stem课程的理论与实践

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1、东南大学学习科学研究中心 叶兆宁浙江省嘉兴市实验小学吴建伟（杭州（杭州2015.112015.11）想法(创意) 直觉设计，情绪，艺术团队(合作) 技术，工程，艺术，数学，科学什么是STEM教育？STEM教育教育：是科学（科学（Science）、技术（技术（ Technology）、工程（工程（Engineering）、数数 学（学（Mathematics）教育的统称，出现于上世 纪八十年代末的美国大学校园。在科学界和教育界的共同努力下，于本世纪初逐 渐走入基础教育，特别是2010年前后成为以美 国、英国为代表的国际科学与技术教育新兴的教 育实践和研究范式的主流。Science 科学科学Tec

2、hnology 技术技术Engineering 工程工程Mathematics 数学数学对自然世界对自然世界 的改造，以的改造，以 满足人类的满足人类的 需求需求。用于设计满足人类需用于设计满足人类需 求的物品、流程或体求的物品、流程或体 系的系统的、经常反系的系统的、经常反 复的途径和方法复的途径和方法STEM课程是什么样的？STEM是一种跨学科的、应用型的方法，它结合了动手做和基于问题的学习！STEM课堂上教师围绕一个真实问题，促进学生参与到一个班级范围内的小组中去开展研究，期间有可能通过面对面的方式、网络的方式与校外学习支持者、学习伙伴开展交流。这种“STEM的出发点”将提高学生对科学与

3、技术的兴趣，使他们离科学的本质更近。点击上图观看视频高锰酸钾溶液和维生素C的反应氧化还原反应氧化还原反应维生素维生素C有很强的有很强的还原性还原性，能，能把把高锰酸根高锰酸根还原成锰离子，溶还原成锰离子，溶液紫红色退去。液紫红色退去。开发具有吸引力、启发性和创造力的小学 STEM课程魔术水桶实验中的科学本质解决有意义的问题，尝试提出事物是如何工作 的。具有不同的想法（这使我们了解学生的前概念 ，并将其作为起点）引入假设调查/探究仔细观察得出结论（这样可以引出新的有意义的问题）小学STEM教学的基本原则和要求开发具有吸引力、启发性和创造力的小学 STEM课程STEM教育的本质在众多孤立的学科中建

4、立一个新的桥梁，为学 生提供整体认识世界的机会，通过把这四个领域 内学科知识和技能的教与学整合到一种教学范例 中，使学生学习的零碎知识变成一个互相联系统 一的整体，这样就消除了传统教学中各学科知识 割裂、不利于学生综合使用解决实际问题的障碍 ，是一种跨学科的的学习方法。为什么要强调STEM教育？信息洪灾每天出版每天出版5000本以上的新书。本以上的新书。纽约时报一周的信息量比纽约时报一周的信息量比18世纪一个人一生所遇到的还要多。世纪一个人一生所遇到的还要多。一年产生的信息超过历史上一年产生的信息超过历史上5000年产生的总和。年产生的总和。四年制的理工大学生第一年所学的知识，在他们进入三年级

5、时已经四年制的理工大学生第一年所学的知识，在他们进入三年级时已经 有一半过时了。有一半过时了。信息和知识的飞速增长超过了人类历史上任何一个信息和知识的飞速增长超过了人类历史上任何一个 时期时期诺贝尔获得者赫伯特诺贝尔获得者赫伯特西蒙（西蒙（Herbert SimonHerbert Simon，19961996 ）所说，求知（）所说，求知（knowingknowing）的意义已从能够记忆和复）的意义已从能够记忆和复 述信息转向能够发现和使用信息述信息转向能够发现和使用信息人类的知识极具增长使教育无法面面俱到人类的知识极具增长使教育无法面面俱到人类面临问题的新特点战争已没有边界，而且靠战争无法解决

6、问题。中东战争已没有边界，而且靠战争无法解决问题。中东 、乌克兰、乌克兰许多问题都需要国际合作：反恐、许多问题都需要国际合作：反恐、H1N1H1N1、国际金、国际金 融危机、全球变暖等等。融危机、全球变暖等等。经济竞争成为焦点：知识产权争议和贸易摩擦愈演经济竞争成为焦点：知识产权争议和贸易摩擦愈演 愈烈；在国际市场站不住的产品在国内也难站住；愈烈；在国际市场站不住的产品在国内也难站住； 经济增长与社会老龄化问题经济增长与社会老龄化问题21世纪的社会、科技的快速世纪的社会、科技的快速 发展需要创新的人才，教育发展需要创新的人才，教育 需要培养创新人才需要培养创新人才科学家用多功能干细胞首次培育微

7、型人类大脑科学家用多功能干细胞首次培育微型人类大脑据英国据英国新科学家新科学家杂志报道，目前，科学家在实验室里培育出杂志报道，目前，科学家在实验室里培育出 微型“人类大脑”，它包含着皮质层部分，海马体以及视网膜，微型“人类大脑”，它包含着皮质层部分，海马体以及视网膜， 是首次使用干细胞培育而成。是首次使用干细胞培育而成。2013年年8月月21世纪科学技术的快速发展2014年年8月月8日的美国日的美国科学科学杂志杂志 以封面报道的形式介绍，美国以封面报道的形式介绍，美国IBM和和 美国康奈尔大学成功开发了一种模美国康奈尔大学成功开发了一种模 拟人类大脑的信息传递机制的拟人类大脑的信息传递机制的

8、SyNAPSE芯片（芯片（Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics，即“自适应，即“自适应 可塑型可伸缩电子神经形态系可塑型可伸缩电子神经形态系 统”）。根据这种技术制造出的芯统”）。根据这种技术制造出的芯 片从设计理念上就不同于现有计算片从设计理念上就不同于现有计算 机使用的半导体芯片，将来可能应机使用的半导体芯片，将来可能应 用于研发即使没有人类命令也能自用于研发即使没有人类命令也能自 己学习，进而解决问题的人工智能。己学习，进而解决问题的人工智能。人工智能的快速发展1950年，阿兰图灵的一篇里程碑式的论年，

9、阿兰图灵的一篇里程碑式的论 文文机器能思考吗？机器能思考吗？为人类带来了一个为人类带来了一个 新学科新学科人工智能（人工智能（AI）。）。人工智能先驱、未来学家雷人工智能先驱、未来学家雷 科兹威尔预言科兹威尔预言 ：到了：到了2020年，我们将成功通过逆向工年，我们将成功通过逆向工 程制造出人脑。程制造出人脑。2030年末，计算机智能年末，计算机智能 将赶上人类。将赶上人类。2045年，人工智能会掌管年，人工智能会掌管 全球科技发展。至此之后，人工智能的摩全球科技发展。至此之后，人工智能的摩 尔定律被打破，科技将呈现爆炸式发展。尔定律被打破，科技将呈现爆炸式发展。 人类文明已经被人工智能所掌握

10、，人类文明已经被人工智能所掌握，2045 年以后的科技发展，已经无法被精确预测年以后的科技发展，已经无法被精确预测 了。了。Project Glass谷歌在谷歌在2012年年4月初公开了自己的增强现实月初公开了自己的增强现实 系统：眼镜计划（系统：眼镜计划（Glasses Project）增强现实型增强现实型 穿戴式计算穿戴式计算 机时代机时代49智能设备智能插座智能设备智能插座智能水杯智能设备智能插座智能水杯智能血压计智能设备智能插座智能水杯智能血压计智能手环付账也越来越智能工业发展553D打印技术打印技术 第三次工业革命第三次工业革命2013年年11月，世界首支月，世界首支3D打打 印手枪

11、问世，可实弹击发印手枪问世，可实弹击发2014年年8月，月，10幢幢3D打打 印建筑在上海张江高新青印建筑在上海张江高新青 浦园区内正式交付使用浦园区内正式交付使用2013年年1月，巴黎时装周月，巴黎时装周当当 3D打印从概念打印从概念 走向应用的时候，走向应用的时候， 4D打印已向我们打印已向我们 走来！走来！学习与创新技能批判性思考与问题解决能力（专家思考能力）交流与协作能力（复杂交流能力）创造与革新能力（运用想象和发明的能力）批判性思考与问批判性思考与问 题解决能力题解决能力 交流与协作能力交流与协作能力 创造与革新能力创造与革新能力灵活性与适应性灵活性与适应性 主动性与自我引导能力主动

12、性与自我引导能力 社交与跨文化交际能力社交与跨文化交际能力 生产能力和绩效能力生产能力和绩效能力 领导力和责任感领导力和责任感信息素养信息素养 媒体素养媒体素养 信息和交流技术素养信息和交流技术素养STEM教育的核心素养是什么？ 创新思维创新和创新思维创新是一个多层次、多角度的社会实践活动，它创新是一个多层次、多角度的社会实践活动，它 包括包括创造、发明、革新、制造，导致和促使产生创造、发明、革新、制造，导致和促使产生 过去不存在的知识、物质、物品或运用过去不存在的知识、物质、物品或运用，而且这，而且这 些新的、过去不存在的或是没有发现的新知识和些新的、过去不存在的或是没有发现的新知识和 新事

13、物是对社会发展有积极作用的。新事物是对社会发展有积极作用的。创新和创新思维创新思维是导致创新活动发生的源泉和核心。创新思维是导致创新活动发生的源泉和核心。创新思维是创新思维是人在面对需要作复杂决策情况下，在激人在面对需要作复杂决策情况下，在激情驱动下突现的一种灵感情驱动下突现的一种灵感，一种，一种积极的直觉思维；积极的直觉思维；常常又是常常又是跨学科跨学科的、循着不寻常思路发展的、高质的、循着不寻常思路发展的、高质量的量的综合思维；综合思维；它是它是基于已有的、长期积累的知识基于已有的、长期积累的知识（概念和模型）和推理（概念和模型）和推理之上的思想飞跃；它针对某之上的思想飞跃；它针对某一特定

14、的目标，并希望对这一目标的实现做出积极一特定的目标，并希望对这一目标的实现做出积极的贡献。的贡献。常用的创新模式提出一个别人还没有研究过的课题，这是提出一个别人还没有研究过的课题，这是创新创新；用与别人不同的研究方法去进行研究一个已经研用与别人不同的研究方法去进行研究一个已经研 究过的课题，这也是究过的课题，这也是创新创新；将一种理论、一个观点首次应用到实际中去，这将一种理论、一个观点首次应用到实际中去，这 是是创新创新；将已经在某一领域得到应用的理论、观点、方法将已经在某一领域得到应用的理论、观点、方法 和手段，应用到新的领域中去，也是和手段，应用到新的领域中去，也是创新（集成创新（集成 与

15、协同）与协同）。STEM教育的课堂教学特征一个STEM项目的课堂上教师可能提出一个问题， 然后要求学生组成一个班级范围内的探究小组开展 原创性研究。在研究过程中，学生被要求使用各种 技术和方法搜集信息、证据和数据、分析数据，并 设计、测试和改进一个问题的解决方案，然后与其 他同伴交流研究成果、分享信息。这个看上去“杂 乱无章(INTELLECTUALLY MESSY)”的教学情境，强 调的是学生设计能力与问题解决能力的培养，可能 涉及纳米技术、生物医学和天体生物学等多种学科 知识与技能。236541STEM 课程以学生为中心以学生为中心主主 动实践动实践学生进行合作学习、学生进行合作学习、 参

16、与整个参与整个STEMSTEM课程课程结果开放，允许多个结果开放，允许多个 正确答案正确答案包含包含S S、T T、E E、MM四四 个要素个要素以工程设计过程以工程设计过程 为主导为主导关注现实问题，注重关注现实问题，注重 在真实情境中学习在真实情境中学习STEM课程的六大特征教师手册教师手册A学生学生 记录单记录单B数字数字 资料包资料包C活动活动 材料包材料包DSTEM课程资源课程是动态的，生成性的科学探究科学探究选题选题设计实验方案设计实验方案提出假设提出假设基本环节（流程）基本环节（流程）收集和获取证据收集和获取证据分析数据、得出结论分析数据、得出结论阅读、观察、阅读、观察、 记录记录交流与展示交流与展示工程设计类项目的基本流程工程设计类项目的基本流程建构 （模型与原型）确定设计机会 （设计需求）调研 （确定问题）设计测试改进 （设计、模型、原型）展示与交流讨论 （解决方