基于3SE模型的STEM教育区域发展模式探索

【摘要】STEM教育区域推广是促进区域教育公平、提升区域教育质量的根基。笔者结合在深圳市盐田区开展的STEM教育实践，提出了一种适合区域开展STEM教育的课程设计模型——“3SE”模型（包括情境导入、职业体验、科学探究、工程制作、汇报展示、评价反思六个环节）。该模型在盐田区进行了大范围应用，实践效果显著。【关键词】3SE模型;STEM教育;区域发展模式STEM是四门学科Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）和Mathematics（数学）的英文单词首字母的统称。STEM一词的诞生，可以追溯到20世纪80-90年代美国政府对于国民科学素养培养方面的反思，即如何鼓励更多的学习者在职业发展上选择STEM的相关专业以及提高国民的科学素养。中国学生发展核心素养要求学生在学习、理解、运用科学知识和技能等方面所形成的价值标准、思维方式和行为表现[1]，具体包括理性思维、批判质疑、勇于探究等基本要点。从国际经验中，我们可以看出STEM教育作为培养学生探究能力、批判思维能力以及与人沟通的能力的载体，具有非常好的效果[2]。STEM教育对中国在2030年跻身创新型国家的前列，2050年成为世界科技创新强国显得尤为重要。问题的提出随着政策推进、教育理论和信息技术的发展，STEM教育逐渐走进校园。STEM教育具有明显的跨学科特征，注重通过学生的直接操作，实现深度学习，虽然仅从内容上看，STEM教育目前从幼儿园到高中，每一个阶段都是存在的，但由于缺少国家战略高度的顶层设计、社会联动机制不健全等客观原因，STEM教育容易出现重“技能培养”轻“知识学习”、重“活动形式”轻“科学精神”、重“学习结果”轻“学习过程”等问题[3]，且目前各阶段的内容不连贯，没有完整打通的整体框架设计。有学者也尝试提出一些中小学STEM課程模型或教育模式，但较少涉及区域性整体推进模式。STEM教育区域推广是STEM教育得以普及与发展的基础，是促进区域教育公平、提升区域教育质量的根基[4]。近年来，浙江、江苏、山东、河南以及北京海淀区、广东深圳市等地陆续出台政策文件，引导学校积极开展STEM教育，并结合数学、科学、信息技术、综合实践活动等学科内容，开展了一系列富有价值的课程教学创新。STEM教育成为推动区域教育高质量发展的重要引擎和有力抓手。但区域推进STEM教育往往重安排部署轻落细落实，特别是在STEM课程建设上，很多地方往往采取全盘国外引进，缺乏结合实际的自主开发。区域开展STEM教育一定要根据自己的实际情况，从所处地域、城乡环境、区域特色、学校规模、师资情况等因素加以考虑。要在STEM课程本土化、校本化上做足工作。区域推进STEM教育既要有先进理念支撑，又要根植于家乡大地，找到适合自己发展的教育土壤。基于国家新时代基础教育改革发展新要求，根据STEM教育的核心内涵和实践要求，深圳市盐田区以学校特色发展、教学方式变革、综合素养培养等方面的需求为导向，以政策文件、配套经费、师资培训、评价导入为制度保障，通过课题组、实验校、专家顾问、教科院领导、教研员、校长和教师等各层面相关人员的通力合作，最终将未来教育理念落实在课题、课程、课堂等方面，以此推进区域STEM教育的开展，撬动区域学习方式的渐进变革、整体变革、系统变革。3SE模型的内涵结合前面对于STEM教育模式和课程模型的理论探讨，笔者结合在深圳市盐田区开展的STEM教育实践，提出了一种适合区域开展STEM教育的课程设计模型——“3SE”模型（图1）。这一框架由六个环节构成，分别是：情境导入（Scenario），职业体验（Experience），科学探究（Science），工程制作（Engineering），汇报展示（Showcase），评价反思（Evaluation）。情境导入：这一环节由指导教师从真实情境出发引出问题，引发学生思考。3SE模型中的问题是概念不完整或结构不完整（劣构）的，并且能够使学生发现或者定义问题的某些方面。职业体验：这一部分内容可以提供在情境导入阶段没有获得或无法获得的信息，从真实的职业出发，帮助学生获得问题的同理心，为设计真实的解决方案做准备。科学探究：科学探究作为一个问题解决的过程，让学生可以建立真实问题与学科知识之间的连接。学生将以探究过程中获得的事实证据来解释情境中的问题，从而阐明解决问题的途径。工程制作：学生将在这一部分内容中使用技术工具和资源来制作工程项目，以人工制品来解决真实境脉中的问题。这部分中可以使用的技术工具涵盖但不限于信息技术、人工智能、机械加工等范围。汇报展示：学生将以不同形式在这一部分中展示自己在课程中获得的知识技能和解决问题的方法。评价反思：这一环节将支持教师和学生对课程中的个人表现进行反思与评价。学生需要思考并评价自己是否在充分的协商与交流过程中完成了知识建构。在“情境导入”和“职业体验”阶段，为学生创设以学生为中心的学习环境，激发学生对于问题的好奇心和主动性;组建学习共同体，并引入专业性资源和社会协商，促进学生的社会性知识建构。在“科学探究”和“工程制作”阶段，开展探究活动，进行专业知识收集和建构性互动，引导学生发现并理解科学原理，帮助学生分析并解决工程问题。在“汇报展示”和“评价反思”阶段，学生呈现作品，根据自我评价和获得的他人反馈对学习的过程和取得的结果进行反思;另外，教师自己对于课程设计过程，以及是否将工程设计的系统概念和过程（如澄清问题、建模与可行性分析等）融入STEM项目学习也需要进行反思。目前的“3SE”模型是建立在先开展“科学探究”再进行“工程制作”的流程基础上展开的。这一模型的适用场景是：学生针对问题本身，开展科学方面的探究与发现，得到相关问题的科学结论;并以结论为依据，针对某一工程问题进行分析，设计解决方案并进行原型设计。在某些真实场景下，需要以工程制作的制品支撑科学探究，或需要经历多轮的科学探究与工程制作。这些做法从理念上，都符合“3SE”模型框架的设计思路，在此不再一一赘述。3SE模型的案例应用我们以“图书馆保卫计划”为例，介绍基于3SE模型的STEM课程设计思路与实施流程。“图书馆保卫计划”是深圳市盐田区云海学校师生开发的一门STEM课例。课例基于云海学校的地理环境背景：学校依山傍海而建，常年气候湿润，独特的地理位置和气候条件在带来优美校园风景的同时，也对学校设施设备的存储特别是图书馆书籍维护提出了更高要求。针对图书馆书籍容易受潮发霉的问题，学生们提出假设，展开探究并设计方案尝试解决，通过STEM模式学习完成知识建构和能力发展。在“情境导入”环节，学生通过查阅资料，了解图书馆的基础知识，并对图书馆书籍受潮情况进行实地考察;结合实地考察所产生的疑问，进一步查找相关资料进行问题溯源与思考;结合小组的思考，讨论并且尽可能多地提出相关假设，使用思维导图进行整理，初步构建可行的解决方案。在“职业体验”环节，教师带领学生走访和探究盐田区图书馆，了解全世界著名图书馆的现状和历史;带领学生体验图书管理员工作，并了解大型图书馆的防潮措施;邀请气象局专家与学生分享天气湿度的相关知识，鼓励各研究小组根据自己的研究问题进行自由提问;通过自我体验与专业资源帮助学生对问题进行更加完整的定义。在“科学探究”环节，教师带领学生经历科学探究的一般过程、通过自我探究建构科学知识并得出问题解决的方法。学生通过开展实验探究湿度对书籍的影响，总结出低湿度、高湿度的优缺点，以及最适宜保存书籍的湿度范围;讨论测量环境湿度的方法和原理，比较多种湿度计在图书馆环境下使用的优缺点，同时从几个方面比较湿度传感器与干湿球的性能、电容式湿敏元件和电阻式湿敏元件的性能，收集相关信息并开展实验，对比其性能并制作湿度计以代替传统的湿度计。在“工程制作”环节，基于调查研究和科学探究得出的结论，结合已经学过的编程知识和建模与激光切割等技术，学生实现制作本地显示、云端监测、自动报警的图书馆环境湿度监测装置。制作过程具体包括六个步骤：（1）了解和掌握CocoMod电子元件（主控模组、WIFI模组、环境模组、屏幕模组、转接模组）以及CocoBlockly编程工具的使用方法;（2）结合实地应用场景设计并制作图书馆环境湿度监测装置的外观;（3）构思对于装置的控制方案，结合探究结论编写程序实现设置的功能;（4）收集材料，完成原型制作;（5）分享作品，交流心得;（6）进行原型测试与装置改进。除了制作关键作品，学生们还集思广益，提出了多元化的解决方案，如增加电子图书、制作无酸纸盒，以及与传统文化相关的芸香草精油喷雾等。在“汇报展示”环节，学生自行设计并表演了舞台剧“向新同学介绍云海图书馆”，分享项目的开展过程及自己获得的知识与技能。教师总结了项目实施中对于STEM课程设计的理解和自己的教学实践及反思。在“评价反思”环节，教师出示了总结性的评价量表，学生以小组为单位通过“教师评价+小组互评+组员自评”的评价方式完成对项目开展过程中学生知识技能和关键能力的评价。学生将结合评价结果，回顾自己的项目式学习过程，思考自己今后的学习行为。3SE模型的区域实践效果结合区域特色和学校特点，笔者在盐田区组织开展了基于3SE模型的STEM课程设计活动。经过三年多的实践，取得显著效果。盐田区紧紧抓住项目式学习的核心要义，坚持面向真实生活，在长期实践中构建了体现项目特色的区域课程体系及项目学习的区域实践模式[5]。我们研发出了基于学科（Academic）、情境（Scenario）、生活（Real-life）的STEM教育區域实践模式，简称ASR-STEM模式，并针对每一种模式研发出具体