科技博物馆STEAM创科教育活动项目开发(郝瑞辉).pdf

STEM/创客教育活动项目开发 东南大学学习科学研究中心 “做中学”科学教育改革实验项目教学中心（东南大学） 江苏汉博教育培训中心 2016年11月 2016年10月21-23日·上海·STEM世博会  1950年，阿兰图灵的一篇里程碑式的论文《机器 能思考吗？》为人类带来了一个新学科——人工 智能（AI）。  人工智能先驱、未来学家雷·科兹威尔预言：到了 2020年，我们将成功通过逆向工程制造出人脑。 2030年末，计算机智能将赶上人类。2045年，人 工智能会掌管全球科技发展。至此之后，人工智 能的摩尔定律被打破，科技将呈现爆炸式发展。 人类文明已经被人工智能所掌握，2045年以后的 科技发展，已经无法被精确预测了。 这是一款围棋人工智能程序，由位 于英国伦敦的谷歌（Google）旗下 DeepMind公司的戴维·西尔弗、艾 佳·黄和戴密斯·哈萨比斯与他们的团 队开发，这个程序利用“价值网络 ”去计算局面，用“策略网络”去 选择下子。2015年10月阿尔法围棋 以5:0完胜欧洲围棋冠军、职业二段 选手樊麾；2016年3月对战世界围棋 冠军、职业九段选手李世石，并以 4:1的总比分获胜 • 智能插座 • 智能插座 • 智能水杯 • 智能插座 • 智能水杯 • 智能血压计 • 智能插座 • 智能水杯 • 智能血压计 • 智能手环 • …… 3D打印技术 ——新一轮工业革命 2013年11月，世界首支3D打印 手枪问世，可实弹击发 2014年8月，10幢3D打印 建筑在上海张江高新青浦 园区内正式交付使用 2013年1月，巴黎时装周 当 3D打印从概念 走向应用的时候 ，4D打印已向我 们走来！ 未来社会将会出现更多全新的技术 、全新的职业、全新的社会生活。 • 专业的能力 综合解决问题的能力 创新能力 • 社会情绪能力 (Social Emotion Competency) 同感（Empathy） 自尊、自强(Self -Esteem, Confidence) 《培养创新性工程科技人才的研究：基础教育组》 中国工程院 2007-2008 • 2016年9月14日，北师大举行了中国学生发展核心素养研 究成果发布会。对学生发展核心素养的内涵、表现、落实 途径等做了详细阐释。 学生发展核心素养，主 要指学生应具备的，能 够适应终身发展和社会 发展需要的必备品格和 关键能力。 学会学习 乐学善学、勤于反 思、信息意识 健康生活 珍爱生命、健全人 格、自我管理 人文底蕴 人文积淀、人文情 怀、审美情趣 科学精神 理性思维、批判质 疑、勇于探究 责任担当 社会责任、国家认 同、国际理解 实践创新 劳动意识、问题解 决、技术运用 自主发展 文化基础 社会参与 中 国 学 生 发 展 的 核 心 素 养 批判性思考与问 题解决能力 交流与协作能力 创造与革新能力 灵活性与适应性 主动性与自我引导能力 社交与跨文化交际能力 生产能力和绩效能力 领导力和责任感 信息素养 媒体素养 信息和交流技术素养 社会发展与变化使得科学素养成为21 世纪公民必须具备的基本素质。 • 批判性思考与问题解决能力（专家思考能力） 高效推理 运用系统的思考方法：分析一个整体中的各个部分彼此有何 关联，以便面对复杂系统获得总体成果 明智地判断和决策： 有效地分析和评估证据、主张、声明和信仰；分析和评估标 新立异的主流观点；集成信息和论据，并在其间建立联系；根据 最合理的分析解释信息，得出结论；批判地思考学习经历和学习 过程 解决问题 综合运用传统和非传统的手段解决不同类型的陌生问题；形 成并提出能澄清各种观点、到处最佳解决方案的重要问题 • 交流与协作能力（复杂交流能力） 清晰地交流；与他人合作 • 创造与革新能力（运用想象和发明的能力） 创造性的思考；创造性地与人共事；贯彻新措施 信息、媒介和技术技能 • 信息素养：访问和评估信息；利用和管理信息 • 媒体素养：分析媒体；创建媒体产品 • 信息和交流技术素养：高效地运用技术手段； 灵活性与适应性：适应变化；灵活机动  主动性和自我引导能力：管理目标和时间；独立工作； 当自我把关的学习者  社交与跨文化交际能力：成熟地与他人交流；在多样化 的团队中高效地工作  生产能力和绩效能力：管理项目；富有成果  领导力和责任感：指导和领导别人；对他人负责    解决问题的能力  创造性思维  合作与沟通的能力  终身发展的能力  STEM是科学、技术、工程和数学四门学 科的简写。 Engineering 工程  STEM 教育是一个偏理工的多学科交融领 域。  STEM 教育的过程不是将科学、技术、工 Technology 技术 程和数学知识进行简单叠加，而是强调将 原本分散的四门学科内容自然组合形成整 体，实现跨学科的教学。以整合的教学方 式培养学生掌握概念和技能，并运用于解 决真实世界中的问题。 Science 科学 Mathematics 数学 STEM的发展历程 STEM教育出现于上世纪八十年 美国作为全球领导者，在很大程度 代末的美国大学校园。在科学 上依赖于科学家，工程师以及创新 界和教育界的共同努力下，于 工作者的辛勤工作。但是在STEM人 上世纪初逐渐走入基础教育， 才数量出现下降趋势的今天，也开 特别是2010年前后成为以美国 始着力STEM人才的培养及STEM师 、英国为代表的国际科学与技 资队伍的建设。 术教育新兴的教育实践和研究 范式的主流。 美国推进STEM的路线图 《塑造未来：透视科 学、数学、工程和技 术的本科教育》报告 ，提出“行动指南” 1986 STEM教育的开端 :首次明确提出“ 科学、数学、工 程和技术”教育 1996 《成功的K-12阶段 STEM教育：确认科 学、技术、工程和数 学的有效途径》 STEM教育从本 科阶段延伸到中 小学教育阶段 2006 《美国竞争力计 划》:培养具有 STEM素养的人 才 2007 2009 2011 奥巴马的一封公开信 :《改善所有美国学 生的科学、技术、工 程和数学教育》 兴起的两个标志 • 2009年美国奥巴马总统宣布启动“教育创新”运动 • 2013年发布美国新一代科学教育标准 科学 工程/技术 解释的科学 行动的学科 为了得到新的解释 为了产生实际效果 研究什么是对的？什么是错的？ 研究什么更好些？ 研究时尽量简化参量 关心特殊性和具体情况 总希望规律能普适化 不期望能普适 • 科学提出关于自然界的问题，并用以基于实证的解释的方式 给出答案； • 工程学明确有关人类需求和愿望的问题，并以新产品和新工 艺的形式给出解决方案。 • 科学、技术与工程之间有着一种很强的共通性和互补关系， 随着人类科学技术的不断进步，科学、技术、工程和数学领 域的联系也越来越紧密，解决任何一个领域的问题都会涉及 到其他三个领域； • “创客”即“Maker”或“Hacker” • 狭义的创客：酷爱科技、乐于分享，努力把各种创意转变为现实 的人。 • 广义的创客：有创意，并且能够付诸于实践进行创新的人。 • 创客的特质：创新、实践与分享 创客运动与教育的融合，改变了传 统的教育理念、模式与方法，创客 教育应运而生。 • 广义：一种以培养大众创客精神为导向的教育形态 • 狭义：一种以培养学习者，特别是青少年学习者的创客素 养为导向的教育模式。 STEM教育与创客教育有哪些异同 STEM教育 创客教育 主要来源 教育系统发起，社会参与 社会文化引起，教育参与 是否需要引入社会 参与 是否跨学科 需要 需要 强调跨学科 创作过程经常需要跨学科 是否解决真实情境 的问题 强调真实情境的问题 多数问题来自教师预设 强调真实情境的问题 学生自己发现问题 学生是否要有产出 并非必须 一定要有 杨晓哲，《STEM教育与创客教育的异同》 STEM教育 创客教育 是否需要使用数字化工 具 并非必须 大部分情况下需要 主要培养的素养品质 跨学科的思维能力 解决问题的综合能力 独立的创造思维 解决问题的综合能力 教师主要角色 设计者、组织者、引导 者、讲授者 支持者 学生主要角色 参与者 创造者 杨晓哲，《STEM教育与创客教育的异同》 同 • 培养学生的创新思维 • 提升学生综合解决问题的能力 • 让学生从知识的消费者转变为知识的创造者 • 让学生成为知情的策略者 真实 情境 提出问题 分析 问题 科学 工程 建立模型 设计方案 交流 测试，收集 数据 S T E M 新的问题和课题 想 一 想 STEM课程与校内外科学课程有哪些不同？ STEM课程的特点 1 融合S、T、E、M四个要素 数学和计算思维、 数据解读与分析 操作、工具、材 料、动手能力 T S 概念、基础 M E 分析问题、设计方案、建模、 测试等解决问题的过程 STEM课程的特点 1 融合S、T、E、M四个要素 • STEM教育是一种“后设学科”，即这一 学科的建立是基于不同学科之间的融合 然后形成一个新的整体。 • STEM并不是科学、技术、工程和数学的 简单组合，而是把学生学习到的零碎知识 与机械过程转变成一个探究世界相互联 系的不同侧面的过程。 STEM课程的特点 2 以工程设计过程为主导 • 现在我们所接触到的STEM课程，大多是以工程E为主线，科学S为 基础，技术T和数学M为应用的课程。 STEM课程的特点 3 关注现实问题，注重在情境中学习 未来需要什么样的人才？ ——具有应用知识去解决复杂 问题的能力，去解决可能以前 并没有遇到的难题的能力。 知识应用、 解决问题 STEM课程的特点 3 关注现实问题，注重在情境中学习 “流动的液体”是由一封来自粘合剂制造商的求助信开始的—— 尊敬的研究组： 我们为巧克力制造商生产了一种特殊的粘合剂，他们使用这种合剂将包装纸粘到一起。 我们已经发现了粘合剂最好的原料是树体内的一种液体。遗憾的是，我们的新配方存在一个问题：这 种液体非常粘稠，不能顺畅地通过我们的管道，同时它也非常难以搅拌，导致我们需要大量的电来运转搅 拌机，这造成巨大的成本。 我们知道你们研究组正在研究液体。如果能得到你们关于怎样解决这个问题的建议，我们将非常荣幸。 希望你们能提供尽量多的数据，包括测量不同种类液体流动性的数据。任何有助于让我们的液体流得更顺 畅的建议都将给我们很大帮助。 期待能尽快得到你们的回复。 简 惠灵顿 工业聚合树脂有限公司总经理 情 境  需要解决的问题；  指出任务要求；  反映出科学家与工程师工作的 意义和方式； 情境可以提高课程的相关性，帮助学生建立起课程和现 实世界的联系，让学习更加有目的性。 情景学习可以提高学生学习的积极性。 STEM课程的特点 4 教师：引导者 通过问题的提出及由浅入 深的环节设置逐步引导学 生独立解决问题。 以学生为中心——主动实践 学生：活动主体 发挥自主能动性，通过激发出 的对课题的兴趣进行主动探索 ，尝试解决问题和建模，并对 自己所收集的数据进行分析。 STEM课程的特点 5 团队合作、参与 • 与他人合作，分享观 点、计划和结论； • 通过与他人的对话提 升自己的见解。 • 全体参与 需要教师推行小组任务、讨论、对话和辩论等形式，营造轻松开放的氛围； 基于学生已有知识，合理设置活动难度。 STEM课程的特点 6 结果开放，允许多个正确答案 STEM课程的特点 1 融合S、T、E、M四个要素 2 以工程设计过程为主导 3 关注现实问题，注重在情境中学习 4 以学生为中心——主动实践 5 团队合作、参与 6 结果开放，允许多个正确答案  STEM案例集的开发得到美国 联合技术公司和哈特福德公 立中小学的资助。  案例集由“康涅狄格科学中 心”人员进行开发与编写。  案例的试点与实施：美国康 涅狄格州哈特福德市麦克多 诺远征学习学校。 桥 • 问题引入 • 提出问题 • 背景经验活动 科学： 康涅狄格科学中心 · 桥梁有哪些类型？ · 活动1：环球桥之旅 一座桥中的力是怎样分布的？ · 活动2：感受力 桥梁是怎样建造才能承载负荷的？ 活动3：张力与压力 工程： · 活动4：形状 我们有哪些材料来建造桥梁？ · 活动5：瓦楞纸实验 我们怎样检验它？ · 活动6：虚拟土木工程师 它的尺寸和结构？ 活动7：再看张力与压力 活动8：桥梁建设者 活动9：历史上的桥 补充活动1：你家附近的桥 补充活动2：材料实验室 • 用工程过程解决问题 核心活动内容是让 小学生们用废弃的汽水 瓶子做成一个火箭模型， 然后用打气筒往装了水 的瓶子里打气，瓶内气 压逐渐升高，最后火箭 就发射出去了。这其中 的科学道理并不复杂， 很适合4年级的孩子们。 水火箭——美国小学四年级的科学课  了解水火箭的基本原理。  老师给学生们人手分发一小册活动指南。 学校把小学生们分为4人一组，这三个人在组 里各扮演不同角色，有统筹规划的项目经理、 有专管财务的会计师、有设计图案图纸的设 计师、还有准备新闻稿总结制作过程的发言 人，等好几种角色。 水火箭——美国小学四年级的科学课  每个人除了有一本活动指南，还都有个小笔 记本，有用来记账的、有记采购顺序的、有记 录水火箭设计图纸的。总之，每个角色不光得 开口说、动手做，小学生们还得把自己的每一 步经历或着打算做的事情记录下来。  每个星期4年级的孩子们有两个小时来集中完 成这样的活动，而且每个星期都要写一篇小短 文来记录和反思当天的项目进程。 水火箭——美国小学四年级的科学课  每组都会得到1000元的虚拟币。由 于每个组的设计方案都不同，所以他 们有了预算后，就得到不同的老师那 里去“购买”制作水火箭的材料，比 如一个汽水瓶子（400虚拟币）、易 拉罐（200虚拟币）、胶带（每50厘 米100元虚拟币）等等。 水火箭——美国小学四年级的科学课 黑市 水火箭——美国小学四年级的科学课 在这个购买过程中，除了 “正规”的采购点外，还设立了 “黑市”，学生们可以用更高的价 格买到一些质量更好的或者紧缺的 “洋货”。 如何最好的安排手里有限的资 金来完成设计师所想要达到的结果 成了孩子们最津津乐道的话题。 水火箭 科学概念 1 学生手册 5 2 角色分配 资金 课程 3 4 时间安排 某科技馆的活动——飞行器总动员 • 活动设计共五天，4-6年级学生 第一天 • 飞行器的历史及发展展览 第二天 • 趣味纸飞机大赛 第三天 • 好玩的伯努利原理 第四天 • 看看谁飞得高 第五天 • 飞行器知识问卷调查 某少年宫的STEM活动《飞行吧！纸飞机》 • 活动共7天，小学生 第一天 • 在探究中研究空气 第二天 • 在测试中研究飞行 第三天 • 在测试中进行统计 第四、 五天 • 在制作中追求细节 第六、 七天 • STEM.毕业设计 比较一下，有什么异同？ 第一天 • 飞行器的历史及发展展览 第一天 • 在探究中研究空气 第二天 • 趣味纸飞机大赛 第二天 • 在测试中研究飞行 第三天 • 好玩的伯努利原理 第三天 • 在测试中进行统计 第四天 • 看看谁飞得高 第四、 五天 • 在制作中追求细节 第五天 • 飞行器知识问卷调查 第六、 七天 • STEM.毕业设计 基于STEM的设计思路 第一天：在探索中研究空气 记录称量空气的质量 研究空气的压力 测试的数据与理论公式推导的 数据的比较 通过压力测试台测 量压缩空气的压力 第二天：在测试中研究飞行 讨论讨论气流与压力的关系 做一个机翼 测试机翼 第三天：在测试中进行统计 观察和测量纸飞机在不同风速下的表现 多次测量会 更加精确 变个角度再测试 第四、五天：在制作中追求细节 工程任务：做一个能在空中飘很久的降落伞 测试压力，探究伞绳的材质 从设计到制作 小组合作 测试开始 第六、七天：STEM毕业设计 毕业设计的任务 是小组合作，用 一张A4纸做出 一个尽可能飞的 滞空时间长的纸 飞机。 • 以基于LED的STEM活动为例，大部分学生对LED既熟悉又陌生 ，市场上有许多LED产品，如LED照明灯、LED钟表等；但他们 对LED的发光原理知之甚少，更没有思考过如何借助LED方便 我们的生活。 • 这是一个典型的工程设计类问题，在活动过程中要围绕着解 决生产/生活中的难题展开，就需要将科学和工程技术问题有 效的结合在一起，学生在活动中把学习到的零碎知识与机械 过程转变成一个探究世界相互联系的不同侧面。 灯带 体积小； 发热量少，寿命长； 省电； 光源色彩丰富；  发光二极管通常称为LED （LED = Light Emitting Diode），是一种能够将 电能转化为可见光的固态 的半导体器件。 抗冲击和抗震性能好，不易破损; 安全性高； 基于LED的STEM活动中涉及的各领域知识和技能 STEM教育 涉及的内容 LED与电学相关，需要应用到光学和电学基础 制作产品时需要选择合适的材料（了解不同材料 科学领域 的性能） 设计合理的结构（了解结构的稳定性） 工具的使用 技术领域 LED与电源、导线的连接技巧 工程领域 如何合理使用材料可以发挥最大效果 电路如何布置最安全最有效 成品的美观与实用 数学领域 在知道LED功率的基础上计算电源电压 计算产品的大小、比例 正确测量产品的尺寸 基于LED的STEM活动流程 第一阶段：手工制作+简单的电子电路 • 利用身边的材料和工具，包括卡纸、木片、黏土 、木棒、吸管，发光二极管、蜂鸣器、开关、电 池等材料，可完成包括纸电路、发光的二极管、 发光的砖等基础作品。 第二阶段：数字化加工+简单电路 • 数字化加工是通过电脑建模、设计，生成机器加工文件 ，控制机器自动加工材料。 • 增加形态类设计工具：3d打印机、激光切割机、数控机 床等。 • 最终能使作品更接近产品，如激光切割做成的灯。 第三阶段：手工制作+智能控制 • 智能控制指能够通过编程等方式获取传感器状态 并自动控制外部器件。 • 利用逻辑电子电路、arduino等主控板、各种传 感器和执行部件。 第四阶段：交互媒体制作 • 交互媒体是指通过传感器感知环境变化，控制电 脑虚拟角色，产生人机交互。 • 相关工具包括scratch传感板、S4A、arduino leonardo等。 第五阶段：智能机器制作 • 智能机器指具有机械运动结构，通过编程等方式 自动控制机械运动的工具。 第六阶段：物联网项目制作 • 技术方案工具：传感器执行器、控制器 • 通过局域网、互联网、蓝牙、ZigBee、电脑以及移 动客户端共同组成。 摘自：曾祥潘“解读创客作品研发的技术路线” 1. 吸收工程与技术活动的思路和方法； 2. 善于发现身边的工程与技术问题，综合STEM的 多种视角； 3. 实现科学探究向STEM的转变； 为什么杯子里的热水会变凉？ 怎样让房子更保暖？ 两个貌似不相同的问题，其本质却都是热学中能量的传递问题 例如：根据水垢与酸会发生反应，酸性越强反应越 快的知识——开展“如何尽可能快地去除水壶中水 垢”的活动；通过调查学习工厂净化水的原理，让 学生设计并制作一个简易净水器。 81 • 根据问题和任务的不同出发点，融入工程与技术，依据其内在的 科学原理，科学探究问题可以转化为STEM问题。又因为解决工 程问题时必然会涉及到科学的知识和原理，所以从工程技术的角 度出发设计的活动更容易达成科学、工程与技术的共同发展。 例如： • “温度怎样影响球的弹跳”——“如何使球弹得更高”； • “水温怎样影响泡腾片小火箭的飞行高度”——“怎样使 泡腾片小火箭飞得更高”。 • “教室外的噪音调查”——“如何降低教室内的噪音”； • 确定有针对性和说服力的明确需求 • 针对所确定的需求，能用严格评估的方法来持续评测和告知项 目的进展情况 • 确保STEM教育项目可以持续地推进 • 确保项目是可复制和进一步推广的 • 能够吸引具有较高影响力的合作伙伴参与 • 保证项目能达到预定的目标 • 提供具有挑战性、和学习者密切相关的STEM学习内容 • 包含并鼓励开展基于STEM的实践活动 • 能够激发学生对STEM的兴趣和提高学生STEM教育项目的参与 度 • 能够考虑到弱势群体的特殊需求 • 学生能够积累学习自然与物理世界的经验、兴趣与动机； • 能够理解、记忆、并运用科学的概念、解释与模式； • 能够操作、测验、探索、预测、质疑、观察自然与物理世界； • 获得反思科学与工程实践的能力（元认知）； • 能够参与科学活动并使用科学语言与工具； • 发展科学学习者自我认同的能力。 《科学与工程在课堂中的整合》慕课课程 科技学堂：http://www.sciclass.cn/ 谢 谢 大 家！ E-mail：ray0211@163.com QQ：26692033