STEM指导策略

STEM教育策略在设计和技术课程中的应用摘要：STEM教育的支持者认为它将有助于学生的学习、生活和全球经济。STEM的承诺具有足够的可信度,因为一些国家已经开始通过授权和投入资金的方式采用它的原则。如果认为STEM教育对于未来学习来说是一个实用的解决方案,那么设计和技术教师就有必要考虑如何将STEM策略纳入课程。本文的目的是说明可用于STEM教育的三种方法,(独立、嵌入和整合)并将他们应用于技术教育课程中。引言作为学术界一个越来越明显的趋势,STWM教育是通过一个基于设计的解决问题过程来解决现实情况的，就像工程师或科学家使用的那些方法一样(Williams,2011)。STEM的倡导者们认为运用这些策略来教学可以使学生们认识到教育是适用性和必要性(Banks,2009)。STEM对技术教育是非常重要的,它给技术教育提供了一个提高自身有效性的机会(Kelley,2010)。尽管技术教育项目一直加强学生的学校经历,他们必须为渴望追求学术课程的学习者屏蔽掉无关紧要的因素(WendyFox-Turnbull,personalcommunication,October20,2011)。为了抵消这种职业形象,技术教育教师可以通过STEM教育、基于设计的学习策略来增加课程的学术内容。STEM教育的三种教学方法目前都在实施中。这些方法之间的区别在于STEM内容的使用程度。这三种方法是独立、嵌入和整合。在讨论完这些策略之后,研究人员提供一个综合运用以上各种方法的课程实例——感染检测。独立式方法STEM的独立方法是指STEM主题之间的独立指导（Dugger，2010)。强调“知识”获得,而不是技术能力(Morrison,2006)。对每一个主题的集中研究可以让学生获得对课程内容的更深层次的理解。这种集中教学激起对内容本身的赞美(JennyChiu,personalcommunication,September27,2011)。这就是科学、技术、工程和数学教育的课程设计和教学方法。独立的STEM教育的特点是教师主导课堂。学生们很少有机会“做中学”,他们被告知应该知道什么(Morrison,2006)。Morrison(2006)表明对独立的STEM教育最普遍的理解是增加能够提高判断力的知识。一个在学科界限之内的指导可以为学生提供高质量的教学，这是不容忽视的。它是在对学生学习内容和通过测试的命令的推动下进行的。图1描绘了独立方法。图1.STEM教育的独立式方法。每个圆圈代表一个STEM主题。每个主题在保持学科领域范围内的主要知识的基础上进行独立教学。纯粹的独立教学方法具有潜在的缺点。首先,Dickstein(2010)表明独立教学方法具有孤立本领域贡献者的倾向性。已有研究发现很少有女性选择对标题中包含“工程”一词的课程,例如土木工程、机械工程、电气工程。女性参与的缺乏限制了有助于STEM相关领域发展的有价值的观点(Bour,Bursuc&Konstantinidis,2011)。其次,独立教学方法将强化学生对课程内容的孤立感知。没有实践经验的学生可能无法形成整合的思想，这种整合在现实生活中是实际存在于STEM学科之前的（Breiner,Harkness,Johnson&koehler,2012)。最后,独立的教学方法将在无意中抑制学生的学术发展。它可能会诱使教师更依赖讲座型教学方法而不是让学生动手的方法，然而，研究表明学生动手的方法是更可取的(Dickstein,2010;Deslauriers、Schelew&Wieman,2011)。在运用独立教学方法的课堂上，一个教师可能选择多种教学策略,但是知识内容仍然是教学的重点。这可能限制综合学科的刺激以及学生对他们必须学的知识的实际用处的理解。嵌入式方法嵌入式方法被普遍地定义为一种教育方法，在这种方法中领域知识的获得是通过强调真实的情况和社会、文化和功能环境中的问题解决方法而完成的(Chen,2001)。在实践中,嵌入式教学是一种有效的教学方法,因为它旨在强化和补充学生学习在其他课程中学到的知识(ITEEA,2007)。技术教育教师使用嵌入式方法加强一节课对学习者在理解和应用方面的有利之处。STEM的嵌入式方法强调技术教育内容(就像运用独立式教学方法时一样),从而保持学科知识的完整性。然而,嵌入式方法不同于独立式方法之处在于,它是通过多科学技术和工程数学种情景促进学习(Rossouw,Hacker,&devries,2010)。然而,嵌入式方法并没有设计对材料的评价或评估(Chen,2002)。图2描绘了STEM教育的嵌入式方法。图2.STEM教育的嵌入式方法每个圆圈代表一个STEM主题。来自于至少一门学科的领域知识被放置在另一个情景中。嵌入式教学的成分通常涉及不评估或评估。尽管嵌入式教学是一个很有价值的教学策略,但还是有一些值得考虑的挑战。例如，嵌入式教学可能导致分裂学习(Hmelo&Narayanan,1995)。如果一个学生不能将嵌入式的材料与课程环境相联系，学生将有可能只学到部分知识而不是从课程整体中受益。此外,确保嵌入的知识是学生之前学过的，并且符合年级水平是相当必要的。如果老师停下来教或纠正学生对嵌入的知识的理解,那么学生的学习可能会中断(Novack,2002).整合的方法STEM教育的整合方法设想突破每个STEM学科内容之间的界限，作为一个主题来教学(Breiner等,2012;Morrison&Bartlett,2009)。整合的方法有别于嵌入式方法的地方在于将各个领域的详细的评价和评估标准合并在这个课程之中(Sanders,2009)。理想情况下,整合方法能够学生获得掌握解决实际任务所需的能力(Harden,2000)。以这种方式培养学生是有益的,因为它是一个依赖于STEM教育理念的，学生必须使用它来解决实际问题的多学科世界(Wang,Moore,Roehrig,&Park,2011)。此外,整合式教学方法可以增加学生对STEM教育内容的兴趣，在学生很小的时候就实行这种教育效果尤为显著(Barlex,2009;Laboy-Rush,2009)。两个常见的整合教学方法是多学科整合和跨学科整合(王等,2011)。多学科整合要求学生将在不同时间不同课堂上学到的知识联系起来。它的实施依赖于全体教员确保内容之间有联系(Wang等,2011)。数学科学技术与工程Wang等人(2011)提出跨学科整合来源于现实世界中的问题。它把跨学科的内容和批判性思维、解决问题的能力和知识相整合以得出结论。多学科整合要求学生在具体的学科内容之间建立联系，但是跨学科整合关注问题本身,要求学生把注意力集中到来自各种领域的内容和技能上。图3描绘了STEM教育的整合式方法。图3.STEM教育的整合式方法。STEM教育内容被当做一个学科来教。整合内容至少来自于两个学科。线显示多种整合方式。STEM教育的支持者将会建议整合是最好的方法(Laboy-Rush,2011;Wang等,2011)。然而,重要的是不能忘记每个学科都是“基于不同的认识论假设的”并且整合可能有损于单个学科自身的完整性(Williams,2011,p.30)。在句话说,正如Harden(2000)解释的那样：“在整合时，主题和学科在很大程度上放弃自己的自主性”(p.555)。因此,教师必须考虑这些潜在影响是如何抑制内容的完整性的，再判断整合是否是最有益的教学方法。此外,整合式指导方法需要教育培训。老师经常难以进行整合性的指(Williams,2011)。由于缺乏一般指导，这可能会阻碍学生的理解,这种现象称为混合效应(Jacobs,1989)。在混合效应中,教师从各个学科中整合材料,但他们无法创建一个统一的目标。比混合效应更有害的效应是极性效应。老师可能成为特定主题领域的“卫士”而限制的其他内容的加入。这可能导致学生了解的缺乏(Jacobs,1989)。因此，在选择适当的教学方法必须做仔细的考虑，讨论每个方法在实施时的利弊。感染检测活动这个活动的目的是利用国际技术和工程教育工作者协会的科技素养标准的(2007)。第14条规定有关医疗技术，规定学生提高对医疗技术的理解、选择和使用能力。一个技术教育教师在教授于年龄谁评适当的内容时应该遵循此标准。技术和工程科学数学在一节课中,学生们要假设自己是一个在亚马逊一个偏远的村庄研究一张致病病毒的免疫学家。他们的任务是设计一种疫苗来缓解这种病毒的传播。每个团队创建了一种方案，详细内容在表1中列出。技术和工程实验室使用独立式方法，强调活动集中在发展病毒模型,疫苗管理设备,或包装上。通过嵌入式方法，技术教育教师可以通过向学生呈现疾病、疫苗和病毒的显微图像嵌入科学的领域知识，或者当学生测量确定疫苗接种的数量时嵌入数学知识，在疫苗接种时嵌入剂量疫苗接种时间表,或者在运送疫苗时嵌入包装盒设计知识。最后,如果所有知识都是有技术教育教师来教的话，这节课(表1)可看做是跨学科整合的一个例子。然而,如果技术教育教师通过多学科综合的方法来教的话,那么每一位老师(技术教育、科学和/或数学老师)将在同一天在特定的教学时间内通过其特定的课程内容讲授同样的知识。他们会根据学习目标来评价和评估这些学习需求。表2描述了各年级感染检测活动的学习成果。表1.操作感染检测手术感染检测-ITEEA标准14-医疗技术幼儿园-2年级2-5年级6-8年级9-12年级接种疫苗疫苗和药物免疫学远距离医疗学生将会创建一个包含以下组合科学物品拼贴需要照顾受感染的人和物品病毒症状卡详细介绍病毒的名字和症状内科疾病的网页包括病毒的名字,照片,症状,行动计划,疫苗信息以及如何防止额外的传播内科疾病的网页包含病毒的名字,照片,症状,行动计划,疫苗信息以及如何防止额外的传播技术与工程创建一个该病毒的三维模型，满足这些约束：免费站、6“x12”创建一个疫苗管理设备原型创建一个该病毒的三维模型，满足这些约束：免费站、6“x12”创建一个疫苗管理设备原型创建一个该病毒原型，满足这些约束:免费站、12“x12”,并将它放在一个可以旋转的结构中，以便使病毒的所有角度都能看见用计算机处理，原型病毒;图像必须旋转以便看到病毒的所有角度，图像必须是彩色的创建一个疫苗管理设备的原型创建一个疫苗管理设备原型包装为一个空气微量疫苗。疫苗管理设备必须装在一个尺寸限制在2'x4盒子里。数学一种测量疫苗数量的方法三维模型测量一种测量疫苗数量的方法三维模型测量疫苗有效性的图表/标准三维模型测量一种测量疫苗数量的方法疫苗有效性的图表/标准用量计划一种测量疫苗数量的方法注:此表总结了幼儿园-12年级的中学生利用ITEEA(2007)技术标准14-医疗技术进行的STEM活动。它的标题为操作感染检测。作者强烈建议，在活动前阅读要比在实行策略是阅读要好。获得完整详细的活动可以通过访问以下网站：年级学生将能够：科学科学地辨识病毒的特征解释病毒是怎样感染其宿主的科学地辨识病毒的特征以防其扩散用图解法表示病毒解释病毒是怎样感染其宿主的科学地辨识病毒的特征以防其扩散用图解法表示病毒解释病毒是怎样感染其宿主的技术和工程定义免疫学的特点展示对接种疫苗的使用和管理工具的理解定义免疫学展示对接种疫苗的使用和管理工具的理解展示对提供病毒信息的产品和系统的理解定义免疫学展示对接种疫苗的使用和管理工具的理解展示对提供病毒信息的产品和系统的理解定义远程医疗创建一个通过远程医疗传递和管理疫苗的计划数学测量原型大小演示剂量估计测量原型大小测量剂量测量原型大小测量剂量创建一个可行的剂量时间表根据约束尺寸和重量配置疫苗箱注:此表说明了感染检测活动的学习成果。每个学科都有自身的学习需求,可以通过三种方法进行有效地教。根据主题和方法,与学习的需求相一致的适当的级别标准将被识别并应用于课程中。结论因为社会对技术素养和STEM精通的学生的需要,