”建设，探索STEM教育、创客教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识，养成数字化学习习惯，具备重视信息安全、遵守信息社会伦理道德与法律法规的素养。小学

科学问题本就源于自然，源于某一现象的问题，如“为什么杯子里的热水会变凉？”工程学则源于需要解决的某个难题，例如“怎样让房子更保暖？”这两个貌似不相同的问题，其本质却都是热学中能量的传递问题。当教学围绕这个本质展开时，就有了一条隐形的线索，将科学和工程问题有效地结合在一起。可见，STEM的教学并不是简单地将科学与工程组合起来，而是要把学生学习到的零碎的知识与机械过程转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程。

stem

在科学、技术、工程、数学之间存在着一种相互支撑、相互补充、共同发展的关系。如果要了解它们，尤其是它们之间的关系，就不能独立其中任何一个部分，只有在交互中，在相互的碰撞中，才能实现深层次的学习、理解性学习，也才能真正培养儿童各个方面的技能和认识。

可见，当教师在考虑如何将STEM教育引入中小学科学课堂时，必须将它们看作4种彩线，交织在一起，融合在一起，才能织出绚丽的画卷。

美国一项最新研究表明，如果父母经常和孩子沟通数学和科技的相关信息，会在潜移默化中帮助孩子提高学习竞争力和对此类职业的兴趣。

这个研究于2017年1月17日发表在《美国国家科学学术发展》。

其研究显示，提供给父母“如何有效传达STEM重要性”的方法后，他们孩子在数学和科学ACT的成绩上升了12%，而且孩子会对STEM职业产生兴趣，同时会大学里选修STEM课程。

建立一个强大的STEM人才输送系统，是美国经济增长和全球竞争力的关键。而如何鼓励更多的学生投入STEM领域的学习呢？美国芝加哥大学博士后Christopher Rozek，以及西北大学、威斯康星-麦迪逊大学、佛吉尼亚大学的同仁们共同为国家政策决定者提出了新见解。

“父母是潜在的一个尚未开发的资源，他们能够很大程度提高孩子们对STEM的认识和兴趣。” 我们可以通过鼓励父母和孩子们多进行关于数学和科学类话题的谈话”。该研究的主要作者Rozek说道。

此外，Rozek和他的同事们正在广泛的研究“期望价值理论”，更详细点来说，就是在做眼前或者未来的目标时，人们会潜意识的根据相关性和或有用性来做决定。而父母在孩子成长中形成的潜意识里有着巨大影响。

美国威斯康星大学有一个开展超过10年的父母参与的研究项目，父母被分成两组，其中一组为研究组（父母拿到了材料），另外一组是对照组。研究者们多年来持续跟踪并取得了数据结果。在2012年首次发布的研究报告显示，研究组比对照组的学生多选读了近一学期的STEM课时；而最新的研究中，研究员们还发现研究组不仅数学和科学ACT考试成绩提高了，而且大学选读STEM课程、从事STEM职业生涯以及全面认识STEM领域的价值的学生数都有所提升。

在此项研究中，研究人员设计并提供给了家长“如何在日常生活中与孩子讨论STEM领域的应用”等相关材料，我们从中选出几个案例如下：

1.讨论数学、物理与日常生活的联系

父母亲子休闲运动能力时，就可以和孩子就数学的实际运用理论建立话题。比如，如果我们懂得几何和三角学原则（角度、形状、切线）的话，可以帮助孩子提升在挥杆高尔夫球、沉击台球、传反弹球，或快速短跑上的能力。

或者，当我们与孩子一起观看赛事时，也可以灌输物理知识，因为不管是旋转中的足球、被棒子击后棒球、挑高干被撑起的弯曲、或举重时的肌肉收紧，都无不在反映物理的基本定律。如，动量、平衡、速度、动能、重心、抛射运动、摩擦等。

2.生物、化学与日常生活的联系

在生物领域，我们都知道可以利用细菌和真菌来制作抗生素。对于微生物学家来说，他们还可以对植物进行基因移植，改变其植株形态和果实形态。基因的微小变化，也可以产生巨变。

比如，大多数我们日常生活中所吃的食物，都是经过很长时间的选育，以至于看起来和它们最早的原身相去甚远。其中，最戏剧的是曾经的南美野生蜀黍在经过栽培驯化后，变成了我们现在所食用的玉米。这就是一个很好的话题切入点和引导方向，来激发孩子的学习兴趣。

除此研究发现外，该研究还在很大程度上挑战了一些普遍公认的假设。如“父母与孩子谈论数学和科学重要性”的无用论，以及“高中生的思想已经固化”等假设论调。

Rozek说：“许多青少年的家长不认为他们还可以改变孩子们的想法和动机，但这项研究表明，父母仍然可以有实质性的影响。”

这项研究结果为联邦政府政策决定者们提供了新的视角。即，通过父母来培养学生对STEM信念的重要性，以及它还是一个非常具有成本效益（低成本高效益的实用主义）的方法。不经意地将STEM融合到日常生活的情境中

研究表明：

无论孩子天赋如何，STEM对所有的孩子非常有利，也对所有学科领域都很重要。让我们尝试以这样的方式来认识这一点：当我们学习新技能时，大脑将整合之前已有的技能与经验，用来解决问题，应对挑战，然后在过程中反过来获得新的技能。STEM技能对发展其他多元技能至关重要：当孩子们有机会收集证据并解决科学问题时，他们也在建立着更强大的技能，而这些技能可以以多种方式运用到现在及未来的生活中。

你可以做些什么？

您可以思考如何不经意地将STEM融合到日常生活的情境中。比如，当孩子正在尝试拿一个她无法够到的东西，此时家长与其把东西直接拿下来给她，不如通过解决问题的方式来和她沟通，如“为什么你够不到那个东西呢？是因为你不够高？你可以借助什么东西让自己变的更高呢？”通过这种方式鼓励孩子尝试一些不同的思路和解决方案，如果她因此变的不知所措或者沮丧，家长还可以及时地给出一些建议来引导她。这都是一些简单的方式，但可以助你培养孩子们的独立性、批判性思维能力、STEM和语言发展等等。

家长的任务是建立简单的学习支架，鼓励孩子发挥

研究表明：

孩子是天生的科学家，但他们需要大人们的支持才能发展和扩大STEM能力和素养。就像我们之前采访过一位研究人员所说：“幼儿天生有能力做好高中生能做的科学探索和实践：他们会观察和预测，进行简单的实验、调查、收集数据，理解他们所发现的内容。”例如，对于刚出生几个小时的婴儿，实验观察发现，婴儿认识到如果把自己的拇指放在嘴里，会给自己带来更舒服的感觉；幼儿还会反复把吸盘从高脚椅的边缘上来回推挤，来测试重力的极限。学前儿童们也会渴望去了解为什么他们的衣服大小不再合适了（生命科学领域），并且痴迷于公共零食的公平分配（数学），这些看似自主的行为其实也是在暗示他们潜藏的能力。

你可以做些什么？

孩子们的STEM能力发展和大人的介入密切相关。继续使用上面的例子，当孩子因为身高不够拿到某样东西时，我们就可以在这个时刻简单地建立学习支架帮助发展孩子的批判性思维，你可以通过比较高度来带入数学，鼓励尝试不同的实验来体会科学，帮助它思考选择和使用工具来带入技术，提出一个解决方案来培养创造力，以及通过把她的解决方案实现到现实生活中而带入工程。除了所有的这些之外，你还可以在自我控制和持续关注的执行功能方面给予了她很好的支持。这就是STEM的基本理念运用。

成年人可以通过观察孩子对STEM的参与，注意到孩子不仅能够实现目标（获得对象）而且能够在你的支持下迎接挑战（解决问题），然后你就可以利用这些挑战的机会，让孩子们参与并鼓励他们进行科学调查的互动。STEM学习无时无刻不在发生着，家长的任务是为他们提供所需的工具，让他们进行发挥，鼓励他们继续努力，不要放弃，从而培养出被隐藏的潜在科学家。

在日常生活中，多向孩子问“6W”方面的问题

研究表明：

在多种不同的环境和给予孩子更多学习STEM的机会，才能更熟练STEM。正如语言环境会让语言学习变得流利，同理孩子们也需要在许多不同的环境中和被给予更多的机会，才能让他们的STEM学科变得精通。如果我们在儿童成长环境让STEM的学习可以变得随时随地，那我们就能看到孩子对STEM的兴趣和流利度都会提升，遗憾的是我们目前的整个社会支持系统是零碎的。

你可以做些什么？

父母对孩子们生活的长期影响，可以帮助在学校内外建立起STEM学习和应用的联系。如父母可以通过家庭内外的相关活动来激活孩子在校学习的成果，比如前往博物馆、科技馆、阅读STEM资源图书或者鼓励孩子参加STEM相关的课外活动（例如编程、科学秀、新技术体验等），父母支持对儿童参与数学和科学活动产生了积极的影响。

父母真正支持孩子STEM学习应该是这样的：不是整晚都在家中做大量的科学、数学作业，也不需要做大规模的科技项目，或把父母练成STEM专家。相反，父母应该从根本上支持孩子们的STEM学习，将STEM与他们的日常生活捆绑，在日常情况下引导孩子的好奇心，多向孩子问“wh”（why、who、what、when、where）方面的问题。

成人最重要的事情之一就是模仿参与和对周围世界的好奇心

研究表明：

很多人对支持孩子STEM学习感到焦虑，几乎三分之二的家长对自己的科学知识不够自信，或者误认为STEM是非常高深的科技，自己没有能力支持孩子们在家实践。但是父母和老师对STEM的看法对孩子有着深远的影响，如果他们认为科学、技术太难了，或者不像其他科目那么重要时，孩子们就会跟着也这么认为。

支持孩子在STEM上的学习和发展并不意味着你必须成为一名专家。事实上，成人最重要的事情之一就是模仿参与和对周围世界的好奇心。通过提出问题和求证，把自己当成一个共同的学习者和引导人的角色，鼓动起孩子们的好奇心，以及渴望探索和实验的动力。我们应该多提出问题，而非问题的解答者，只要我们愿意和孩子们一起学习，一起试图找出答案，这才是培养孩子正确学习的基石。

你可以做些什么？

stem教育教学设计 篇7

STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四个单词的简写。 STEM最初的雏形是SME,冷战后期的1986年,有感于国内理工科人才的匮乏和理工科教育的不振,美国国家科学基金会(NSF)发表了《本科的科学、数学和工程教育》( National Science Board Undergraduate Science,Mathematics and Engineering Education )报告, 建议国家调动各类资源投入科学、数学和工程(SME) 领域的教育,引导更多优秀学生进入SME领域。1990年代初,Technology(技术)被纳入其中,SME摇身一变而成为SMET。到了2001年,STEM教育这一术语第一次为美国官方所使用。(任友群、张逸中,2015)

STEM最早影响的是美国高等教育领域,促进大学内各门学科打破学科壁垒,有助于学生运用多门学科的知识解决真实情景的问题。STEM是一个多学科交融的领域,而这个领域又存在于教育系统之中,因此STEM可以等同于STEM教育。

S T E M教育是美国社会各界所关心的教育改革话题。不仅限于学校的投入,大量企业、非盈利机构、家长以及广泛的社区都投入到STEM教育之中。STEM教育被称为 “元学科”(meta—discipline),其教育过程不仅是把科学、技术、工程和数学知识进行简易叠加,而是特别强调将本来分散的四门学科自然地组合形成新的整体。(Morrison,2005)

进入21世纪以来,各国开始重新审视全球化背景下创新人才的培养。而现有研究进一步表明,将不同学科知识以割裂的方式进行教学已成为当今教育的常见弊端,这也是STEM教育从诞生开始就担负的首要任务,并促使着STEM逐步进入到基础教育(Herschbach, 2011)。近年来,STEM作为一个重要的概念不断出现在各种教育改革政策和项目中。2007年8月9日,美国发布《国家竞争力法》(National competition law)。该法案批准从2008年到2010年,提供STEM研究和教育计划经费高达433亿美元。该经费用于包括教师和学生的津贴和奖学金计划以及用于中小企业的研发辅助资金。(朱学彦孔寒冰,2008)2007年10月30日美国国家科学委员会(NSB)再次发布文件:《国家行动计划:应对美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需要》 (Shaping the Future:Perspectives on Undergraduate Education in Science, Mathematics, Engineering, and Technology)。该行动计划提出增强国家层面对K-12和本科阶段的STEM教育的主导作用,并做好不同学段之间的协调工作(朱学彦、孔寒冰,2008)。2009年11月, 美国总统奥巴马发表了“教育促进创新”的演讲,公布在全国范围内开启“教育促创新”的计划。未来十年将美国学生在科学和数学方面的成绩排名从目前的中游位置提升到世界前列。(付德旺,2011)

经过近几年的发展,STEM教育正在美国不同学段的学校以不同的课程方式或是活动方式开展。于此同时,由于STEM教育比较偏向于理科层面的跨学科融合,受到了教育决策者和学者们的关注。美国弗吉尼亚科技大学学者Georgette Yakman在研究中提出STEAM。STEAM中的A(人文)是指美(Fine)、语言(Language)、人文(Liberal)、形体(Physical)艺术等含义(Yakman,2011)。这里的A不仅仅指的是艺术,而是一种更为广泛的人文范畴。2011年,韩国教育科学技术部在综合教育STEM课程模型中增加人文的概念,形成了STEAM课程模型。(金镇洙,2011)

总之,无论是STEM教育还是STEAM教育,都是为了更好地帮助学生们在学习过程中不被单一学科的知识体系所束缚,促进不同学科的教师们在教学过程中更好地进行跨学科融合,鼓励学生们跨学科地解决真实情景中的问题。通过科学、技术、工程、艺术和数学的相互结合,有助于学生们提升解决问题的综合能力和跨学科的思维能力。

创客、创客运动、创客教育的概念溯源与发展

创客一词来自英文单词Maker。曾经提出过Web2.0概念的Dale Dougherty将那些愿意通过动手实践,努力将各种不一样的想法变成现实的群体称为“创客”。《连线》杂志前主编Chris Anderson在《创客:新工业革命》 一书中,将创客描述为:“首先,他们运用数字化工具,在屏幕上进行设计,并越来越多地用多种制造工具设计产品;其次,他们同时也是互联网的新一代,因而本能地通过互联网分享各自的创意成果,将互联网文化与合作精神带入到整个制造的过程中,他们一起联手创造着DIY的未来,其规模之大前所未有。”

学术界关于创客的研究才刚刚起步,对于创客的分析也有着不同的视角,对于创客一词,并没有公认的学术界定。一种视角认为,创客文化是一种反主流文化。 有人将创客运动追溯到1990年代欧洲的黑客运动。另一种视角认为,创客与DIY有密切的联系。(徐思彦、李正风,2014)

随着现代科技的发展,互联网将有想法的人们更好地连接组织在一起。与此同时,开源硬件和3D打印机等多种软硬件工具的发展,为创客们提供了更为成熟的发展环境。创客是愿意通过自己动手实践,并主动借助于现代化的科技手段(包括互联网、开源硬件、3D打印机等),努力将自己不一样的想法变成作品或产品的群体。

“创客运动”是美国近几年来兴起的鼓励人们利用身边材料、计算机相关设备(比如3D打印机)、程序及其他技术资源(比如互联网上的开源软件),通过自己或与他人合作创造出独创性产品的运动(Corry,2013)。 Chris Anderson认为,“创客运动”是让数字世界真正颠覆实体世界的助推器,将掀起一场真正的“新工业革命”。美国耶鲁大学Yochai Benkler教授提出的“大众生产”的概念,将“创客运动”定义成一种基于“大众生产”的创新模式。Tech Shop的首席执行官Mark Hatch在 《创客运动宣言》一书中认为,创客运动的核心是更好地获取工具,获取知识和构建人人参与的开放分配系统。(Mark.H,2013)

美国的创客空间一部分受到了早期德国创客空间的影响,并与美国自身的车库文化相结合,得到了进一步的发展。在我国,2010年初已经出现了少部分创客空间,包括“新车间”、小小创客、凤巢空间、创客大爆炸等。2015年1月,李克强总理考察深圳“柴火创客空间”,成为了“柴火创客”的荣誉会员;2015年1月28日召开的国务院常务会议,提出了“健全创业辅导指导制度,支持举办创业训练营、创业创新大赛等活动,培育创客文化,让创业创新蔚然成风”。同年3月,政府报告中“创客”一词首次出现,并将“大力发展众创空间” 作为“大众创新,万众创业”的重要支持手段;紧接着国务院办公厅印发了《关于发展众创空间推进大众创新创业的指导意见》,对如何支持创客做出了国家层面的具体部署。

创客、创客运动和创客空间引起了教育工作者的关注。在教育体系中,渐渐地出现了创客教育的范畴。 《地平线报告》2014年高等教育版中表明,未来3年~5年内,美国高校学生有着从知识的消费者转为创造者的趋势。创客、创客运动和创客空间在这个转变中将会起到关键性的作用。

但是,刚刚起步的创客教育并没有明确的学术定义,也没有形成严谨的课程体系和有效的教学实施措施。我们团队在讨论中也出现了一种观点,即认为创客是非常难以通过教学的方式进行培养的,更多的是给予创客空间和有效的间接引导,但这和创客运动进入到中小学并不矛盾。2012年,美国政府宣布将在美国学校里引入1000个“创客空间”,并将每年的6月18日定为“国家创客日”。美国众多中小学参与“ 创客运动”,并将“ 基于创造的学习” 视为学生的一种学习方式,认为 “基于创造的学习” 有助于培养学生创造的爱好、自信与技能,应是学校教育目标的重要组成部分(郑燕林, 李卢一,2014)。

我们认为,首先,创客由来已久,创客运动推动着教育系统内“基于创造的学习”有了进一步的发展;虽然创客教育未必能成为一个持续的热点名词或教育领域,但创客教育所强调鼓励学习者也是创造者、学习的过程也是创造的过程、注重将学习者的不一样想法变成现实等,都与现代教育理念不谋而合。其次,创客同时也是一种业余的爱好,因而广义上不存在所谓的创客教育,只能说是一种创客培养;广义的创客培养重点强调一种创造创新的精神。再次,如今所倡导的创客教育更多以数字化工具作为基础,创客更集中地体现在数字化创客上。

stem教育教学设计 篇8

摘 要：文章在探讨STEM整合教育的可借鉴性基础上，探究在现有条件下开展STEM优化科学探究教学的有效模式，以重庆一中初中科技课作为实践平台，对“伪全息3D投影制作”个案进行分析。为有效融合STEM课程理念，该案例尝试以5-E教学模式，即参与、探究、解释、详细说明、评价5个阶段开展教学，希望能获得更多同行的建议指导。

关键词：STEM；5-E教学模式；伪全息3D投影；科技课

中图分类号：G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2016）24-0035-05

一、STEM教育的产生与发展

STEM源于美国，是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的缩写，是以基于问题学习、基于项目学习、基于工程设计等方式将科学、技术、工程和数学四门学科融合的教育。

其本质是在多个独立的学科中建立一个桥梁，为学生提供整体认识世界的机会，引导学生重新思考科学、技术、工程和数学的内涵及他们之间存在的关系，把学习的零碎知识变成相互联系、完整统一的系统。毕竟，学生最终面对的是一个完整的世界。

1986年美国国家科学委员会发布《本科的科学、数学和工程教育》报告首次明确提出“科学、数学、工程和技术”教育的纲领性建议，被视为STEM教育的开端。2015年12月奧巴马政府正式颁布了STEM教育法案，从教师培训、社会协助、校内外相结合等角度详细规划了STEM教育的新动向。[1]

STEM教育在美国的蓬勃发展，究其原因，美国实用主义哲学的思想基础起到了重要作用，杜威的做中学思想影响深远，实用主义哲学重视知识的学以致用，更重视学习者的实际经验，这些都是STEM教育的重点。

那么，STEM教育引入我国能否成功呢？有学者认为，科学、工程、技术的结合能够让学生体验运用科学解决实际问题的乐趣，加深对理论知识的理解，应尽快借鉴。[2]也有学者仍坚持我国应注重学科分科，含蓄表达了对“整合”的异。[3]有学者更直接地表示我国特别是一些相对落后的地区远没达到1996 年《美国国家科学教育标准》的水平，现在大规模引入将欲速则不达。[4]

单凭几家争论决定我国基础科学教育的发展走势未免失之粗疏。适用与否以及如何应用还须用事实说话。

2001年，教育部正式启动新一轮基础教育课程改革，六项改革目标备受瞩目，其中目标二：改变课程结构过于强调学科本位、科目过多和缺乏整合的现状；目标四：改变课程实施过于强调接受学习、机械训练的现状，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生分析和解决问题的能力。这两项目标与STEM 课程强调要将过程和方法置于复合的真实问题情境中，应用多学科知识解决实际问题的表述有异曲同工之处。

由于STEM教育在国外仍处于发展阶段，照搬经验或全盘引进我国易引起“水土不服”，也有貌似结合我国实际的创新应用。如有的学校以单独的学科形式呈现的STEM教育，将每一个学科作为独立的课程教授，学科之间只有一点或没有融合，这显然违背了STEM教育的初衷。

以STEM学科结合类型和重点学科为分类维度，Margaret Honey等人的研究团队将STEM整合项目分为以下几类：（1）教授STEM学科中的每一门，同时更强调四门中的一门或两门学科，如SteM、sTEm；（2）将一门学科融入另外三门学科展开教学，例如工程学科能融入科学、技术和数学学科。就像是E-S、E-T、E-M；（3）四门学科相互融合。[5]

探讨 STEM 整合教育的可借鉴性，本文认为结合类别——《工程教育：理解地位并改进前景》中所提出的“珠—线”（beads-and-threads）模型更符合我国实际国情，以项目为珠，线绳代表课程中的核心概念和基本技能。数学、科学、技术三条线代表在工程设计中使用的学科领域。[6]

二、STEM与科技课程的结合

之所以选择科技课率先作为STEM理念的实践平台原因有三：首先，科技教育在重庆一中开始于20世纪50年代，是具有悠久历史的传统教育活动，也是重庆市第一所开展科技教学的中学。课程内容包括三模一电、科技四小活动、机器人和计算机信息技术等活动，其中科技四小活动作为联合国教科文组织研究项目“创新学习研究与实践”的一级子课题，在科技教育方面积累了较为成熟的经验，科学探究氛围浓厚，学生基础较好，便于开展实践研究。

其次，STEM课程强调真实情境、亲自动手、做中学、合作分享等理念，这与重庆一中科技教育的培养模式类似。在长期的教学实践中，为最大程度地挖掘学生的创作潜能，激发对科技活动的兴趣，重庆一中技术教研组的教师们在《课外科技活动策略》一书中提出了三段式教学策略：创设情境，激发求知欲是培养学习兴趣的前提；创造宽松的思考空间，让学生在“做中学”是引发学生学习兴趣的重要环节；科学评价，增加激励措施，是激发学生学习兴趣的催化剂。

最后，STEM教育形成发展于科学教育，STEM教育是科学教育改革的新思路。STEM名称缩写也是以科学开头，这一缩写暗示了STEM教育中科学教育是最为重要和核心的部分。[7]回看STEM教育的发展历程，有关STEM教育的研究项目和报告大多由科学机构赞助，如NASA（美国国家航天宇航局）、NSF（美国国家科学基金）、NSB（美国国家科学委员会）等。STEM教育的发展立足于科技教育，同时又在探索科技教学的改革路径，借助哲学上系统、联系的思维解析理工科，甚至文艺课教育之间的普遍联系。

在国外，STEM教育已经过了原始积累阶段，正逐步从本科教育向中小学教育推进，而在我国却是从中小学开始，最有代表性的就是现在很多中小学如雨后春笋般创客空间的建立。初中作为K-12阶段中承上启下的关键，结合我校科技课的浓厚氛围，本研究将以初中科技课作为实践STEM教育理念的主要场地。

三、STEM教育视野下科学课程的设计

1.明确初中科技培养目标

在STEM教育实践中常见的教学手段有基于工程设计、基于问题解决、基于项目探究等，在我们的科技课上，经常选用的是基于工程设计的方式。在我校初中的信息技术、科技，高中的信息技术、通用技术统称技术课程，考虑到技术课程设置的连贯性与流畅性等问题，我们将初高中的培养目标进行了区分。

2.操作方式

初中科技课以模仿实例作品、验证科学原理为主，而基于工程设计正是一条有效的途径。具体如何操作呢？我们参考了贝比（Bybee，R）的5-E教学模式。[8]5-E教学模式将学习分为5个阶段：参与（engagement）、探究（exploration）、解释（explanation）、详细说明（elaboration）、评价（evaluation），强调以学生为中心，通过实验的方式解决问题，以小组合作学习促进学生对科学概念的理解和知识的建构。

3.5-E教学模式

参与（ENGAGEMENT）阶段：该阶段的活动目的在于吸引学生的注意力，激发思考的火花，使他们能够亲身参与到课堂中，帮助学生获取记忆中的已有知识，将现有知识和已有知识发生联系。常见方式有教师提问、学生头脑风暴等。

探究（EXPLORATION）阶段：该阶段给学生留有足够的思考、设計、调查的时间，教师提供材料并进行引导。学生可团队协作进行实验，通过探索建立起科学、技术、工程、数学及其他学科之间的联系，即STEM所提倡的做中学的过程。

解释（EXPLANATION）阶段：该阶段学生将对他们的探索和探究进行分析和解释，沟通理解，分析可能性方案。他们澄清自己的理解发现，以多种方式进行交流。

详细说明（ELABORATION）阶段：该阶段学生将巩固并扩展刚刚获取的科学概念，通过修改方案或实验进行进一步的探究。

评价（EVALUATION）阶段：评价是学习环中的重要环节，但不是一个特定的阶段，它贯穿整个教学过程。在“5-E”模式中，评价是由教师、学生共同完成。它不但要求对学习结果进行评价，而且要求对学习过程进行评价。

在这五个阶段中，学生和教师都有明确的分工，教师作为引导者，指引学生针对具体内容提出有待探索的问题，进而开展研究，学生通过研究经验和总结对问题做出拓展性的理解。由于篇幅所限，这里不再做一一列举，将下面结合具体课例进行说明。

四、“伪全息3D投影的制作”教学案例

基于工程设计的STEM课程教学具体如何整合呢？本文以“伪全息3D投影的制作”为例，该课是一节基于STEM教育理念下的初中科技课例，立足于我校初中科技课的培养目标——模仿实例、验证科学原理。教师引导学生对3D、全息等高热概念展开讨论，结合具体实例，带领学生一起探索利用生活中的简单材料制作伪全息3D投影。本课以模仿探究为主，故使用了基于工程设计的教学手段，以参与、探究、解释、详细说明和评价（5-E）的教学模式展开教学。

1.参与阶段（ENGAGEMENT）

活动重点：教师引导学生回顾生活中见过的3D全息投影案例。

主要教学活动：教师问同学们生活中见过哪些3D投影的例子？学生回答：3D电影、3D喷泉、3D电视等。教师进一步举例，如《钢铁侠》电影中贾维斯模拟出的各种场景，2015年春晚李宇春表演的《蜀绣》等。随后引导学生分析这些3D投影技术有何区别，是否佩戴设备（如3D眼镜），是否有色像差等。

这里设置了如下活动：

活动1：左右眼，大不同。分析人眼看立体造型的原理——当单独用左眼或右眼看同一个物体时，得到的影像是有差别的，经大脑合成后形成立体感。

活动2：解析3D电影成像之谜。即利用偏振光等原理，通过3D眼镜的过滤将不同的影像，分别送进人的左眼和右眼，这样就有了立体感。在学生已经对3D投影技术有粗略了解的基础之上，引导学生制作今天的主题伪全息3D投影装置。

2.探究阶段（EXPLORATION）

活动重点：教师展示伪全息3D投影装置，并提示制作要点，学生小组协作制作装置，展示作品。

主要教学活动：教师展示伪全息3D投影装置，提示制作正四棱锥的要点：以播放设备的宽度作为棱锥底边长度，利用公式：棱长≈0.866×底长，计算得出棱锥的棱长。以这两个参数为基准在纸上绘制图形，剪下后以此为模板在透明塑料卡上剪下同样的图形。

随后，将以此作为模板剪下来的透明塑料卡用透明胶带粘贴在黑色的纸板上，做上简易的支架。学生在教师的指导下，以小组为单位完成制作，学生也可另选底长和棱长进行制作，播放视频检验作品能否达到3D效果，最后学生展示自己的作品。

3.解释阶段（EXPLANATION）

活动重点：通过演示作品是否达到3D效果，引导学生讨论、探索棱长和底长的关系。

主要教学活动：以小组为单位，演示自己的装置，有的作品能够看到明显的3D效果，有的却不能。教师询问并引导学生观察各个装置的不同之处，从选材的透明度、四棱锥结构及观看者的角度等进行分析，特别针对那些不成功的装置，寻找原因。学生通过讨论交流发现当四棱锥棱长≈0.866×底长，且塑料板的透明度高时效果最好，当然也要配合适当的观看角度。为什么呢？

教师解释伪全息3D投影的原理：a.观察播放的视频是特制的视频，一个人物运动的前后左右四个面，光线分别投向了四棱锥的四个侧面（视频技术）。b.四个面的光线被棱锥的四个侧面同时反射，像潜望镜一样，光线被反射到水平方向进入人眼（反射原理）。c.由于反射光线的棱锥侧面是透明的，所以能同时看到后面的东西，于是就有了立体投影的效果（成像原理）。

那为什么棱长和底长的比例不同会效果不一呢？

教师解释：d.由于视频光线是从上垂直射向棱锥的侧面，而我们的习惯是平视观看效果，根据反射原理可得棱锥侧面与底面的夹角应为45度，此时反射光线会水平射入正面的人眼中，从而看到一个方向上的影像。如四棱锥侧面与底面夹角不是45度时，反射光线就不会平行射入人眼。当四个面的反射光线汇聚后，就形成了3D效果，但因为这个是由反射原理形成的影像，而非真正的全息3D投影技术，所以叫做伪全息3D投影。

4.详细說明阶段（ELABORATION）

活动重点：学生小组讨论，独立计算已知当四棱锥斜面与底面夹角为45度时效果最好，那以此为条件，如何确定底边与棱长的关系呢？

主要教学活动：由于本课对象为初一年级学生，在数学中已学过勾股定理，但从未接触过立体几何，可通过将立体问题平面化的方式完成计算，考虑到难度问题，本任务作为拓展内容。教师在学生讨论、计算一段时间后进行解释说明。

教师解释：e.线po为四棱锥的高，oa⊥ab，由于底面是正方形，得出a为底边中点，三角形oab为等腰直角三角形，所以oa=ab。由于该棱锥侧面与底面夹角为45度（即∠1=450），op=oa=ab，所以pa=ab（勾股定理），而pa⊥ab，利用勾股定理可求出棱长pb=ab，底边为2ab，所以得出之前的公式：棱长≈0.866×底长。

随后，教师进一步提问，引导学生思考：1.如何提高投影效果的清晰程度呢？2.用平面镜代替透明塑料卡可以吗？亚克力板、相片过塑板哪些材质会更好？（技术—材质选择）3.播放的视频如何获取？从网络下载或使用摄像设备拍摄并制作。分别使用摄像机从动态物体4个面拍摄4段视频、导入电脑，使用相关视频编辑软件，如电影模仿、绘声绘影等，将4段视频合成加工为一段具有4个面的特殊视频（信息技术—视频制作）。4.如何让播放设备更稳定地放在四棱锥顶端？可在四棱锥四周设计四个支架（工程—结构搭建）。

总结本项目所用的知识，包括S科学：3D投影技术、反射折射、成像原理、偏振光原理、视频处理技术；T技术：材料与制作、构件加工；E工程：设计、结构与稳定；M数学：勾股定理、立体几何—正四棱锥。

5.评价阶段（EVALUATION）

在本案例中的评价方式多样且贯穿于整个学习过程，不仅关注学生作品效果，也注重在学习过程中的各项表现。为此，我们设计了详尽的评价标准，在课前就让学生熟悉并明确，也起到了在活动中不断引导学生完成任务的目标，教师可参照表1-3进行评价，学生也可进行自评。

五、总结

本课例中以伪全息3D投影的制作为载体，以STEM课程理念为指引，应用5-E教学模式（参与、探究、解释、详细说明和评价）展开教学。参与阶段：学生被吸引到一个有趣的挑战中，参与活动亲身感受3D成像之谜。探究阶段：学生开始根据教师的提示模仿完成作品，在制作过程中他们遇到问题、解决问题的过程都是探索科学和工程学原理的过程。解释阶段：学生展示作品，从光线反射、四棱锥公式计算等方面解释成像原因，从选材、结构等方面描述他们认为可能形成影像效果的原因，随后教师补充释疑，这也是学生向同学和老师学习的过程。详细说明阶段：学生在老师给定先决条件下，演算出该装置的一个重要关系：棱长≈0.866×底长，并思考、讨论可从哪些方面进一步改进。评价活动贯穿在整个探究活动中，有利于学生随时调整自己解决问题的方法及对知识的解释，教师和学生共同开发评估标准，可以增强学生的参与意识并促进学生积极进行自我评价，形成良好的自我效能感。

整个案例融合了物理、数学、工程、技术、信息等多学科知识，使学生了解了科学乃至工程、技术和数学领域的知识概念，增进了学生对科学探究与工程设计的参与度，形成基本的科学探究和设计的意识以及主动性，同时也发展了其解决问题进行科学探究的技能，提高了对涉及领域内容的兴趣点和关注度。

我国基础教育正经历着从分科到综合的改革阶段，培养学生对事物的整体认知能力越来越受到社会的关注，而改革最重要的莫过于如何进行课程的有效整合。STEM教育是一种新兴的跨学科整合教育，通过整合各学科内容来培养学生的综合素养和能力。本文基于对STEM教育基本问题的研究，展开了STEM教育视野下科学课程的建构构想。在平时的教学过程中，其实很多老师已经开始尝试将STEM教育理念渗透在自己的教育教学过程中，本文以本校教学实践为基础，向大家展示了我们在科技教育方面的探索，希望以此为契机，与更多同行进行更为有效的沟通交流。

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