培生 STEM 体系 | 以「学习进阶理论」为引擎的高效STEM学习体验

摘要: 深入了解真正的 STEM。

10-01 12:09 首页 培生教育

什么才是真正的 STEM?这是 STEM 热潮下我们不得不追问的问题。有人说,STEM 就是科学,技术,工程与数学的简单组合,有人说 STEM 是一种新的课堂学习模式,有人说 STEM 是一个崭新的课程集群。但是,STEM 好像又不仅限于跨学科,课堂模式,课程集群。STEM 应该也必须是一个完整的体系。在这个体系中,理论基础、课程内容、师资队伍、硬件环境、学习社群、实践活动等应该相互关联,形成一个完整的教育生态。




培生始终认为,STEM 理念的落地实践,需要完整的理论框架作为保证、丰富的课程内容作为基础、恰当的课堂模式作为载体、全面的资源支持作为后盾。而这其中,完整的理论框架保证了 STEM 内容,从书本上的文字融入学生的知识体系时,发生最完美的「化学反应」。




我们应该教给学生些什么?我们要将这些内容教给哪些学生?我们怎样将这些知识教给学生?这可能是每一个投身 STEM 教育的人都曾面对的问题。而这些问题追根溯源,都决定于我们对「学习」这个过程的认知。「认知学徒理论」、「情境学习理论」、「支架式学习理论」、「构建主义学习理论」等等,都是 STEM 教育的重要支撑,而「学习进阶理论」作为连通学术界对「学习」这一过程的研究,和由教师学生组成的学校课堂之间的桥梁,对提高 STEM 学习的效能具有重要的意义。学术界的研究人员综合了脑科学、学习科学等的研究成果,定义了学生关于某一核心知识在其成长过程中进步发展的应有历程,而这恰恰解答了我们在 STEM 教育中面对的三大问题:我们应该教给学生些什么?我们要将这些内容教给哪些学生?我们怎样将这些知识教给学生?



培生 PROJECT STEM 项目正是基于「学习进阶理论」,参照美国《K-12 年级科学教育框架》和中国中小学课程标准,编订 STEM 课程内容,让学生在合适的年龄,以合适的方式,学习合适的知识,达成最佳的 STEM 学习体验。


深入学科,夯实学习的起点


爱因斯坦的相对论深深的扎根于他对牛顿经典力学的理解,沃森和克里克对 DNA 结构的发现,则来自于他们对生物大分子的熟悉和思索,门捷列夫能够发现元素周期的奥秘,也离不开他对原子及其特征的了解。没有任何创新可以脱离知识的积累,对这个世界普遍规律的认知是每一个学习者和创造者的基本功。按照《科学教育框架》,纷繁复杂的知识可以分为物质科学、生命科学、地球和环境科学,以及工程、技术与科学实践四个领域。每一个科学概念都可以在各自领域找到自己的位置,并与其他知识产生内在的联系。DNA 与遗传、原子与化学反应、力与运动,知识概念的交错形成一张巨大的网络,理论研究者已经为我们梳理了学习各个概念时应有的先后顺序,我们要做的便是帮助学生在这张网络上走好每一步。更重要的是,根据学习科学的研究成果,《科学教育框架》和课程标准对每一个成长阶段和对每一个概念的认识程度,也提出了相应的建议,或许一个二年级的学生只需要了解简单的遗传现象,但是一个八年级的学生则必须准确的理解基因的概念。学科核心概念的梳理与定位,成为优质 STEM 内容的准绳与锚点。



培生 PROJECT STEM 项目的每一个主题都对应于学科的核心概念,不同学段的课程相互关联,从宏观到微观,从经验到规律,层层进阶。在面向 1-3 年级学生的《制作小船》这一主题中,通过浮与沉这一生活中常见的现象,通过分析物体与物体之间的相互作用,在学生面前揭开「力」这个概念的神秘面纱,并且定性地了解了力的方向、大小等特性。在面向 4-6 年级学生的《设计桥梁》这一主题中,通过搭建桥梁模型,分析桥梁承重的过程中,引导学生探索力的影响因素,力的合成与分解等更为定量的内容。在面向 7-9 年级学生的《设计云霄飞车》这一主题中,学生则需要学习力与运动,运动与能量之间的关系。


围绕「力」这一核心概念,不同年级之间的层层递进,正是按照《科学教育框架》和课程标准对学生提出的要求所做的独特设计,为每一个年龄段的学生打造最扎实的思维起点。




思维训练,授以思考的方法


知识概念的学习固然重要,但是这种学习的局限在于无法形成系统的知识体系,因为在任何课堂上我们都无法穷举所有的概念,而知识体系本身应该是具有成长性的。从这个意义上讲,在 STEM 课程中,如何将科学的思维教给学生,比让学生了解一堆概念更为重要。当学生掌握了科学的思考方法,每一个已经掌握的概念就像一颗种子,学生可以对这颗种子进行耕作,收获更多的相关知识,这才是 STEM 教育应有的效果。基于「学习进阶理论」,科学家们总结了七种重要的思维方式,例如对因果关系的界定,从尺度、比例和数量的角度定义问题,将独立事件以系统的角度来思考,结构与功能的相关性等等。这些思维方式决定了学生能否将日常所见转化为自己的知识,能否将既有发展出新的知识,进而决定了学生能否形成属于自己的,受益一生的知识体系。如果学生知道,结构与功能的相关性,那么大到生物进化,小到自行车的设计,都可以成为他们思考的源泉,进而转化成为自己知识的素材。



在培生 PROJECT STEM 项目中,这些思维方法的渗透无处不在。在《设计喂鸟器》这一主题中,通过简单的实验和材料阅读,五年级的学生可以自然而然的发现自然界中广泛存在的结构与功能的相关性,拥有了这一思考角度之后,学生可以有效地思考颅骨为什么是有弧度而不是方形的,树叶为什么是绿色的而不是红色的,甚至 DNA 为什么是双螺旋的而不是一条丝带这种极为微观的问题。


STEM 教育承担着从知识概念到思维模式的各个层面的训练和培养,将依托学习科学的理论所设计的思维训练,恰如其分的融入到 STEM 课程内容中,让学生在知识习得的同时,获得认识世界的一般方法,才是真正的授人以渔。



注重实践,面向真实问题


STEM 课堂的实践部分往往备受关注,这也是区别于传统课堂的重要特征之一。然而,实践并不是简单的动手操作,实践活动的设计要时刻指向实践的有效性。无效的实践是什么样子的呢?没有知识概念的铺垫的实践,无法让学生在实践中产生有益的思考;没有思维引领的实践,无法帮助学生打通理论与应用的壁垒;没有明确目标的实践,则根本无法成为一个合格的教育活动。从这个意义上讲,STEM 课程中的每一个实践环节都需要精心设计,如何引发系统思考,如何强化协作能力,如何实现自主探究,如何促进信息整合等等一系列问题都值得 STEM 教师思考和探索。《科学教育框架》和课程标准对科学与工程实践提出了明确的要求,让学生在实践中提出关键问题,并进行分析才是实践活动的核心。在这「关键思考」之前的观察、测量、实验,以及之后的想象、归纳、计算,共同形成了探索、评估、总结的完整过程。



在培生 PROJECT STEM 项目中,实践永远是课程的主题,所有的阅读和讨论等环节也都明确的指向于一个目标明确,过程完整,逻辑清晰的实践活动设计。在《设计环保清洁剂》这一主题中,从真实世界中提炼出「去污」和「环保」两大主题,引导学生观察清洁剂,学会基本的测试方法,设计实验验证环保清洁剂的效果,在这一过程中,产生关键思考,那就是如何平衡「清洁」与「环保」两个要求,又如何从成本、原料等角度满足工业生产的需求,衡量这一产品的标准是什么。正是这种思考赋予了实践应有的价值。而华东师大研究团队设计制作的 PROJECT STEM 工具箱,不仅为每一个实践活动提供了充分的材料与设备,还通过巧妙的材料设计启发「关键思考」的产生。




在 STEM 教育中,优质的 STEM 教育内容不仅需要实践的打磨,更需要完整的教育学理论框架作为支撑和保证。「学习进阶理论」将 STEM 课程的核心目标解析为学科核心概念,科学思维模式和科学与工程实践三大维度,依托这三大维度,有限的课程主题便能条理清晰的展示科学的全貌,有限的课时也能突出实践活动的意义,有限的学习才能为 STEM 课堂上的每一个学生提供无限的可能。



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