STEM 教育中科学、技术、工程、数学以哪个为主？如何用建构主义、4C 素养和 DOK 设计课程？

TL;DR

• STEM 学科（科学、技术、工程、数学） 4 门学科以哪个为主？
• 科学如何整合其他学科？
• 工程如何整合其他学科？
• 技术是什么？
• 美国老师是如何理解 STEM 的？
• STEM 教育的目的是什么？
• 建构主义、认识的深度等级工具与 STEM 课程设计是什么关系？
• STEM 信息课老师要关注的问题有那些？
  
  
  
  

STEM 学科（科学、技术、工程、数学） 4 门学科以哪个为主？和 STEAM 加入的艺术。

• ​学科核心概念​：教材中的各个知识点；
• ​科学与工程实践​：如何将所学的知识应用于现实生活、研究现象或解决问题；
• ​跨学科思维​：让学生体会学科之上的思维方式。
  • 因果思维
  • 结构性思维
  • 系统化思维
  • 模式化解决
  • 规模化比例
  • 数量思维等。

来源于：美国 2013 年颁布的《下一代科学课程标准》

有兴趣可以阅读 什么是 STEM 教育及其模式？本文是对STEM的深入认识

科学如何整合其他学科？

科学家就是以研究现象为主要工作的人。

他们研究​现象​，​提出问题和假设​，​寻找变量​，​控制变量​，​进行试验​，提出​规律并验证​，这就是科学家的工作思路。

科学就是靠这样的研究流程来整合其他学科内容的。

工程如何整合其他学科？

工程师是一个广泛的职业，有：IT 工程师、石油工程师、航天工程师等；

IT 工程师还有：软件工程师 和 硬件工程师 之分。但二者之间存在巨大的差异。

到底是什么要素使得这些来自不同行业的人都被称为工程师呢？

这些人都是​解决问题的人​。

他们解决问题的思路是基本相同的：

• 提出问题
• 界定问题
• 制定解决方案
• 落实方案
• 落实过程中发现的新问题
• 再次界定问题
• 制定新的解决方案
• 直到问题彻底解决。

这是一个多次循环的过程，叫作​工程设计循环​。

从脑科学角度来说，就是不断刺激神经元，使其放电，产生新的连接，形成新的通路。下次调用的时候从需要思考模式，变换成自动驾驶模式。最新形成大脑节能模式。

技术是什么？

在课堂上，分狭义和广义理解：

• ​狭义​：通用技术和信息技术；
• ​广义​：帮助教师和学生达成 STEM 课程学习任务所使用的各种实体或非实体工具，它是教师提升学生信息素养的重要实现方式。

比如：行空板 是实体的工具，它解决了老师在上信息课的时候，面对一个班级 40 多个小朋友。搭建环境的痛苦。All in one 的设计，提升效率，直接进入学科核心概念、科学与工程实践、跨学科思维。

行空板拥有完成的课程、WIKI、项目。

行空板 K10 适合刚开始学习人工智能的用户。它附带了一些实用的图像/语音模型，可以快速使用，还支持基于TinyML训练自定义图像/传感器模型。
行空板 M10 适用于已经使用TinyML并需要进一步深化学习的用户。支持基于ML/YOLO/MobileNet/MediaPipe和更多AI模型训练自定义图像/声音/传感器模型。

美国老师是如何理解 STEM 的？

美国信息老师，对 STEM 课程的理解也分为狭义和 广义：

狭义：指那些体现科学研究流程或工程设计循环的整合课程，还包括由科学现象和工程设计循环衍生出的培养学生想象力和创作力的课程。

广义：那些在 STEM 相关学科中设计了动手环节（动嘴、动耳都不一定动脑，但动手一定动脑），并设计了足够的或向下，或挑战，或创新，或创造的学习环节的课程（目的是让学生将所学快速转化，学以致用）都可以视为 STEM 课程。

STEM 教育的目的是什么？

让更多学生对科学和工程产生浓厚的兴趣，以便将来攻读 STEM 相关专业，毕业成为相关行业的从业者，因此，从动机角度出发，让学生有充分的兴趣是在设计 STEM 课程时必须要考虑的。

• 查理.芒格 的格栅理论
• 李继刚的多角度看问题
• 组建你自己的个人董事会

就像手机镜头的，可以缩小、放大、再放大、你看到事物的不同角度。避免单一视角。

从这个角度来说，对孩子是另一种工程设计循环。 ​

不断训练和雕琢孩子大脑思维和通路，让他/她沉淀出更多的模型，就是一个个格栅。

再次遇到同样问题的时候，直接调用成熟模型。节能，有时间享受生活和更轻松的思考别的问题。

建构主义、认识的深度等级工具与 STEM 课程设计是什么关系？

建构、或者构建这个词，我第一次是从当时上幼儿园的儿子口中听到的。

他们幼儿园上建构课，比如：滑索的作用和使用等。

STEM 教育是建构主义学习理论的产物。

建构主义认为，​知识不是通过老师传授得到的​，而是学习者在一定情境即社会文化背景下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得的。

这一点，我是认同的，学习的方式可以通过视频、博客、课堂、书本等等。

我家小朋友，幼儿园就特别爱看 **数字积木(numberblocks)**​，自己学会了加减法、乘法。小红书上很多家长都反馈了数字积木对数学和英语的帮助。强烈推荐~ ，现在上小学一年级，数学完全过关，省下来的时间用来给拼音和英语。

​ 建构主义 VS STEM 教育 VS 美国 4C 核心素养

建构主义提供“情境—协作—会话—意义建构”的学习机制；

STEM 教育把这些机制落到真实问题与项目实践中；

4C 则给出“沟通、协作、批判性思维与问题解决、创造创新”的能力目标。

在 STEM 课程中，学生获得知识的多少​取决于学生在头脑中建构有关知识的能力​，而​不取决于学生记忆和背诵老师讲授内容的能力​。这个传统以老师教授为主的教学形式大相径庭，所以不能把 STEM 课程当成传统科学课或劳技课来教。

虽然学习是自我建构的过程，但是单纯的学生自我建构是不可能未完成的，教书的引导作用非常重要。

教师需要通过向学生提问进行引导，使学生积极思考；

学生通过回答问题使思考的深度逐渐增加，最终完成建构。

美国 STEM 教师非常善于使用​认知的深度等级工具​（depth of knowledge levels，简称 DOK Levels）来构建 STEM 课程中的提问。

认知的深度等级工具 ​是诺尔曼·L.韦伯博士在布卢姆教育目标分类法基础上生成的，用于检验学生对所学内容是否达到应有的认知水平和知识深度。

STEM 信息课老师要关注的问题有那些？

1. STEM 课程主题跨越多个学科，一名教师不可能做到样样精通，因此优秀的 STEM 老师：
   1. 首先是一名​学习者​，能够快速学习；
   2. 能够快速学习，熟悉该主题领域尽可能多的知识；
   3. 同时借助互联网、AI 的资源进行整理和备课。
   4. 所以，快速的检索、收集、整理、学习未知领域的信息，是一名优秀 STEM 教师的必备素养。
2. 每个主题的导入是学生构建知识的基础，教师需要重视。导入内容越宽广，学生的知识构建就越有效，而这些都能够很好地反映在学生中的最后产出中。
   1. 输入质量越高 -> 学生内化效果越好 -> 输出结果质量越高。
3. 每份教案中教师的提问都是经过深思熟虑的，教师要结合认知和深度等级工具来看待每一个问题，深入体会问题属于哪一个等级，然后逐步学习自己设计高阶问题，促进学生思维发展。
4. 每个主题至少有一个任务。对于这些任务，有的教师凭想象认为难度很大，学生不容易完成，因此在教学实践中降低难度。我们通过实际的课程实施发现，难度下降与否与学生的产出并无太大关联，因此​不应随意降低任务难度​。
5. 每一个任务都会有一句简介的语言来描述任务内容，老师要带领学生​逐字逐句地审读​。这和平时学科教学中的审题不同，不但要思考任务条件的限定要素，还要的出任务条件的​不限定要素​​，如此才能更好地完成任务。
6. 学生对实验教材的好奇心往往是巨大的，在传统实验课上，教师不发话，学生不能动实验器材。我们认为，堵不如疏，STEM 教师不但要尊重学生这种​好奇心​，而且要利用学生的好奇心带领学生仔细分析每一个任务所提供材料的可能用途和用法。
7. 为便于 STEM 教师对课程进行评价，每个主题都要设计​评价量规​。这种形成性的评价方式能够帮助教师对 STEM 课程实施效果进行评价，教师不能忽略评价量规。
8. 在 STEM 课程中，反思的环节至关重要。 反思时不能泛泛地谈感情上的体会，而要具体地说成功的原因​与​需要改进之处​。​允许失败​，允许犯错是 STEM 课程的特色，学生需要从失败中总结经验来获得未来的成功。
9. 许多主题可以重复讲授，学生再次挑战会有更多收获。
10. 这里可以把教师，替换为​家长​。家长对自己孩子的关注和了解程度是教师无法比拟的。酌情进行调整。更好的进行 STEM 教育。