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STEM教育研究与实践的理念与路径*——访不列颠哥伦比亚大学科学教育专家Samson Nashon ...

2019-4-29 14:11| 发布者: admin| 查看: 6| 评论: 0

摘要:   * 本文系全国教育科学“十二五”规划国家一般课题“北美面向青少年的数字教育资源建设机制研究”(课题编号:BCA150052)、教育部人文社会科学研究项目“面向智能教育的人机协同学业情绪精准识别与干预机制研究”( ...

  * 本文系全国教育科学“十二五”规划国家一般课题“北美面向青少年的数字教育资源建设机制研究”(课题编号:BCA150052)、教育部人文社会科学研究项目“面向智能教育的人机协同学业情绪精准识别与干预机制研究”(课题编号:18YJC880135)的阶段性研究成果。

  访谈者:您好,Samson教授。非常感谢您能接受我们的访谈。您是不列颠哥伦比亚大学科学教育系的主任,长期从事科学教育的研究,是此领域的专家。目前STEM教育已经成为科学教育领域的一种新理念,请问您怎么看待STEM教育及其与科学教育的关系?

  Samson教授:非常高兴能够接受你们的采访。作为一种教育理念,STEM强调将科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineer)和数学(Mathematics)四个学科相融合,打破学科壁垒,以知识之间的联系作为教学内容组织的原则与依据,基于真实世界中的问题情境开展教学。无论是科学教育还是数学教育,都需要学习者在真实情境中,调用各类知识解决复杂问题,本质上都是对学习者问题解决能力的培养。从这个角度而言,STEM教育是能够较好满足科学教育目标的一种教育理念,因此目前加拿大很多科学教育研究者都在积极推动将STEM教育作为开展科学教育的一种方式。

  就我个人理解而言,STEM教育实施成功与否的一个关键因素在于环境。如何设置恰当的问题情境,将知识的学习与环境建立起有效的联系是STEM教育推动者必须考虑的问题。因此,我提出了STEM(E)科学教育理念,旨在提醒教师们在实施科学教育过程中,要将环境因素(Environment)放在与教学内容同等重要的位置上。如果在问题情境的设置环节出现问题,那么即使教学内容具有再高的合理性,学生都很难取得良好的学习效果。

  访谈者:您刚才提到了环境因素对于STEM教学设计与科学教育的实施效果具有重要的影响,能否具体解释一下什么样的环境因素设计是最为合适的?教师在进行环境因素设计时,有哪些需要注意的问题或遵从的原则?

  Samson教授:环境因素的设计需要考虑两方面问题。

  第一,问题情境应是学习者身边的问题。科学教育中有一个重要的理念是强调手边的科学(Hands on Sciences),与其将科学知识的教育情境设置在实验环境中,不如在学习者身边寻找科学问题,从而建构与学习者个体相关的科学知识体系。例如,我们可以构设这样的问题情境:我们所在的城市有条又宽又深的河,那么如何在鞋不湿的前提下渡过这条河就构成了一个非常好的身边的科学问题。为了解决这个问题,我们需要了解河的宽度和深度等数学问题;如何乘船渡河、船的最大载重量是多少、如何才能不让船沉等科学、工程和技术问题。通过解决上述问题,学习者既能学到浮力、速度等科学概念,又能将这些概念与其应用情境建立联系,避免这些知识变为“惰性”知识,真正实现科学教育的学以致用原则。

  第二,问题情境必须是科学问题。有些真实情境中的问题可能需要运用科学知识解决,但其并不一定是科学问题。因此,在教学过程中,我们的提问环节应注意问题的设置是否恰当,否则无论它是一个多么贴近生活的真实问题,这个问题都不宜用在STEM教育的情境设计中。

  访谈者:通过您刚才的介绍,我们了解到STEM教育理念非常适于开展科学教育,但在设计STEM教学模式时要非常关注环境因素的真实性与科学性。那么,据您了解STEM教育目前在加拿大推广情况如何?是否有一些国家或政府层面的改革推力?

  Samson教授:STEM教育在加拿大比较受欢迎。就高等教育而言,我们学校有许多课程都强调采用STEM教学方式。而一些诸如建筑学和设计学等专业提出了要在STEM教育的基础上加入Arts,也就是STEAM教育。

  在基础教育领域采用STEAM教育理念开展的教学实践更为广泛。我们经常会与温哥华地区的部分小学合作,开展科学教育的教学改革相关研究。据了解,很多学校目前采取不分科教学的形式,多门课程由同一名教师承担教学,而这为STEAM教育理念的推广提供了天然土壤。

  至于您刚才问到的STEAM教育改革的推动力,加拿大的政府干预行为或是自上而下的推动力量很少,而改革的动力往往来源于教师自身。在我们开展STEAM教育与科学教育改革方面的研究中,几乎都是一线教师主动联系我们,要求为他们提供新的教学模式和相关支撑资源。教师们表示,在面对数字土著一代的学习者时,传统的知识传授式教学无法被学生接受,学生们都可以利用工具通过自主学习获得大量的知识。如果他们不及时进行教学理念和模式的更新,他们就会被时代淘汰。所以,加拿大STEAM教育的改革动力主要来自教师本身,政府或是学校的干预力量很少。

  访谈者:您提到了加拿大STEAM教育改革的动力主要来自于教师,并强调教师采用STEAM教育理念旨在改变传统讲授式教学模式,您是否能够介绍一下目前STEAM教育采用的具体教学策略?

  Samson教授:早在STEM教育出现前,科学教育大多采用的教学模式为基于问题的学习(Problem Based Learning,以下简称PBL)。此种教学模式主要是通过设置一个真实情境中的结构不良问题,引导学习者在情境中发现问题、寻找解决问题的方法,并从中习得知识。通过这种探索过程,学习者不仅学习到知识,而且能够明确相关科学原理发挥作用的根本原因。我们在此方面开展了大量实证研究,研究结果均表明,这种情景式的、基于问题的、探究式的学习方式对于提升学生的批判性思维是大有裨益的。

  STEAM教育理念提出并被引入科学教育以来,PBL教学模式被应用于STEAM教学的过程中。与传统的科学教育相比,STEAM教学中的PBL模式尽管在教学模式设计的一般原则和基本流程方面并没有很大改进,但是在问题的选择与资源的利用方面须有所改进。

  问题是PBL教学模式的核心,STEAM教育理念与传统科学教学在问题选择方面具有较大差异。具体表现为STEAM教育的问题更加综合化,不仅要考虑问题的真实性和科学性,而且要将学习者原有知识基础纳入到问题设置中,教师必须详细了解学习者已经掌握的知识、并明确哪些知识是学习者能够正确掌握的,哪些知识是他们容易产生错误理解的。问题的设置必须建立在已经正确掌握的知识基础上,并为学习者留有足够的空间,以利于他们通过个人探索和体验,去纠正错误理解。如果学习者能够知道他们是如何犯错的,那么他们就能够正确掌握这些知识。也正是因此,基于PBL的STEAM教学模式对于科学教育中的“迷思概念” (Misconception)教学具有重要价值。

  STEAM教育与PBL教学模式的结合对于教育资源有了更高的要求,教师在设计此方面教学时必须考虑可利用的资源。而地方境脉(Local Context)则是教师挖掘可利用资源,设计真实问题情境与体验情境的最佳选择。地方境脉与学习者的生活最为贴近,以其为背景设计问题最能够被学习者接受,并将其快速代入探究情境;最有利于教学资源的获取,地理上的便利性将转化为教学中的便利性,减少STEAM教学设计的代价。

  访谈者:在您看来PBL仍然是开展STEAM教育的最佳教学策略,而问题设置和资源利用是PBL教学模式的核心。在资源利用方面,您提及了地方境脉是资源利用的关键。我们对于您提到的地方境脉非常感兴趣,您是否能够具体详细介绍一下此方面内容?教师如何将地方境脉融入到他们的科学课程中?

  Samson教授:就像前部分所说,两种习得方式能够有利于科学知识的习得:一是基于错误的学习。相比于接受式学习,学习者在探索学习中犯错误,并在同伴或教师的帮助下改正错误,从而习得正确的科学知识,是一种更为有效的学习方式;二是基于动手操作的学习。动手操作的经验能够使学习者对科学探索过程有更深入地认识,这也使得对在探索过程中习得的知识掌握情况更好。

  基于这两个前提,科学教育或STEAM教育的开展必须为学习者创设真实的问题情境以促进他们探索科学问题,在探索中犯错,并基于错误进行学习。此外,这种问题的探索必须能够为学习者提供动手实践的机会,让学习者充分分析问题情境,在此基础上进行科学问题解决,这样此类实践体验会成为他们个人经验的一部分,从而使得在实践过程中习得的科学知识更加扎实。

  因此,教师在利用教育资源进行STEAM教学设计时必须充分考虑学校资源与地方资源。例如,如果我们要设计一节以“海洋生物”为教学内容的STEAM课程,可以采用两种方式:其一为将学生带到温哥华海洋生物馆进行参观,然后回到教室中,基于参观内容进行课程内容探究;其二为直接在海洋生物馆上课,边参观边学习。由于温哥华地区临近大西洋,有丰富的海洋生物资源,所以在设计相关科学教育时要充分利用此类地方境脉,而不要舍本逐末,选择沙漠、湿地等境脉设置STEAM探究情境与问题。

  而地方境脉的有效利用也需要地方政府、场馆机构、高等院校以及中小学之间协同合作。其中特别要明确的是场馆机构的作用,在目前的合作体系中,场馆机构往往是提供实践场地的一方。而场馆工作者对场馆资源掌握程度最高,其不仅应当扮演资源提供者的角色,更应当参与STEAM活动设计,并根据活动反馈对场馆资源进行二次开发,以使其能够更好地满足科学教育的需求。

  访谈者:您已经对加拿大的STEAM教育实践及其与科学教育的关系进行了详尽地介绍。除了STEM教育实践外,您是否能够介绍一下您了解的加拿大科学教育研究的开展情况?

  Samson教授:好,那我就以我们团队目前开展的相关研究为例,为大家介绍一下。首先,从科学教育教师的角度,我们的研究主要关注了科学课程的本质及其教学理论和教学模式的发展。理解科学课程和教学的本质是开展科学教育一切工作的基础,它影响着教师开展科学教育的方式与教学设计的理念。科学课程区别于传统的分科课程,它凝结了自然科学多个学科中对世界的探索方式以及问题解决方法,这与STEM教育的观念是极其吻合的。科学教育工作者需要深刻理解这一特点,才能在教学活动中培养学生的科学素养与科学探究精神。而针对科学教育相关教学理论与教学模式的研究,对开展科学教育教学活动,进行科学教育课程改革具有重要的指导性意义。

  针对科学教育学习者,我们主要从现象学的角度来研究学习者所持有的科学概念本质及其特征,并通过教学活动中的研究探讨学习者的先前知识和经验、社会文化背景以及学习背景对个人和群体学习的影响。同时,我们还关注科学学习的深层元级机制,这一系列的研究侧重于识别、描述和理解在知识构建中的作用。这些研究成果将帮助科学教师结合学习者的认知特点,在充分利用当地资源的基础上设计课程和教学模式。此外,学习者的学习表现是任何课程和教学改革的重要动机。通过对基于学习者认知特点的科学教育模式改革,将有利于帮助学习者更好地认知科学世界、形成规范科学的意识。

  访谈者:我们对您提出的规范科学的概念非常感兴趣,您是否能够详细介绍一下?

  Samson教授:好的。规范科学是从我们在开展科学教育的教学实践中凝练出来的。在科学教育课程的实施过程中,我们发现学生对于科学的认知是不明确的。什么样的知识可以被视作科学?这些科学中哪些是被大众接受,具有指导意义的?为了帮助学生们更好地认识这样一系列问题,我们向学生提出了“规范科学”的概念。

  在教学实践中,我们会告诉学生们那些被科学家们所认定的科学属于规范科学。这一类科学往往具有一些特点:第一,它是一门科学,是对真实存在的现象或规律的一种总结与归纳,符合基本常识;第二,是通过实验数据与实验现象来表征结果的,能够通过实验或者计算进行多次重复验证的;第三,它是得到了科学家们普遍认可的,具有一定权威性和普适性的。当然,这样的一些“科学”我们特指的是自然科学,而非人文社会科学的范畴。

  在向学生们传递“规范科学”的概念时,我们也注重学生批判性思维的培养,鼓励学生在学习过程中提出质疑。在条件允许的情况下,我们会通过多种方法(如开展实验、实地观察、观看影像资料等)来验证学生们提出的质疑。除此之外,我们还会邀请一些相关行业领域的专家学者,通过更加易懂的方式、科学化的方法来为学生们答疑解惑。通过这样的教学设计,既培养了学生的批判性思维,同时也提升了学生对科学学习的兴趣和对科学探究的向往。而在学习过程中所形成的价值观念、认知世界的方式以及形成的科学探究基本素质与精神,都将对学生未来发展与职业选择具有重要意义。

  访谈者:非常感谢您对我们问题的精彩解答,为我们详细讲述了加拿大科学教育与STEM教育的发展历程与现状,这对我们的研究具有非常重要的启示。再次对您接受我们的访谈表示由衷感谢!

  作者简介:

  陈晓慧:教授,博士生导师,研究方向为人工智能教育应用研究、教育技术社会支持服务研究、教育资源设计与评价研究、教育信息化管理模式研究、媒介文化研究(chenxh582@nenu.edu.cn)。

  徐彬:在读硕士,研究方向为教师教育技术、现代远程教育、外语电化教学(xub909@126.com)。

  张哲:讲师,博士,研究方向为教师教育技术(zhangz059@nenu.edu.cn)。

  Jennifer Jing Zhao:博士,研究方向为教学设计(j.zhao@alumni.ubc.ca)。


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