STEAM教育主要有智能编程、3D打印、教育机器人、电子智造、APP设计等,它深度融合科学、技术、工程、美术、数学等多个学科,可以帮助学生提升核心素养,是一种面向21世纪的新型教育模式。

  本文阐释 STEAM 教育特有的核心素养培育功能,探讨实践层面上的实施策略。

  在培养适应21世纪人才的今天,STEAM教育具有先进的教育理念、教学方法和多方面的教育价值。

  STEAM教育就是尽可能创设真实的情景,让学生在同一个项目学习中应用到多学科知识。

  比如,一件产品外观涉及数学测量知识; 为了便于推广,需要用到美术设计知识; 产品的结构用到物理学科中的杠杆平衡知识等。这样可以将多学科的知识、思维方式进行深度融合。

  我国的学校教育偏重于知识传授,学生缺乏动手实践。国外尤其是欧美中小学尽管学习的学科知识滞后于中国,但他们的学生有非常多的动手实践机会,学生有自己的兴趣爱好并且勇于创新,在这种创新精神推动之下,他们科技一直处于领先地位。所以,在STEAM教育中,一定要给学生尽可能多的实践机会,在实践中进行创新,哪怕点滴也是有价值的。

  学生在各个学科中的学习通常是知识到知识,学习前面一个知识只是为后面的知识奠定基础,除此之外,学生无法感受学习在现实中的作用,导致他们学习目标缺失,而在STEAM教育中内驱力是解决现实问题,具体表现为学习完成后要完成一定作品的制作,用作品能解决学习、生活和生产中的实际问题,从而凸显学习的价值,使他们能够积极、主动完成学习。

  知识是前人在生活、生产中总结、提炼出来的,在各学科教学中,学生基本看不到知识对应的场景,更不经历知识提炼过程,所学知识除了能解答习题、应付考试外,学生看不到知识的价值,他们深度怀疑学习的意义,在这种心态下,学生的学习动力可想而知。

  在STEAM教育中,学生通过动手实践,可以提炼、总结自己的发现,演变成知识。或者,在遇到问题之时,教师将相关知识提供给他们,他们学习、理解之后立即就能解决问题。这两种情况都非常有效地将知识的价值彰显出来,学生对待知识学习自然会从被动向主动转变。

  教育的价值是达到学生核心素养的提升,核心素养的基础是知识与技能,但需要上升到能力、思维等层面,STEAM教育显然比学科教育更能够达成此目标,因为,在项目完成过程中,知识和技能的学习是有需求的,其学习是高效的,学生更多的时间在进行作品分析、规划设计、总结提升等高阶思维,这些思维的训练自然会演变成核心素养的提升。

  STEAM教育能够指向核心素养的培养,是因为在此过程中学生的思维能得到有效训练。从思维的流程来看,学生能经历到以下两种思维方式的训练。

  STEAM教育之初,因为学生能力、基础等所限,学生学习一般是从模仿开始,也就是教师在学习之前将作品先制作好,让学生从头开始将其模仿出来,这和工业启创阶段仿制先进产品做法一致。

  这种教育思维方式是,先对产品进行功能、结构、材料等分析,然后倒推要完成该产品所需要的原料、器材,设计其运行的机理,编写出相应程序。这种思维方式只适合初始阶段,因为成品基本限制了学生的思维,经验表明,学生完成的作品大多数与成品接近,也就是学生创新思维难以得到提升。

  正向思维首先要发现实际生活中存在的问题,需要设计、生产出具有一定功能的产品去解决,产品的功能由需要解决的问题决定,产品的功能决定了其外观、结构、材质等。在这些因素确定的情况下,也就是目标是明确的情况下,可以选择多种途径,使用多种器材,设计多种产品来解决问题。在这种思维过程中,学生的发散性思维被高度打开,创新精神无疑会得到有效激发。

  开展STEAM教育,必须摈弃传统的教学模式,让学生采用新型的学习方法,保证其主体学习地位,让他们积极、主动学习。

  在STEAM教育中,学生自然经历的是一种学习,但这种学习一定是有别于传统的学习方式,在这种新型学习方式中,学生是学习的主体,教师转变成学生学习的指导者、帮助者,学生通过开展各种学习活动,去自主学习,去探究新的知识、掌握新的技能,学会与同伴在学习过程互相协助,共同提升。

  总之,教师不能再包揽全部学习过程,要将大多数时间还给学生,要让学习真正成为学生自己要完成的事情,充分发挥他们学习的主动性和积极性。

  项目学习模式非常适合于STEAM教育,这种学习方式是学生在一个个项目中完成学习任务,达成核心素养的提升。在这种学习模式中,每个学生亲自经历问题发现、问题分析、规划设计、问题解决、总结提升等所有环节,因为是亲自经历,学生获取知识更主动,知识会记忆更牢固,而且能触动其内心情感,让其感受到学习是一件有价值的事情,而不只是考试得到一个好分数,这样其学习的动力自然是传统教学不可相比的。

  项目学习中的问题分析和规划设计,更主要是能提升其思维品质,经过多次训练,其核心素养自然会得到提升,这些素养会让其终身受益。

  由于STEAM教育发展迅猛,目前STEAM教育还不是国家课程,作为一线教师需要发挥主观能动性,采用各种办法组织实施。

  教育的主阵地在课堂,所以,首先需要努力在科学、技术、数学、美术等学科课堂教育中推行STEAM教育基本理念,改变传统的教学模式,实现项目学习。

  教育部已经将综合实践作为中小学重要课程内容,并颁布了纲要,该纲要中所列的许多内容非常适合按照STEAM教育方式开展,所以在小学和初中,可以在综合实践课内开展 STEAM 教育。

  在高中阶段,通用技术学科的内容也非常适合应用STEAM教育模式,信息技术选修课程也适合按照STEAM课程来实施。

  目前各地实行下午“三点半”课程,也就是下午正常教学完成后,因为家长还没有下班,学校将学生留下来开展各种各样的活动(不准开展文化课教学) 。在这段时间内,非常适合开展STEAM教育,对于高年级学生,STEAM教育可以作为社团活动的主要内容。

  STEAM教育中,为了保证制作出的作品有一定的实用价值,是需要一定的时间保证的。从作品构思,到最后的成品测试,一般都不是一节课能完成的,需要教师给学生争取到更多的时间。

  如果条件允许,利用晚上、周末等课余时间一次性完成当然最好,实在是一个连续时间段无法完成,就需要学生做好时间规划,将作品制作分成几个时间段,每个时间段完成一个任务。

  项目设计是STEAM教育中非常重要的一环,它决定教育效果,在STEAM教育之初,由于学生的知识、能力储备不够,经验不足,还需要教师引导,也就是要教师设计项目。因此在设计项目时需要关注以下几点:

  STEAM项目设计需要教师有丰富的教学经验,但也有一些基本方法可以使用,据此设计的项目基本能符合教学需要。

  STEAM教育涉及多个学科,项目设计者一定要与相关学科的教师进行交流沟通,了解学生相关的知识基础,建立学科之间的知识内在联系。在所设计的多个项目中合理分布相关知识点。

  学生的自身能力和知识内容储备将直接影响到STEAM项目的进程,故开发的项目必须与之相

  STEAM教育对资源有较大的依赖性,设计的项目必须有相应的硬件、软件支持,否则学生将无法完成作品的制作。故在设计项目之时,要充分预设多种硬件、软件方案,看学校的条件是否满足方案要求。

  设计出来的STEAM项目是否符合基本要求,可以通过审视该项目是否满足以下特性判断。

  设计的项目首先要有趣,要能吸引住学生,使之感觉好玩,在玩中完成项目,在玩中完成学习,这点对于低年级的学生显得尤为重要。为此,作品的制作尽可能用到声光电等,当然,入手如果太困难,难以完成项目,学生自然不会感觉到有趣。

  所谓实用性,就是学习完成后制作出来的作品要能解决实际生活中的问题,让学生感受作品的价值、学习的意义,从而对后续的学习起到正向激励作用。

  比如学生设计、制作出来的浇花器,恰遇家长要出差,正好能派上用途,家长对学生的 STEAM学习自然会持鼓励态度。

  在设计项目时,首先是要考虑学生的年龄、知识储备和学习能力是否支持项目的完成,同时要考虑学校是否有相关设备,如果没有,能否有资金购买等。

  项目完成需要多长时间,能否安排到足够的课时等。只有所有条件全部具备,才能保证学生顺利完成项目,才能让学生收获成就感。

  STEAM教育在实施之前必须做好充分的准备,没有一定的条件,其实施效果可能与预想效果相差甚远。

  在实施STEAM之前,需要教师通过努力,准备好相应的硬件和软件,自然需要教师也能熟练掌控。

  3D打印机:用户先用软件构建模型,然后用热熔塑料材料,通过逐层打印的方式构造物体。

  乐高EV3机器人: LEGO公司开发的智能机器人,可连接各种传感器,支持USB、蓝牙和Wi-Fi与电脑通讯,用户可以发挥想象力搭建机器人,同时编程对其进行控制。

  Micro: bit 板: 专为青少年编程教育设计的微型电脑开发板,使用它可以驱动青少年参与到创造性的硬件制作和软件编程。

  Arduino 板: 一款便捷灵活、方便上手的开源电脑板,只需数百元,可以用多种软件编程控制。

  3D ONE:国产的 3D 设计软件,具备简单易用的程序环境,支持平面草图绘制,可进行丰富实用的 3D 实体设计,提供多种多样的显示控制,很适合学生使用。

  App Inventor:用于编制移动端 APP,图形化操作界面,编制好的程序可以下载到平板或智能手机上直接运行。

  因为要制作出有实用价值的作品,并且是学生自主学习,所以必须组建 3 ~5 人一组的学习团队,团队成员在学习同研讨,思维碰撞,同时每个学生根据各自的兴趣、特长,对作品制作进行任务分工,加快作品制作过程,缩短学习时间。

  组建的团队要相对固定,团队成员之间存在一定的磨合期,磨合好后就不要轻易拆分。团队中的成员角色要有适当分工,当然需要他们内部讨论而定。

  要想取得理想的教学效果,STEAM教育项目实施必须按照一定的环节,在不同环节学生完成不同的任务。

  STEAM教育通常是制作一定的作品,这些作品是满足一定的人群解决现实问题之用,因此首先对作品的用户进行研究。

  研究用户有什么需要,也就是要使用完成的作品解决什么问题。作品需要有哪些功能,每项功能可以解决什么问题。同时还要确定作品的这些功能是如何被用户使用的,要符合用户的一般使用习惯; 以及用户在使用这些作品时会出现哪些问题等。

  通过网络搜索等方式,了解市场上有没有解决问题的类似产品,如果有,这些产品有哪些功能,什么原理,价格如何,有没有可借鉴之处等。搜集到的资料越丰富,越能将问题解决在前期。

  产品创意可能是STEAM教育最为重要、最为困难的一个环节,重要的是它能激发学生的深度思维,困难的是它需要学生反复构思。

  在此过程中,尽可能让学生提出各自奇思妙想,充分打开学生的发散性思维,让学生尽可能想出各种问题,以及每种问题的解决方案,选择他们能找的材料,这个环节的价值可能远比解决问题更重要。此环节建议分组实施,让学生通过讨论交流等形式打开思维,进行思维碰撞,最后初步形成解决问题的方案。

  在经过头脑风暴之后,构思出多种解决问题思路,再通过各种约束条件做减法,逐步缩小范围,最终找出与现有硬件条件、与学生能力相对应,在设定的时间内可以用最经济手段能完成的解决方案。

  任何工业产品在生产之前都需要规划设计,在STEAM教育中,这也是必不可少的一个环节。

  将产品进行结构化,也就是将产品分成几个主要结构,如一个机器人分成运动机构、执行机构、主体结构,然后对每个部分再进行设计,这样设计的思路就比较清晰,尤其是比较复杂的作品更是需要如此设计。构思好作品结构后,要绘制出结构图将其表现出来,绘图过程也是重新思考的过程,绘制好的图也便于其他同学帮助评价、发现问题。

  电路部分主要是通过传感器获取到周边有价值的信息,发送给主控器进行处理,当达到设定的条件,将处理的信息发送给执行机构做出反应。例如,灭火机器人用温度传感器不停探测外界温度,当主控器获得的温度值超过设定者,就认为机器人找到的火焰,给风扇电机发出启动信号,风扇开启,将火焰吹灭。

  当然,对于复杂的作品,对电路也要按功能分别设计,可能需要专业软件来设计电路。

  在作品实际制作之前,必须让学生做好充分的准备,因为磨刀不误砍柴工,准备得越充分,后期遇到的问题也就越少。

  作品的设计、制作等都是建立在一定的知识之上,对于相关的知识在此给出,学生学习之后就立即可以用上,他们会自己积极、主动地学习。需要说明的是,这儿的知识要与作品有高度相关性,关联性不强的知识不要过多堆砌,不强求知识的体系性。

  STEAM教育要体现工程建设理念,任何工程的基础是产品的准确尺寸,没有准确的尺寸数据,将会无法完成产品的设计,制作出来的产品也会因为粗糙要归于不合格之列。从各地STEAM教育开设来看,目前这个环节还没有引起足够的重视,做出的作品与目标还有不少距离。

  制作产品肯定要使用各种工具,熟练使用各种工具也是学生在生活中必须掌握的一种基本技能,可以解决生活中的许多小问题。在教学中,教师先要做好正确示范,要注意随时纠正学生不规范使用方法,严格要求会让学生一生受益。

  根据作品设计,选择相适合的材料。先用图或表将所选的材料罗列出来,在实际教学中,如果有条件许可,最好能将这些材料分类取出放置,使学生养成良好的工作习惯,且不可杂乱无章。

  通过技术实施,完成硬件搭建和软件编写,这个环节需要花费大量的时间,期间可能还需要反复修改。

  需要将硬件分成几个模块或几个部分进行搭建,然后将各个模块组装到一起。对于一些比较简单的作品,也可以先搭建主体,然后将其他部件安放到主体上。

  总之硬件搭建要有明确的思路,按照之前构思的顺序进行搭建,养成良好的习惯,避免想到什么搭什么,以此培养学生严谨的工作作风。

  首先需要选择合适的软件,由于每个学生对不同软件熟悉程度不同,兴趣不同,同样的作品可以选择不同的软件完成程序编写。在程序编写之前,先要对软件的功能进行充分分析,构思出程序的结构,设计出程序的算法流程图,然后严格按照算法编写出相应的代码。

  作品完成后,是否达到设计要求,需要检测进行评估。制作好的作品,通过交流分享,可以调动学生的积极性。

  此环节的目的是检测作品是否达到设计要求,故要准备一定的检测条件( 如场地、器材) ,设计出一定的检测方法,对作品进行调试检测,检测时还要控制变量,以判断当出现问题时,问题出现的原因,以便改进。

  STEAM教育一般通过分组完成,每个组将本组的作品思路、制作过程、经验教训等总结出来,然后再全部交流共享,如此可以互相启迪、共同提升,学生的思维得到了锻炼,表达能力、交流能力也有了训练的机会。

  作品制作好了还没有达到全部教学目标,还需要提升反思。本环节非常容易为大多数师生省略,但它对学生核心素养达成有着不可替代的作用。

  通过对作品进行调试、评测,尝试对作品进行改进,探讨是否还能增加一些功能。通过其他人的使用,获取其他人的使用感受和改进意见,对此进行总结,对作品进行优化,使作品更实用、更美观、更经济。

  让学生总结在作品制作过程中一些成熟的方法,以便推而广之。对于过程中出现的问题、犯下的错误要进行反思,尽可能在后面的学习避免犯同样的错误。教师要引导学生每次学习后都进行反思,将反思内化为思维活动的一部分,从而提升学生科学思维水平。这个环节可能许多情况下被忽略,但却是非常好的学习方法,也是提升思维品质的有效途径。

  STEAM教育作为一种创新的教学方式,但因为教师在传统教学模式中浸润太久,学生一直接受的是传统教育模式,教师和学生非常容易不知不觉返潮,出现如下问题。

  STEAM教育一定会涉及知识学习,但如果将其作为重点,就本末倒置,因为知识只是作品设计、规划和制作的基础,所以,尽可能应用已经学习到的学科知识,对于新知识也是有取舍地学习,不相干可以留待需要的时候再学。将重点放在培养学生创新精神和实践能力之上。

  传统教学模式延续了多年,许多教师习惯了照本宣科,将项目的各个环节进行讲解、演示,学生也习惯了这种模式,上课时努力去聆听教师的讲解,观看教师的演示,或许最终也能将作品完成,但如果再让他们做一个同类的产品,他们会束手无策,因为在这种模式之下,学生的能力没有得到培养,素养在低位徘徊,这种教学模式完全违背了STEAM教育原始之义。

  实施STEAM教育,学生制作作品过程中出现错误是经常发生的,许多老师在遇到学生出错时,立即就告知学生错误原因,力图让学生早点顺利完成作品,这种做法给学生带来的可能是伤害。

  本来出现错误是给学生创设了一个很好的情景,可以促使学生分析错误原因,思考解决问题的方法。而且,错误让学生明白此路不通,就会避免再次犯同样的错。当然,如果学生确实无法找出错误原因和解决办法,教师可以提供一定思路,但不要越俎代庖。

  STEAM以项目学习方式开展,引导学生运用跨学科知识,通过合作、设计、建构来发现、解决真实情景中问题,目的是发展学生的核心素养。

上一篇:硬件工程师能做到年薪百万吗
下一篇:旷视发布智能四向车系统硬件稳定可靠、软件智能调度、方案创新