STEM视角下的初中研究性学习教学设计.docx
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STEM视角下的初中研究性学习教学设计
学校代码：
10200 学号：
2013012567
本科毕业论文
STEM视角下的初中研究性学习教学设计
InstructionaldesignofinquirylearninginjuniorhighschoolfromtheperspectiveofSTEM
作者：
刘珊珊
指导教师：
袁磊教授
学科专业：
教育技术学
学院：
计算机科学与信息技术学院
东北师范大学学位评定委员会
2017年5月
摘要
21世纪以来，国家的经济增长和竞争力取决于其创新能力，这使得人们越来越重视创新教育，这就需要加强对学生科学、技术、工程和数学的教育，即跨学科知识融合的STEM教育，它旨在培养学生科学、技术、工程和数学的综合素养，从而提高创新精神和实践能力，促进创新型人才的成长。
STEM教育不是四个学科的简单相加，而是学科的整合，即运用这四门学科的相关能力，把学习到的零碎知识，转变成探究真实世界相互联系的综合能力。
因此，作为教师，要考虑如何在众多孤立的学科中建立桥梁，使零碎知识变成一个系统的整体，为学生提供整体认识世界的机会。
本文首先简介了STEM教育的发展、核心特征及其研究意义，然后在STEM视角下，以《DIY电动马达》一课为例进行教学设计，对教学过程各阶段进行分析，接着阐述了国内初中STEM教育发展的局限性及其成因，最后提出了初中STEM教育的发展方向。
关键词：
STEM教育；跨学科；实践探究；创新能力
Abstract
Sincethe21stcentury,anation’seconomicgrowthandcompetitiondependonitsinnovativeability.Itmakespeopleattachmoreimportanceoninnovativeeducation.Soweneedtostrengthenscience,technology,engineeringandmathematicseducation,STEMeducationwhichintegratesdifferentdisciplines.Itaimstofosterstudents’comprehensivequalityincludingscience,technology,engineeringandmathematics,toimproveinnovativespiritandpracticeabilityandtopromoteinnovativetalents’growth.STEMeducationisnotaddingfoursubjectstogethersimply,butdisciplineintegration,thatistosay,applyingcorrespondingabilitiesoffoursubjectstoconvertthepiecemealknowledgeintocomprehensiveabilitiestoexploreinterconnectionoftherealworld.Soasateacher,weneedtothinkoverhowtoestablishabridgebetweentheseisolateddisciplinesandintegratethepiecemealknowledgeintoasystem,sothatstudentscanbegivenanopportunitytofindouttheworldwholly.
Firstly,thethesisabstractsthedevelopmentofSTEMeducation,itsmaincharacteristicsandalsotheresearchsignificance.Secondly,fromtheangleofSTEMeducation,thethesistakesthecourse《DIYelectricmotor》asanexampletomakeaninstructionaldesign,andanalyzeeveryteachingprocess.Then,itstatesthelimitationandcauseofdomesticSTEMeducationinjuniorhighschool.Finally,thethesisproposesthedevelopmentdirectionofSTEMeducationinjuniorhigh.
Keywords:
STEMeducation；Interdisciplinary；Practicalinquiry；Innovationability
目录
摘要I
AbstractII
目录III
第一章绪论5
1.1STEM教育及其发展5
1.1.1STEM教育的内涵5
1.1.2STEM教育的发展历程5
1.2STEM教育的核心特征6
1.2.1学科融合性6
1.2.2情境性7
1.2.3趣味性7
1.2.4协作性7
1.2.5体验性8
1.3研究意义8
第二章STEM视角下《DIY简易电动马达》教学设计9
2.1设计思路9
2.2学情分析9
2.3教学目标分析10
2.3.1知识与技能10
2.3.2过程与方法10
2.3.3情感态度与价值观10
2.4资源与工具设计11
2.4.1多媒体资源11
2.4.2纸质资源11
2.4.3学习工具11
2.5教学过程设计11
2.5.1复习引入11
2.5.2创设情境12
2.5.3构建知识体系12
2.5.4制定方案13
2.5.5模型可行性分析13
2.5.6制作作品与作品测试14
2.5.7展示交流与评价14
2.5.8归纳总结14
2.5.9课后探究15
2.6学习评价设计16
2.7教学反思17
第三章国内初中STEM教育发展的局限性及成因18
3.1国内初中STEM教育发展的局限性18
3.2国内初中STEM教育发展局限的成因18
3.2.1STEM教育师资不足18
3.2.2STEM教学资源匮乏18
3.2.3应试教育模式根深蒂固19
3.2.4课程时间受限19
3.2.5STEM教育缺乏推动机制19
第四章国内初中STEM教育的发展方向20
4.1培养具有STEM素养的教师20
4.2整合STEM学习资源20
4.3加强探究与生活实际的联系20
4.4提高设计项目的选择性21
总结与展望22
参考文献23
致谢24
第一章绪论
1.1STEM教育及其发展
1.1.1STEM教育的内涵
STEM代表科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering）和数学（Mathematics）。
STEM教育则是培养学生科学、技术、工程和数学综合素养的教育，它强调的是多学科的交叉融合，但并不是四门学科的简单叠加，而是要采用跨学科的动态思维与教学方法，在学科间架起一座隐形的桥梁，从而找到相互之间紧密的联系。
工程问题研究的基础之一是数学，如“古代瓦房的屋顶是三角形”，或是“固定电线杆时使用三角形”，看似简单的构造，究其根本，都源于数学中“三角形具有稳定性”这一原理，当教学将两者联系起来后，就找到了工程与数学之间的联系。
科学问题源于自然，源于某一现象的问题，如“蝙蝠是如何在黑夜中寻找方向”，“声呐是如何探测神秘的海底世界的”，这两个貌似不相同的问题，其本质却都是声学中的回声定位问题，当教学围绕这个本质展开时，就有了一条隐形的线索，将科学和技术问题有效地结合在一起。
由此可见，教学并不是机械地将四门学科组合起来，而是要通过彼此间隐秘的联系，将看似不相关的知识交叉融合，形成用于探究真实世界不同侧面的综合能力。
在科学、技术、工程和数学之间存在着相互融合、相互补充、共同发展的关系，这就要求在推进STEM教育的过程中，不能将任何一部分独立出来，只有将四部分有效地整合，才能使学生在知识的相互碰撞中，实现有意义的、深层次的、创造性的学习，从而培养学生的创新精神与实践探究能力。
1.1.2STEM教育的发展历程
STEM教育的起源要追溯到20世纪80年代初。
我们现如今的知识体系划分其实都是工业革命的产物，人才的培养趋向于定向培养，即只需要懂一部分知识可以应用就好，从某种意义上讲，这种教育模式培养了一大批适应工业革命的产品，极大地提升了社会的发展。
然而随着社会进步、科学的发展，人们越来越发现学科内部是具有很强的关联性的，跨领域融合逐渐变成趋势，这就导致了培养综合型人才的STEM教育的出现。
但当时却并没有对其进行系统定义，早期的STEM教育只是简单地将其理解为数学、技术、科学与工程的排列组合。
2001前，STEM的缩写还是SMET，2001年STEM首次被美国国家科学委员会教育部门前主任朱迪思·拉姆齐提出并介绍，“教育探究及学习是被安排在情境之中的，学生们解决真实世界的问题并且可以为自己创造机会”。
近年来，对STEM教育的定义日趋专业化。
莫里森曾说过，STEM教育中四个学科被称为“元学科”，其教育过程并不是将四门学科简单叠加，而是强调将原本分散的四门学科知识自然组合，以形成系统的整体。
2007年，美国教育部给出了STEM教育具有纲领性的定义，“科学、技术、工程和数学教育项目是指在研究生阶段包括成人教育，那些主要为了提供支持或者强化中小学科学、技术、工程和数学的教育”。
相对于前面的STEM教育的定义，梅瑞尔强调STEM教育要求教师基于标准的元学科，以一种整合的方法来进行教学，其中学科的具体内容无需分开。
梅瑞尔的STEM教育定义，已由简单的整合四门课程转变为一种更为灵活的教学和学习方式。
菲奥里洛则指出STEM教育的学科融合方式可以基于设计、问题解决、发现和探索性学习策略等，菲奥里洛将STEM教育真正地理解为一种全新的融合式的教学模式。
对于STEM教育的定义各有侧重，但STEM教育的定义框架不能“一刀切”。
由此可见，对STEM教育的理解还在不断发展与深化。
1.2STEM教育的核心特征
STEM教育强调以行动为基础、以项目为目标、以解决问题为导向的学习，为学生提供一种“做中学、学中做”的新的学习体验，使学生们掌握综合全面的知识与技能，培养学生们灵活的迁移运用，从而创造性地解决问题、探索世界。
这使得STEM教育具有其核心特征：
学科融合性、情境性、趣味性、协作性和实践性等。
1.2.1学科融合性
STEM教育与传统的分科教学最大的不同，就是在教学中，它不再将重点放在某个特定的科目上，或是划定学科目之间的界限，而是打破学科间独立的知识体系，将不同学科知识进行融合的综合式培养，因此学科融合性是STEM教育的最本质特征。
科学是在实践的基础上，经过检验和严密逻辑论证，得出客观世界各种事物的本质及运动规律；技术是人们利用现有事物形成新事物，或是改变现有事物功能、性能的方法；数学研究数量、结构等概念，是学习和研究现代科学技术必不可少的基本工具；工程则将自然科学和数学的理论应用到具体的工农业生产部门。
四个学科两两有交叉的部分，相互渗透紧密，因此实施STEM教育要将原本分散的四门课程集合成一个新的整体，将知识的获取、方法与工具的利用，以及创新生产的过程有机的统一，使学生在“杂乱无章”的学习情境中提升设计能力、合作能力、问题解决能力和实践创新能力。
1.2.2情境性
STEM教育具有情境性。
它强调学习源于生活中具体要解决的问题，而不是将孤立、抽象的学科知识机械地传递给学生，要将知识的发现、探究与解决置于真实的情境中，通过学生的探究获得知识与技能，从而提高学生的创造性思维。
建构主义强调情境的重要性，强调知识是学习者通过与学习环境互动而建构起来的产物，只有当学习镶嵌在运用该知识的情境之中，才能实现有意义学习，将知识内化并创造性地解决问题。
因此教师在进行STEM教育时，选择的项目一方面要基于真实的情境问题，另一方面又要蕴含所要教授的结构化知识，要有意识地将孩子置于问题解决的真实情之中，引导他们通过持续的动手操作，增加对科学概念的深层理解，提高他们解决现实问题的能力，让他们走上自我学习和自我成长的路，游刃有余地面对未来的学习、工作和生活。
1.2.3趣味性
STEM教育在实施过程中要将学习置于具体的情境中去，而这种情境除了要与学科知识和生活息息相关，更要具有趣味性。
只有情境与活动的设计能激发学习者的内在学习动机，学生才会主动地对知识进行有意义建构，从而获得解决问题的综合性知识。
例如，STEM课程教学设计可以将学习内容游戏化，通过游戏增加学习的趣味性，在游戏中学习者可以互相交流，创造性地探究，在体验中获得知识与成就感。
STEM课程的设计还可以通过学生亲自动手实验来增加课程的趣味性。
例如，在学习DNA的结构时，可以让学习者动手操作提取自己的DNA，为自己制作一条DNA项链。
在科学方面，学习者认识了细胞的组成，掌握了DNA的结构；技术方面掌握了提取DNA的方法及原理；工程方面，利用提取的DNA制作成工艺品；数学方面，学习了如何计算溶液浓度。
一个小实验，正因为其趣味性，才能让学生主动地对知识进行建构。
1.2.4协作性
STEM教育具有协作性，它强调知识的建构是在群体的协同互助中进行的。
建构主义指出，学习环境的四大要素包括“协作”和“会话”，这就要求教师在教学设计时，选取的真实问题情境要使在完成任务的过程中，学习者间或师生间能产生互动。
例如，让学生以小组为单位，共同搜集资料、分析问题情境、提出和验证假设、评价学习成果，在此期间，学习者需通过会话商讨如何完成规定的学习任务，或与教师探讨问题解决方案的可行性。
需指出的是，小组学习最后的评价环节以小组成员的共同表现为参考，而不是根据个人的表现进行独立评价。
1.2.5体验性
STEM教育强调，学生对知识的习得不仅通过自学或教师的讲授，更要经历知识的生成过程，通过学习者参与、体验学习过程，获得科学、技术、工程和数学知识，来应对现实世界的问题。
因此教师在进行教学设计时，要为学习者提供动手、动脑的学习体验过程，使学生在参与探究问题的过程中创造、设计、建构、发现、合作并解决问题。
因此，STEM教育具有体验性的特征。
奥苏泊尔指出，有意义学习不仅仅是获得结果性知识，更应该在参与、体验的过程中，习得蕴含在问题解决过程中的过程性知识，这种在参与、体验中习得知识的方式，在学生今后的工作、生活的长远发展中会产生深刻的影响。
例如，“葡萄酒的发酵科学”课程将科学探究融入课堂教学，在学生动手酿造葡萄酒的过程中，围绕微生物发酵、发酵的温度控制、加糖量的计算等主题展开研究，在参与和体验中将抽象的知识与实际生活连接起来，很好地体现了STEM教育的体验性特征。
1.3研究意义
STEM教育是美国为提升国家竞争力、劳动力和创新能力而提出的一项国家教育战略，现在越来越多的国家也开始意识到STEM素养对培养复合型创新人才的重要性。
但在国内的STEM教育中，出现了这样一种情况：
开设了某门课程，并将它作为STEM教育。
但STEM教育不是一个学科，而是一种教育理念，是指向学生核心能力、核心素养的课程，面向真实情景，且依托于科学、数学、工程和技术的跨学科的一种体验。
因此，本文的研究意义在于，展现如何真正有效的将STEM理念融于初中教学中，通过对教学过程的各环节进行设计，并与传统课程进行对比，体现STEM教育的学科融合性、情境性与体验性等特征。
同时，与美国STEM教育发展进行对比，找出我国STEM教育发展的局限性及其成因，并提出几点未来发展的前景与方向，为我国STEM教育的发展做出贡献。
第二章STEM视角下《DIY简易电动马达》教学设计
本章以初中阶段《DIY简易电动马达》一课，对教学过程各阶段进行设计，以此来展现如何以STEM视角进行教学，来突出STEM教育的跨学科融合的理念，通过学生的探索，将科学、技术、工程和数学综合应用，将知识与实践融为一体，培养学生科学实践能力、独立解决问题能力与跨界创新思维能力。
2.1设计思路
本课从观看学习内容相关实验视频出发，激发学生对实验现象的好奇心与探索的欲望，引导学生独立、合作学习，分析有趣现象所涉及的知识结构。
在此基础上，教师创设任务情境，以“组内DIY简易电动马达”为任务进行分析讨论，贴近生活，将科学、技术与工程有机的交叉融合，使学生在实践探究中学习应用多学科知识应对现实世界。
制作完成后，组与组进行交流、评价，然后教师对学习任务所涉及的综合性知识进行精炼的总结。
最后，教师针对完成任务所应用的综合性知识再提出一个类似的、但难度升级的课后探索任务，深化学生对所学知识的理解与应用。
通过学习者独立或协作深入思考、分析现象原因、找到解决路径、多次试错完善、最终实现并优化，来构建系统化的跨学科知识体系。
在真实且有趣的任务情境中独立与合作探索、发现问题、解决问题，使学生在体验中，既能掌握有逻辑关系的、用于解决问题的结果性知识，也能经历知识的生成过程，获得过程性知识，从而真正提高他们的独立探究、发现创新能力。
2.2学情分析
本节课的教学对象是初三学生。
在智力因素方面，他们已经积累了一定的科学、数学等方面的知识素养，并且具有了基本的对问题分析与探索、动手操作的能力，但同时，由于认知结构中尚未构建完整的知识体系，也无法将知识准确的联系到一起，因此还不能做到独立分析、解决实际问题。
因此在这个学习任务之中，学习者需要与同伴进行协作学习，将彼此的知识进行互补，共同完成学习任务，也同样需要教师的启发与引导，在交流与互动中，完成对整体知识体系的建构，不断提高独立解决问题的能力与探索创新的精神。
在非智力因素方面，初三学生对新奇的事物依旧容易产生兴趣与好奇心，因此教师通过让学生DIY简易电动马达的真实且有趣味的情境式任务，激发学生的学习兴趣，使学生保持较高的学习热情；初三学生的学习动机基本还停留在取得优异的成绩这个外部动机上，而本节课无法让学生即刻达到这个外部动机，因此，教师通过小组相互交流表达，让学生们满足他们的展示自我的外部动机，除此以外，可以让学生们通过本节课的探究，感受到学习跨学科的综合式知识，能为未来的学习、工作与生活的探索奠定基础；初三学生的意志仍不是非常坚定，在探索研究的过程中，极有可能遇到困难与挑战，学生可能会气馁或放弃，因此教师要及时地观察学生的学习探究进度，并进行及时的指导。
2.3教学目标分析
2.3.1知识与技能
①科学：
掌握电动机的工作原理，了解左手定则。
②技术：
提高动手操作能力，学会用简易资源制作简易电动马达。
③工程：
利用电动机原理制作简易马达，分析并解决完成任务中的困难；了解电动机原理在工程中的广泛应用。
④数学：
提高数学转化思维。
2.3.2过程与方法
①通过观看视频、查阅资料，独立或协作探索“通电导线在磁场中如何受
力”，分析电动机的工作原理。
②经历小组成员共同思考、动手操作、尝试改进的过程，能利用电动机的
工作原理制作简易马达，提升动手操作能力；能通过制作简易马达的过
程深化电动机的工作原理。
③通过组间交流、相互借鉴的过程，不断提升、改进并完善自己的作品。
④通过小组展示、讲解作品，提高语言表达能力。
⑤通过自我与组间评价，获得批判思维能力。
2.3.3情感态度与价值观
①通过“通电导线在磁场中受力发生偏转”这一有趣现象，激发对科学的
热爱与探索，留心观察生活中的有趣现象，成为一个善于发现的人。
②通过亲自动手设计、操作制作电动马达，培养勤于思考、敢于创新的精
神。
③在完成任务过程中，经历失败、总结原因，最终成功解决问题的过程中，
培养自我反省的习惯和永不言败的毅力。
④在完成任务、组内交流的过程中，提升发散思维与批判性思维。
2.4资源与工具设计
2.4.1多媒体资源
视频资源：
利用投影仪播放教学视频，用于探究学习任务的导入。
平板电脑：
用于学生自学时上网查找资料，利用网上广泛的学习资源，进行独立学习。
【设计意图】：
利用多媒体资源辅助教学。
2.4.2纸质资源
教科书：
学生利用教科书，学习书本上的知识。
纸质学习资料：
学生通过查阅课外资料，拓展视野。
【设计意图】：
学生结合书本与课外知识进行自学，不仅掌握课程标准要求
的知识，还可以学习到解决生活实际问题所涉及的知识，有利于学生掌握多
学科的综合知识，实现STEM教育。
2.4.3学习工具
1m铜丝、20cmx20cm布、15个串珠、5块磁铁、2节干电池、2枚铁螺丝、2片铁片
2.5教学活动设计
2.5.1复习引入
教师首先与同学们回顾“电与磁的爱情故事”。
【师】：
在18世纪以前，世界上基本所有人甚至是科学界，普遍认为电和
磁两者是独立、互不相关的。
直到1820年，一位不臣服于固有观念，坚信
电和磁是有关联的年轻人---奥斯特出现了，同学们回顾一下，他在不断的
试验中发现了什么？
【生】：
通电导线周围存在磁场，且磁场可以使小磁针发生偏转。
【师】：
那么磁场又能否使通电导线运动呢？
如果能，这在生活中又有什么
应用呢？
【设计意图】：
通过复习旧知识，使学生自主地发现新旧知识之间的联系，
并且自然地引出对新问题的思考。
2.5.2创设情境
教师通过播放一段教学视频，激发学生对实验现象的思考，并引导学生
对现象进行分析。
【师】：
播放实验视频----当放在磁场中的导体有电流通过时，导体会受到
磁场的作用力发生运动。
【生】：
观看视频
【师】：
通过这个实验视频大家发现了什么？
【生】：
通电导线在磁场中是可以运动的。
【师】：
其实这就是电动机的工作原理，下面同学们先独立查阅资料学习，
分析通电导线在磁场中是如何运动的，然后小组内合作，利用手中的资源，
共同制作一个简易的电动马达，最后我们比较一下，哪一组的电动马达最有
特点、最新颖。
【设计意图】：
教学视频中的实验现象能够激发学生的好奇心、引发学生的
思考，并且引出本节课的学习任务。
在教学设计上打破了传统的“教师讲、
学生听”的模式，而是利用教学视频这一媒介，自然而然的引出教学活动，
并将知识的学习置于制造电动马达这一具体情境中，激发学生对知识的探索
的欲望，符合STEM教育的情境性和趣味性特征。
2.5.3构建知识体系
学生独立学习构建完成任务所需的完整的知识体系。
【生】：
阅读教科书、查阅资料，独立探究视频中实验现象的原理：
当放在
磁场中的导体有电流通过时，导体会受到磁场的作用力发生运动，作用力的
方向符合左手定则。
【师】：
观察学生的学习进度，针对有困难的学生进行启发引导。
【设计意图】：
完成最终作品需要完整的知识框架作为支撑，因此在小组探
究之前，先要对作品工作的原理认真分析，这是顺利完成学习任务的前提；
让学生自主学习，可以提升学生的逻辑思维能力与独立思考能力，但同时初
三
升级会员 