中小學STEM教育的概念及內涵

2021-01-11 戴毅麟行為素養教育
一輛自行車帶來的豐富創意

伴隨著工程教育改革的開展以及STEM教育理念的提出,越來越多的國家認識到中小學工程教育的重要性,紛紛採取相關措施加以落實。例如,美國通過教育實施工程拓展計劃,目標是提高學生對工程學的興趣和增加攻讀工程學位的學生人數(Jeffers et al.,2004)。英國皇家工程院實施工程教育計劃(Engineering Education Scheme),吸引有才華、富有積極性和創造力的年輕人進入工業界(Ritchie,2003)。與此同時,一些國家在基礎教育課程標準中滲入「工程」概念。2009年,美國國家工程學會發布的K-12工程教育報告( Engineering in K-12 Education)指出,中小學工程教育標準的三大原則——強調工程設計、發展STM(科學、技術和數學)知識與技能、培養工程思維習慣(Katehi et al.,2009)。2015年,澳大利亞發布的課程標準要求,技術教育開設兩門課程——設計技術和數位技術,其中對工程的定義是:對科學和數學概念的理解與實際應用,使用設計過程開發和維護滿足人類需求並有助於社會發展的解決方案( Australian Government,2012)。

綜上,中小學新工程教育應是為適應以數位化生產為標誌的第四次工業革命,在基礎教育階段著重培育學生的工程意識和思維、工程設計和實踐能力,注重對學生創意設計、動手操作、創新實踐以及對工程職業興趣的培養與訓練。其核心特徵表現為:工程設計、決策制定、物化實現和思維培養。

一個嶄新的空間打造

1.工程設計

美國紐約州在制訂學校工程教育標準時將工程設計描述為「涉及建模和優化的迭代過程,這個過程用於在給定約束條件下為問題解決開發最優化的技術解決方案」(Strobel et al.,2011)。工程設計過程是工程的核心,工程設計為科學、數學和技術教育的綜合實施提供了有意義的、開放的問題情境,鼓勵學生根據實際需要開發和選擇解決方案,允許學生按實施狀況重新設計和優化方案。

2.決策制定

資訊時代工程決策是複雜思維操作過程,是信息搜集與加工、做出判斷、得出結論的過程。絕大多數工程情境都要求工程師在考慮問題需求、資源總量等因素限制基礎上,從諸多問題解決方案中選擇最優方案,以便解決問題。工程哲學學者凱恩將工程描述為「在不確定情況下,工程師利用可用資源引起最佳變化的問題解決策略」(Koen,1985)。中小學新工程教育應倡導學生在分析和界定問題的基礎上,學會運用決策思維和系統性思維,充分利用科學概念、數學方法和技術工具引起「最佳變化」。

人工智慧的植入

3.物化實現

中小學工程教育,不僅要注重學生對相關工程知識的掌握,也要給予充分的「動手操作」機會,提高他們的創新實踐能力。我國新一輪普通高中課程標準修訂中,「物化能力」作為高中通用技術課程的五大學科核心素養之一,指將設計意圖和方案轉化為人工物或對已有人工物進行改進與優化的能力(陳向陽,2018)。工程教育同樣強調學生在學習過程中產生有形的結果,且學生需要考慮時間、成本、材料等條件限制,充分運用多學科知識和工具進行物化實現。學生物化實現的結果可以是產品模型,也可以是產品的外觀設計或系統概念圖,亦或是合理的問題解決方案。

機器人和編程的廣泛應用

4.思維培養

問題解決能力是資訊時代學生需要掌握的關鍵技能。中小學新工程教育的目標不是將每個學生都培養成工程師,而是讓他們在工程學習過程中逐步發展符合這個時代需要的工程思維,並運用這種思維方式解決問題。新工程教育以學生發展為中心,促進學生工程思維的養成,鼓勵學生在日常生活和學習中遇到未知、較複雜的工程問題時,能運用工程思維、選擇合適的技術工具解決問題。

創造力帶來的美好時光

課程的設計和操作中,行為素養教育更加深入的植入該理念,並按照多角度的方向和行為習慣改變的結果導向來為教育服務,從承智軍團開始,到整套系統課程的打造,在校園內部及校外年度系統課程的執行中得到深入應用。

由於目前教育對素質教育的認可不斷進步,戴毅麟老師和他弟子班的同志,對行為素養教育的未來充滿希望。行為素養教育就是素質教育的踐行。

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