stem教育教學設計范文第1篇
一、研究背景及意義
(一) STEM理念
STEM的全稱為:Science (科學) 、Technology (技術) 、Engineering (工程) 、Mathematics (數學) ?？茖W所代表的是認識和解釋自然界的客觀規律;技術和工程所代表的是在尊重自然規律的基礎上, 對世界進行改造、控制和利用自然界, 并且不斷的去解決社會發展過程中遇到的難題;數學則作為一種基礎工具, 用來協助技術與工程學科。因此, 通過STEM理念的建設, 能夠培養學生的基本知識與技能以及對基本知識與技能的綜合應用[1]。
(二) VEX機器人競賽
VEX機器人競賽是由卡耐基梅隆大學、美國太空總署 (NASA) 等機構大力支持的機器人項目。學生以及老師可以通過每年不同的比賽規則, 大膽發揮自己的創意, 用手中的工具和材料創作出屬于自己的機器人。
二、機器人綜述
機器人主體框架由L型、C型鋁條和鋼條拼接而成, 用螺絲、扎帶、限位杯等使之更加牢固。傳動裝置利用32、84齒加強齒輪, 使用加強鏈條連接, 使其成為齒輪組, 齒輪間用通過高強度傳動軸連接。輪胎使用4英寸雙排萬向輪, 并使用Potentionter, Quadrature Code等傳感器, 使機器人能夠按照規定的路線行走。使用7.2V3000mAhNiMH電池保證其動力。利用VEXnetKey2.0捆綁控制微操控結構, 通過C語言, 使用ROBOTC進行開發。采用電驅動三線393馬達, 將馬達內部齒輪組改為高速齒輪組建。
三、具體結構
(一) 底盤結構
采用鏈條式傳動, 將四個馬達放置于車體中心升降結構下方。鏈條式傳動較齒輪式傳動, 可減少齒輪間摩擦力增大工作時容錯率, 能夠更好的保護馬達。底盤所有傳動齒相同, 來保證不同馬達間不會因扭力大小不同而產生動能損失。在從動齒輪上安裝了軸角傳感器, 能夠測定機器人兩邊邊輪子行進的距離, 便于后期進行有效的編程來控制機器人。
(二) 抬升結構
抬升結構上, 采用了反向雙平行四連桿的弓字抬升。它比平行四連桿的最高抬升高度稍低, 但是效率更高。傳統平行四連桿結構只是單向上下運動, 不利于機器在被干擾時的穩定性。在改進的結構中, 雙向運動的下部和上部均有所抬升, 可以很好的保證抬升結構的穩定性, 減少側翻概率。在升降結構的中部, 放置了能精確感知0°-270°的角度傳感器, 從而實現精確抬升。通過編程, 能完成一鍵從底盤到最高堆疊處, 減少了由于電池電壓問題導致的抬升位置不準確的問題。
(三) 夾取結構
采用了先進的折疊式機械臂。這種機械臂的特點在于, 短小, 并且效率高, 可以完美保證機器在高位運動時, 機身的穩定性。其鏈條結構由兩個鎖死的齒輪通過鏈條相連, 以此來保證第一級和第三級的機械臂保持相對夾角不變。選取以皮筋作為夾子的軟質夾子結構。這種夾子可以使錐體在地上和夾取到空中時, 保持相同姿態。采用雙限位措施保證在機械臂收回后, 夾子能懸停在一個相對位置保持靜止, 即通過角度傳感器實現電限位和物理限位, 不僅能保護馬達不用長時間帶電來保持平衡, 還能最大程度上減小慣性帶來的影響。
(四) 其他改進
在機械結構上, 由于抬升結構自重的問題, 持續工作對馬達的損傷較大。因此在升降結構中加入皮筋。上升時, 皮筋在縮短的過程中, 釋放能量幫助機械抬升;在下降時, 皮筋在伸長的過程中儲存能量?？梢允沟民R達在反轉時, 可以將無效功率化為能量存儲在皮筋中, 以此達到保護馬達的作用。
四、結論
本文基于STEM理念并結合VEX機器人的相關零件, 成功設計并實現了錐體堆疊機器人。根據設計需求, 確定機器人的主體結構為弓字抬升, 即反向雙平行四連桿結構, 來保證機器人抬升過程中具備足夠的穩定性。與此同時通過實際檢驗, 該種結構既能滿足對于效率的要求, 還能適用于更高的錐體堆疊高度。
摘要：隨著科學技術的不斷發展, 越來越多的大學開始重視對于學生創新能力的培養, 無論是在國內還是國外, 有越來越多高校投入到機器人教育中。機器人教育蘊涵了科學, 技術, 工程, 數學, 是STEM理念教育的最好的體現。本文所設計實現的VEX錐體堆疊機器人也是基于這樣的目標實現。
關鍵詞：STEM,VEX,錐體堆疊機器人
參考文獻
stem教育教學設計范文第2篇
【本刊訊】2016年10月14日,以“STEM+教育:創新·創客·創業”為主題的2016中美STEM+創新教育論壇系列活動北京專場在北京教育學院舉行,會上揭牌成立了聯合國教科文組織亞太國際教育與價值教育聯合會STEM+創新教育中心。該中心設在北京教育學院,并將依托該院的STEM+教育研究工作室展開工作。
STEM教育融合科學、技術、工程、數學這四門學科的基礎知識,在項目學習中應用跨學科知識綜合培養學生21世紀的技能與核心素養,逐漸成為引領世界教育創新發展的主要內容,也對我國教育創新發展產生了重要影響,是中國“十三五”時期教育創新發展的重要理念和內容。為貫徹落實2030年世界教育愿景與目標,更好地交流和分享中美基礎教育改革與創新經驗,特別是STEM+創新教育的最新進展和實施策略,聯合國教科文組織亞太國際教育與價值教育聯合會、國際教育榮譽學會、中美國際教育協會在北京、浙江等地舉辦STEM+創新教育論壇活動,特邀30位美國STEM+創新教育領域的管理者、研究專家與一線教師,與我國該領域的研究者與實踐者深入交流和研討,培育中國STEM+創新教育環境,促進STEM+創新教育隊伍建設和可持續發展。
本次北京專場論壇活動除邀請了中美專家作專題報告外,還邀請了中美學科教師作STEM+創新課堂實例展示,并有兩位專家對課例進行了點評。
stem教育教學設計范文第3篇
STEM教育是科學、技術、工程、數學等跨學科、跨領域的綜合,是國際教育領域中新興的教學模型與方法。在當今對創新型人才急需的情形下,STEM教育逐漸成為各國提升綜合國力的重要教育戰略。在美國,STEM教育已被寫入《美國競爭力法》,從國家法律的層面確定了STEM教育的戰略地位,并將工程與技術教育的內容明確在2013年發布的《美國新一代科學標準》之中。
我國《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010～2020年)》中提出:建立創新人才培養模式,以適應國家和社會發展需要……創新教育教學方法,探索多種培養方式,形成各類人才輩出、拔尖創新人才不斷涌現的局面?！?015年地平線報告:K12版》提出:“STEM學習的崛起”將成為“未來技術驅動K12教育的重要趨勢”,我們的教育會“由學生作為教育的消費者向學生作為教育的創造者進行轉變”。國家教育部出臺的《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》中也明確指出“有條件的地區要積極探索新技術手段在教學過程中的日常應用,有效利用信息技術推進‘眾創空間’建設,探索STEM教育、創客教育等新教育模式,使學生具有較強的信息意識與創新意識,養成數字化學習習慣,具備重視信息安全、遵守信息社會倫理道德與法律法規的素養”。
基于此,我區在《奉賢區推進教育綜合改革實驗區項目方案(2015～2020年)》中強調要以“全面課程、校本特色”為目標,加強跨學科綜合課程和校本特色課程的建設,推動學校建設一批跨學科綜合課程,加快推進校本課程的特色化向區域性、品質化發展。我區試點引進和試驗STEM課程,依托駐奉賢高校以及區內外先進企業、現代農業園區等資源優勢,共建“創新實驗室”,推進創新人才的培養。
結合我區綜改要求,我院教育研究中心于2015年向上海市教委成功申報了“奉賢區STEM課程建設與開發實踐研究”“奉賢區STEM創新實驗室”兩大項目。STEM項目研究得到了各級領導及相關部門的支持,奉賢區副區長倪閩景對如何開展研究提出了指導性意見:要有國際視野并主動尋求資源支持,要把STEM項目推進與每所學校的特色建設聯系在一起,項目實踐要與奉賢的企業建立深度合作,要結合3D打印等前沿技術進行發展……如何讓這顆創新的種子在奉賢的土壤上實現落地、生根、發芽?為此,我們不斷積極探索著。
一、區域STEM教育研究實踐
1. 取經問道促成長
我院教育研究中心集結了相關學科的十多位教研員成立了項目研究中心組。為了開拓視野,2015年9月,項目組赴東南大學進行學術交流活動,參加了東南大學“國培項目”培訓,參觀了“做中學”科學教育改革實驗項目及STEM課程資源成果展,與研究中心主任葉兆寧領銜的團隊就STEM課程建設與開發進行了互動交流。此后,項目組認真梳理學習成果,由組長吳志群老師在我院大會上作“在區域STEM項目推進中成長”主題發言,提高了我院教職員工對STEM教育的認識。
2015年10月,項目組赴無錫市南湖小學進行課堂觀摩與創新實驗室體驗。項目組觀摩了四年級《能聽會說的溫度計》一課。南湖小學以物聯網為平臺,結合STEM教學模式將現場聽課教師角色轉變為互動說課《感知留言機》。此外,項目組還在比特實驗室公司創始人曹偉勛博士的帶領下參觀了比特公司,進一步了解物聯網技術對教學和學生綜合素質提高的重要作用,體驗了比特創意作品所帶來的沖擊和震撼,也為教育學院建設STEM教育創新實驗室提供了建議。
這一期間,項目組還相繼參加了一些科技機構、教育公司組織的考察學習,如參加了由教育部教育信息化技術標準委員會、華東師范大學主辦的第三屆“上海智慧教育論壇”活動,上海諾凡特教育科技有限公司組織的“設計·領跑·未來”大型展示活動,上海成鼎科技教育有限公司組織的上海市優質學校STEM創新實驗室展示活動,上海南洋科技有限公司組織的參觀易教“未來STEM教室”活動等,我們還邀請到了上海市教委基教處、新優質學校研究所、上海市史坦默國際教育研究中心組織的STEM+課程校本開發與實施展示交流活動,上海STEM云中心考察學習活動,上海市史坦默國際教育研究中心相關專家到教育學院與項目組成員進行交流互動。
2. 師資培訓奠基礎
(1)與東南大學合作培訓課程教師
通過學校推薦、教研員推薦相結合的方式,我們于2015年遴選出了首批14所試點學校及41名STEM教育志愿教師。項目組與南京東南大學合作開展課程培訓,本培訓項目分為三期集中培訓和一期網絡研修培訓。2015年11月16日,我區首批STEM課程培訓啟動大會在南橋小學恒賢校區舉行,我區教育局基教科科長朱銀蓮、張桂英,我院黨總支書記徐莉浩、院長蔣東標,我區第一批STEM試點學校校長、中小學教導主任、學員參加了啟動儀式。東南大學副教授葉兆寧作了“創新教育與STEM教育”專題報告。之后,專家帶領項目組和培訓班學員分8組體驗了STEM課程,如太陽能熱水器、快遞薯片等活動,并以小組為單位結合生活實際以海報的形式嘗試設計STEM課程,積極實踐在活動中融合科學、技術、工程、數學等學科思想的理念。教師們設計實驗方案,測量、歸納實驗結果,培訓過程既有專家評議又有同行評測,充滿創新與挑戰。第一階段的課程培訓過后,學員們進入了為期5周的“設計與發現”網絡研修課程。網絡研修由淺入深地帶領學員們走進了設計的世界,掌握工程設計的10個流程,課程中提供的大量與生活密切結合的實際案例和活動設計深受學員歡迎。
為了提高學員的課堂實踐能力,2016年1月,項目組教研員帶領培訓班教師前往東南大學參加了課程實踐培訓。學員們體驗了STEM課程“機械手”“做紙飛機”“利用簡易器材搭建橋梁”等活動。在小組合作、分享、交流中,教師們對STEM課程的特征有了更清晰的認識,也領悟到了探究式科學教育的重要性及具體實踐方法。經宣傳發動,我區各中小學校積極報名參與了STEM課程試點,推薦骨干教師參加培訓。2016年3月,項目組與東南大學簽定了第二批培訓協議,并于4月啟動了第二批STEM課程培訓活動。
(2)與科技公司合作開展3D打印培訓
為進一步提高我區STEM教育教師的專業素質和實踐能力,項目組與青島尤尼科技有限公司合作對項目組教研員及教師進行了3D打印技術培訓。3D打印是STEM課程開展的重要載體,結合實踐活動,青島尤尼科技有限公司3D生態思維項目總監李田老師對3D打印進校園的意義、3D創新實驗室布局和功能區、3D打印課堂的組織形式等方面做了闡述。參訓教師對3D打印技術有了初步的認識,為其今后在學校STEM課程中融入3D打印技術打開了思路。
3. 學科融合探路徑
“奉賢區STEM課程建設與開發實踐研究”項目組由自然、科學、勞技、信息、探究、數學、物理等多門學科的優秀教研員組成。在研究團隊中,教師們彼此信任、優勢互補。教研員們充分利用教研活動,向學科教師進行STEM教育理念、STEM案例分析等方面的培訓,引導教師挖掘學科資源,將STEM教育理念有機融入學科教學的實踐活動中。例如,在科學學科教研中開展了“制作降落傘”“探究水果的秘密”“制作過濾柱”等STEM教學方案交流活動,結合科學教材中降落傘設計比賽組織學生開展課堂實踐活動,并編寫成學生STEM小課程;在探究型、拓展型課程中舉行了“微生物和STEM、探究果蔬保險”STEM課例研究活動,通過備課、試教、展示課,引導中心組和骨干教師整理全過程資料,梳理出實驗探究的“關鍵技能”和“規則意識”,積累和總結比較成熟的課程案例,使更多的教師對STEM教育有了新的認識。
4. 平臺建設助實踐
想要推進STEM教育,項目研究、師資培訓、實踐體驗、作品展示等就必須要有—個實踐平臺,需要建設STEM教育創新實驗室。在STEM創新實驗室中,教師可充分發揮自己的聰明才智,進行設計、制作、探究,實現自己的創意。結合市級項目“區域STEM創新實驗室建設與開發”,2015年12月至2016年3月,項目組成員與多家公司展開洽談,并于2016年3月底順利通過招標方案,在區教育學院著手打造STEM教育創新實驗室,9月便投入使用。
5. 課程開發謀自主
通過前期的考察觀摩、師資培訓等活動,項目組教研員及教師對STEM教育有了初步的認識,部分教師在自然教研員褚克斌的帶領下圍繞“紙”為主題開展了課程開發與實踐活動。紙對于學生來說,是再熟悉不過的學習用品,它也是開展STEM項目一種很好的基礎材料。項目組以“紙”進行系列活動的設計,經過學員們的商討、嘗試,在眾多的選題中選擇了更適合開展STEM教育的主題:紙船、紙飛機、紙塔、紙凳、紙袋、紙繩,并成立了6個小組進行活動方案設計。每個主題設計不少于6個活動方案,在多次商討與修改后,由試點學校進行實驗。
項目組緊緊抓住STEM教育培訓教師,指導他們結合學科、結合校本課程項目再度開發STEM課程。目前我區90%以上學校有1門以上的校本特色課程,2014年區、校兩級評審,分“德育實踐類、語言文化類、工藝美術類、音樂舞蹈類、科普制作類、體育健身類”等若干類評選出了101門區級特色課程。其中,“蔚藍的天空”“城市生態文明”等已經入選成為上海市中小學專題教育網絡課程。這些特色鮮明、易于實施、具有普適性的校本特色課程經過改造、提煉后,也將成為我區開展STEM課程研究最豐富的資源。
項目組積極幫助基層學校尋找STEM課程的開發點;與試點學校校長就STEM課程開發實施作互動交流;到奉賢區教育學院附屬實驗小學了解上海市提升中小學(幼兒園)課程領導力行動研究項目——全方位學習“綜合主題課程設計的實踐研究”;指導奉賢區實驗中學教師結合校本課程(玩轉魔方)尋找STEM教育的結合點;指導肖塘小學開展“紙繩拖重”的STEM活動;指導泰日學校開展3D打印作品設計培訓活動……在調研指導中讓更多的教師、學生通過自己制作、測量、記錄來感受STEM課程,并對其產生濃厚興趣。
二、區域STEM教育推進思考
1. 區域層面(頂層設計、指導管理)
首先,確立區域STEM教育發展目標,形成系統的符合區情又具有前瞻作用的管理機制和運行策略。其次,進一步引進高端的指導團隊,指導區域STEM課程的建設,有序開展教師培訓。第三,引進國內外相關課程,在與高校、培訓機構合作的基礎上,逐步凸顯區域STEM教育特色。第四,有效結合區“星光燦爛”計劃、創新實驗室工程,指導學校結合校本特色課程、師資特點,開展STEM課程研究。第五,有效指導學校與中小企業建立產學互動關系,探索具有區域特色的課程實踐活動模式。第六,在學科(科學S、技術T、數學M)基礎上,創設工程E平臺,研究學科整合,學段間逐漸實現課程的系統銜接。第七,借助區域績效工資方案指導學校營造有利于課程改革的評價。
2. 學校層面(資源配置、課程設置、經費投入、團隊建設)
首先,我們結合上海市教委“十三五”規劃要求,建設基于STEM教育的創新實驗室,為師生學習提供實踐平臺。其次,我們合理設置課程,有效融合自然、科學、勞動技術、信息技術、數學、物理、化學、藝術、拓展型、研究型等課程師資,形成研究團隊。第三,我們依據學段特點、傳統優勢、校本特色開展STEM課程建設,逐步實現了課堂教學轉型,在創新實踐中構建發展學生核心素養的課程體系。
我區STEM教育的推進將根據上海市教委“十三五”規劃要求,在區教育局“自然、活力、和潤”的南上海品質教育區建設目標引領下,結合“星光燦爛計劃”,在3至5年時間內至少為每校培訓3至5名課程教師,指導學校構建起具有自身發展特色的STEM課程和STEM創新實驗室,推進區域校本課程從特色化向品質化發展。同時,項目組將梳理學校課程建設、實施、管理、評價以及保障中存在的普遍問題,研究校本教研、校際教研、區域教研的模式,形成《奉賢區STEM課程區域管理與指導》手冊,構建起奉賢區STEM課程共建共享的機制和資源平臺。結合區教育局績效工資改革,我們形成了特色課程評審、特色教師評審、“合格、優秀、示范”三級校評審等區課程綜合評估方案和評估指標體系,推進了區域STEM教育科學、特色、有序、規范地開展。
stem教育教學設計范文第4篇
如圖所示, 本教案選用Arduino套件來使學生通過對于電子電路、開源軟件、程序設計等知識有所理解和掌握, 教案中的重難點與STEM各個要素的銜接見下表。
電子控制技術是通用技術課程中的重要內容。在《按鍵開關LED燈》案例中, 有一個具體任務就是要通過開關來控制LED燈的點亮和熄滅, 同時要燒錄相關的Arduino程序。所以整個過程是一個任務實現的過程, 經過流程分析、技術實現等, 符合STEM中的工程素養; 對于電路的學習屬于物理學范疇;對于Arduino程序設計的學習具有技術特征;流程圖的設計以及四腳開關 (邏輯判斷) 等也符合數學特色。這個教案是典型的STEM教育理念指導下的通用技術教學方案。
教學步驟
1.情境引入
教師展示Arduino制作的四腳按鍵開關LED實驗現象圖或視頻。
設計意圖:案例引入, 原理介紹, 準備新實驗器材。
2.新知講授
準備好上面的東西, 就能開始我們的實驗了。本實驗引入了四腳按鈕, 為了能讓本次實驗順利進行, 教師先對本次實驗中所涉及的四腳按鈕做個簡單介紹。
(1) 認識器材:四腳按鍵
(2) 連接電路并學習模擬量
設計意圖:介紹Arduino物理電路連接, 為后面正確實驗效果奠定基礎。
(3) 燒錄程序
將上述代碼復制到IDE窗口中, 先編譯, 如果無誤, 再上傳燒錄至控制板中。如上圖所示, 完成后可以測試實驗結果。
3.學生動手實踐
在學習了本節課的知識后, 學生們具備了自己去連接電子電路、編寫程序燒錄代碼的能力, 并能進行小組協作來完成這個學習項目。于是, 教師就可以讓學生們自己動手實踐, 并給予指導與評價。
stem教育教學設計范文第5篇
首先,STEM高中會在S(科學)、T(技術)、E(工程)、M(數學)四個學科為學生提供非常具有挑戰性和專業難度的課程,目的就是先為學生打下堅實的科學、技術、工程和數學基礎。這種難度有時候堪比大學,甚至不少學生認為,“STEM高中”畢業生的水平比大學生還要高。以技術、工程方面的課程設置為例:培養出8名諾貝爾獎得主的紐約布朗克斯科學高中大概是美國STEM高中里最富盛名的,該校對技術、工程基礎的技術制圖課程要求很高,學生要學習工程制圖、電腦制圖乃至建筑畫圖等。紐約另一所知名的“STEM高中”——布魯克林科技高中則是引入了高校的專業課程,如電子工程、軟件工程、工業設計、媒體傳播學以及工程學等。北卡羅來納州科學和數學學校(NCSSM)在技術、工程方面設置的課程多達21門,涵蓋了計算機科學、數據庫、高級編程、機器人技術以及“工程—機械”“工程—電子”方向的課程,具有相當的專業深度。
在四個學科打下堅實的基礎后,“STEM高中”再采用課題研究、導師制項目,甚至參與一些學術性研究項目的方式來綜合運用STEM領域知識與技能解決相關問題。
有人會說,美國的這些“STEM高中”大多屬于精英學校,他們的這種“先專深、再綜合”的做法有多少可借鑒性呢?在我看來,問題不在于具體的操作方式,而是這種做法背后的理念。那就是:要想有效地把科學、技術、工程、數學四門學科綜合起來,讓它們之間產生新的“化學反應”,就必須深入把握每一門學科的本質,掌握每一門學科的知識、原理、思想、方法,理解每一門學科是如何影響其他學科的。比如,如果缺乏工程學的基本知識和方法,就難以有效地連接數學、科學與技術三門學科。而對一個不會數學建模的人來說,數學與技術的綜合又從何談起呢?
相比之下,我們更多的是利用校本課程、研究性學習、綜合實踐活動、夏令營、科技競賽等平臺,在一個統一的情境下混合四門學科來實施STEM教育。場面雖然熱鬧,實際效果卻未必理想。這樣做的目的是為了讓大多數學生體驗STEM教育的方式,目的本身倒無可厚非,但如果是為了培養真正的STEM人才,總有點花拳繡腿的感覺。
那么,美國“STEM高中”的做法能否“拿來”呢?能!
首先,從宏觀政策層面,隨著國家對STEM的重視,我們自己的“STEM高中”建設會逐步提上日程——2012年深圳科學高中的建立就首開了國內“STEM高中”的先河。
其次, 在現有條件下, 我們同樣可以從美國“STEM高中”的做法中獲得啟示。那就是:從中學主流課程切入開展STEM教育。我們的科學、技術、數學課程雖然在深度上可能不如美國的“STEM高中”,但畢竟進行了長時間的專業訓練。我們完全可以從科學、技術、數學課程入手,從兩兩學科的綜合開始起步。譬如嘗試“科學—數學”“科學—技術”“技術—數學”的綜合,這在我國課程標準的要求中也多有涉及。以此為基礎,慢慢引入工程思想,實現STEM能力的綜合。
stem教育教學設計范文第6篇
樣本
該小學坐落于弗吉尼亞州某城鎮郊區中等收入地區, 隸屬蒙哥馬利郡學區, 毗鄰弗吉尼亞理工大學。筆者通過立意抽樣, 得到兩個四年級的班級。班級A共有19名學生參與課堂活動。其中白人占84.2%, 少數民族占15.8%;男生占36.8%, 女生占63.2%;特殊教育學生5人, 占26.3%。主講教師擁有教育學碩士學歷。在授課過程中, 有兩名特殊教育教師協助教學。班級B有17名學生。其中白人占82.4%, 少數民族占17.6%;男生占35.3%, 女生占64.7%;無特殊教育學生。班級B主講教師擁有多年教學經驗。
學校環境
1.小組合作學習
與國內大多數小學教室桌椅全部面向前方不同, 筆者所觀察的若干教室的桌椅布置, 均為3個~5個學生一組, 學生面向小組中心而坐, 方便討論與合作。這也是美國公立小學教室的典型布置。課堂上, 很多活動要求學生以兩人為單位或以小組為單位完成。一方面, 在教具有限的情況下, 可以讓教具得以充分利用;另一方面, 鍛煉學生團隊合作的能力。由于圍坐于“圓桌”, 削弱了差異感, 學生們更易自由發表意見和分享交流。
2.辦公室與教室合一
每位教師的辦公桌設在其負責的教室中, 學校里沒有單獨為教師設立辦公區域。教師全天與自己的學生在一起, 肩負授課和監護責任。教師和學生可以自由布置自己的教室。筆者參觀的教室中, 墻上貼滿了各學科的術語和關鍵詞。教師之間交流與合作的多寡, 取決于每位教師對自身的要求、同事關系、校長要求以及學校的整體氛圍。在訪談中, 一位教師這樣說道:“教師間的交流取決于具體情況。我剛到這所學校任職不久, 還有很多需要去了解和適應的。有些教學經驗豐富的教師, 也許并不需要和其他人交流教案。因為他們已經有自己的一套體系和方法。”
3.授課安排
一名教師一般固定教授某個年級, 并負責一個班級某一年級的全部基礎科目, 包括:數學、語言 (英語) 、科學、社會學。與中國對基礎教育教師的要求相比, 這種設置重視教師對不同年齡段學生教育方法的掌握多于對某一學科內容的駕馭。
一位教師表示:“我只能教授四五年級的課程, 因為低年級學生的行為、學習方式和理解能力與高年級不同。對于低年級的學生, 需要用到其他的教學方法。”
學校除了基礎科目的安排之外, 提供課后科學等學科俱樂部, 供有興趣的學生選修。每年學校舉辦一次學生科技展覽會, 由學生自擬主題, 展示自己在科學技術方面的探究成果, 家長負責協助學生完成項目。
動手做數學 (Hands-on Mathematics)
數學和科學中有很多抽象的概念, 一些學生難以輕松地理解。如果僅僅通過灌輸定義和大量的練習來提高學生的理解程度, 一是事倍功半, 二是讓學習過程枯燥無味, 學生體會不到學習的成就感和樂趣。長此以往, 學生即便掌握了知識, 卻也失去了求知的動力, 得不償失。而使用教輔工具, 將抽象的概念具體化, 讓學生看得見、摸得著, 再結合問題導向式的學習方法 (Problem-based Learning, PBL) , 利用人類求知求解的天性, 引導學生自己利用手中的工具, 自己想辦法解決問題, 就會把學習的過程變得輕松有趣。
在班級A的四年級數學課上, 教師只有一個教學目標, 就是讓學生理解和掌握等分數的概念。單位長度等分的分數條尺組是一種非常直觀易用的數學教具 (如圖1) , 而彩色的分數方塊難度稍高但更加有趣 (如圖2、圖3) 。
在開始新的教學內容之前, 教師使用條尺, 復習分數的概念和比較分數的大小。傳統教學順序中, 學生必須攻克“通分”這一難關, 才能順利解決任意兩個分數的大小比較。但通過視覺化教具——分數條尺組, 學生可以通過比較條尺的長度, 輕松判斷兩個分數的大小關系, 將基本概念獨立開來, 各個擊破。學生看到兩個不同的分數, 就嘗試用手中的條尺或方塊拼出相應的分數, 再將兩個部分的長度或者面積進行對比, 從而判斷分數大小, 同時記錄和摸索規律。
復習結束后, 教師正式介紹“等分數”這一數學名詞的定義, 即兩個分數在“量”上相等。而對于這一概念的理解和記憶, 則通過緊隨其后的大量的動手練習完成。
練習1:判斷是否等分數
教師讓學生判斷兩個分數是否相等 (如:1/3與2/6是否等分數) 。學生兩兩一組, 通過合作討論完成任務 (如用手里的積木拼出2/6和1/3, 并比較兩者面積是否相同) 。有的學生使用自己的尺或手指測量, 對面積進行估算, 有的學生將代表兩個分數的積木上下疊起來, 再比較去掉重疊部分兩塊積木余下面積的大小。這就讓學生在不知不覺中運用和鞏固了學過的知識, 并鍛煉了解決問題的能力和信心。
練習2:尋找某分數的等分數
教師讓學生尋找某個分數的等分數 (如1/3的等分數是什么) 。該問題可能有若干正確答案 (如2/6或3/9均是1/3的等分數) 。教師鼓勵程度較低的學生找出任意一個答案;對于程度較高的學生, 教師則鼓勵他們挑戰自己, 給出盡可能多的正確答案, 并探尋其中的規律。同一個教室, 同一時間長度, 不同的任務目標, 自然而然地形成了差異化教學, 以滿足每個學生不同層次的學習需求。
由于學生性格和行為方式的差異, 每一組在解決問題的過程中, 都顯現出不同的組織風格。有的組形成一人決策另一人輔助的團隊, 有的組兩人共同商討決定。在簡單的課堂活動中, 學生日積月累鍛煉溝通和團隊合作的能力, 學習適應不同的合作伙伴, 同時逐步培養和形成自己在團隊中的角色風格。
動手做科學 (Hands-on Science)
在班級B的科學課堂上, 學生通過設計和動手實驗學習電學基礎知識。學生在實驗操作中, 遵循“識別問題-提出假設-設計驗證方法-動手操作驗證-得出結論”的循環方式。教師的主要職責是引導學生提問和總結, 通過學生自己的探索, 來發現電路及其中元件的屬性。
實驗1:通路和物體的導電性
每組學生 (3人~5人) 都得到電池、燈泡、導線和若干其他待測物體。教師要求學生檢測元件是否可以正常工作。學生根據自己日常生活經驗, 自行小組討論后將電池、燈泡、導線連成簡單電路, 觀測到燈泡發光, 判斷為元件工作正常。教師在檢查每組的記錄后請學生總結現象。教師將學生所述的關鍵詞列在白板上, 再向學生介紹“通路”這一名詞, 并通過大屏幕向學生展示各種電路, 通過抽簽提問的方式, 讓學生判斷是否符合通路以及為什么。在此過程中, 澄清學生總結時未涉及的或有誤的概念。隨后教師給學生布置新任務:試驗并記錄待測物體的導電性, 并盡量使用術語 (如“通路”、“導體”) 描述現象和結論。學生依次將各種物品 (如磁石、粉筆、鉛筆等) 連入電路中。某組的一名學生意識到鉛筆由筆芯、木質筆桿、橡皮、金屬橡皮箍四部分構成, 于是該組將這四部分分別連入電路進行測量, 并區分了“物體”和“材料”兩個概念。提前完成實驗任務的學生可以自由地測量教室內的其他物品, 如白板、桌椅、人體、衣物。筆者輔助教師引導學生歸納導體的特點、電路的通路條件等。學生歸納出通路中的元件需為導體且閉環連接。部分學生根據實驗記錄, 可以指出導電性與材料有關。學生在未學習金屬的相關性質時, 通過實驗, 對其產生了一定的認識。動手活動讓學生更好地投入到課程內容中來。
實驗2:串聯電路和并聯電路
教師給每組學生2節電池、3枚燈泡和若干導線, 要求學生依次組裝一個串聯電路和一個并聯電路, 并根據串聯電路或并聯電路的特性, 自我檢驗電路是否為串聯或并聯。也就是說, 教師要求學生自己設計電路, 并設計實驗對電路的屬性進行判斷?；顒又幸笫褂眯g語進行解說。
在整個學習過程中, 學生不接觸電路圖, 而是完全實物操作。與紙上談兵不同, 學生可以清楚地感受到, 不同電路中, 燈泡發光強弱的區別, 對電壓、電流等概念產生感性認識。同時, 學生會遇到在實際生活或工程中經常發生的但書本上卻常常忽略的一些問題。
以某組串聯電路為例, 學生認為, 電池和三枚燈泡用導線一一相接之后, 三枚燈泡應該全部發光。連接電路后, 三枚燈泡均微弱發光。學生判斷斷開一枚燈泡的連接, 三枚燈泡全部熄滅, 于是學生判斷該電路為串聯, 元件完好。對燈泡發光微弱的問題, 學生認為可能是“電力”不足。對此, 該學生提出解決方案:向另一組借電池, 共享資源。而新電池如何加入電路, 該組學生想到日常生活中經常遇到的各種家用電器, 其中多節電池以正負相接的方式串聯起來。按照該種方式, 果然燈泡全部變亮。學生記錄研究問題、實驗設計及結果, 最后通過討論得到推論——串聯電路的各種性質。這樣的學習過程還原了人類探究知識的本來步驟, 培養學生的科學研究能力。
課堂教學實踐背后的環境、政策和理念
No Child Left Behind (NCLB) :不讓一個孩子落后
NCLB Act 2001實行十年以來, 給學校、教師和學生都帶來了相當大的壓力。標準統一化的趨勢給教師帶來新的挑戰。采訪中教師表示授課的內容開始遵循課程標準, 部分學生對應對考試感覺吃力, 教學中開始感受到應試壓力。
教師在應試壓力下應該擔當何種角色、如何兼顧大量的規定授課內容與每個學生的興趣所在、差異化教學和問題導向的學習方式對學生成績的影響等問題, 在近十年來美國K-12教育研究領域被廣泛地探討。
差異化教學:滿足每個學生的學習需求
差異化教學的宗旨是滿足班級里所有學生的學習需求, 尤其是當學習內容較難及學生水平參差不齊時。差異化教學的前提是教師了解班級里每一個學生的學習需求。教師在向全體學生授課的過程中, 按需要穿插小組活動。教師可將相同程度或有相同學習方式偏好的學生分在一組, 給每組指定不同的任務;或是將不同程度學生配對, 實現同伴互助 (peer coaching) ;或是對有需要的學生單獨進行指導, 等等。研究和教師反饋證明, 正確合理地使用差異化教學手段, 可以顯著提高學生的學習成果。
高危學生 (At-risk students)
高危學生在統計意義上比其他學生更容易在學業上失敗。他們一般成績較差和退學率較高, 而與之相關聯有諸多共性, 如經常轉學、家庭貧困、非裔或拉丁裔少數民族、母語非英語或者父母受教育程度低等。教育政策對這些學生有傾向性地提供幫助, 吸引這些學生留在課堂上, 并提高這些學生的成績, 縮小其與平均水平的差異, 以此來履行教育體制所應負的保障教育機會公平和合理社會階級流動性的責任。這些學生通常是差異化教學中著重考慮的對象。
I-STEM教育 (Integrative Science, Technology, Engineering and Mathematics Education) /問題導向式教學
I-STEM教育以技術教育為基礎, 將技術設計和科學探究結合起來, 讓學生在解決問題的過程中探究數學科學。這種以學生自主設計為核心的多學科整合學習方法, 著力于彌補數學、科學或其他基于內容的學科傳統教學中, 缺乏對學生調取知識識別和解決問題的能力的培養, 鼓勵學生自己設計解決方案和動手實踐, 模擬科學家和工程師的工作過程。I-STEM教育作為近幾年來教育界的全新理念和實踐, 正逐步滲入美國中小學課堂, 提高學生的學習意愿和求知欲望, 培養其工程素養和愈挫愈勇的求學精神, 為學生能更好地適應未來的學術和職業生涯做準備。
參考文獻
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