通过创新的课堂做法改变STEM教育

科学、技术、工程和数学教育已经成为现代课程的基石,因为学校努力为学生提供21世纪劳动力所需要的技能。 当地学校正在超越传统的以讲座为基础的教学,而采用强调实践学习、跨学科联系和现实世界相关性的方法。 这些转变不仅仅是趋势,而是对学生如何通过探索、合作和应用学习最好的认识。 通过采用创新方法,教育工作者正在培养创造力、批判性思维和解决问题的能力,为学生们准备可能还没有的职业。 下面是今天的STEM教室改造的最有效的战略的扩大。

基于项目的学习:解决实际问题

基于项目的学习是深化科学、技术和工程教育了解的最有效框架之一。在PBL的课堂中,学生在几周或几个月内应对复杂、开放的挑战——设计水过滤系统、制定城市可持续性计划模型或开发满足当地社区需求的应用软件。这种方法将学生从信息被动接受者转移到必须进行研究、原型、测试和脚踏实地的积极调查人员。PBL的协作性质反映了实际的工程和科学团队,在这些团队中,沟通和分工至关重要。Edutopia的研究表明,实施良好的PBL方案的学生表现出更强的批判性思维,比传统环境中的同伴保存更久的知识。教师充当促进者,指导调查而不是提供答案,这培养了对学习成果的独立性和自主权。

STEM 所突出的PBL 行动实例

当地几所学校将PBL与社区伙伴结合起来,创造真正的学习经验,例如,中学生与城市规划部门合作分析交通模式,提出改善行人安全的建议,高中工程班为残疾人设计辅助装置,直接与职业治疗师合作,这些项目要求学生应用数学进行数据分析,使用技术进行模型制作,并利用工程原则进行原型制作,向利害关系方介绍实际结果,提供功能原型或政策建议,提供抽象教科书问题无法匹配的动力。

STEM教室战略技术整合

技术不再是STEM教育中的一个附加内容;它是一个核心组成部分,可以改变学生与内容的互动方式. 本地学校正在部署一系列工具,使抽象概念变得清晰可见,互动. 虚拟实验室模拟让学生进行对于物理教室来说太危险,昂贵,或者时间太长的实验,比如DNA凝胶电泳或化学反应动力学. LEGO Spike Prime或VEX Robotics等机器人包通过迭代建挑战来教授编码和机械设计. 编码平台从Scratch等块基环境到Python等文字语言为计算思维提供了脚手架,使学生能够创建游戏,模拟,以及数据可视化.

技术的融合也支持差别化. 适应性学习软件可以根据学生的表现实时调整问题难度,确保每个学习者在适当的挑战水平上工作. 学生的ISTE标准[强调诸如数字公民,创新设计和计算思维等技能,所有这些技能都是通过有目的的技术使用培养出来的. 围绕这些工具投资教师培训的学校看到最大的影响;没有专业发展,即使是最先进的技术也有可能成为昂贵的分心.

科学、技术、工程和数学虚拟和增强现实

虚拟现实(VR)和增强现实(AR)等新兴技术正在创造过去无法想象的浸润性学习经验。 学生可以虚拟实地考察国际空间站,探索3D中一个人类细胞的内部,或者从教室走进罗马水管系统。 AR应用将数字信息覆盖在物理物体上;例如,在印刷电路板上划一块平板可能会显示电压读数和组件标签。 虽然这些工具在采用早期就已经证明对空间推理任务特别有效,例如理解分子几何或机械组装序列。

丰富STEM学习的社区伙伴关系

学校没有在真空中运作,最活跃的科技教育项目有意与周边社区搭建桥梁。 与当地企业、大学、医院和博物馆的伙伴关系打开了教科书无法打开的大门。 这些合作有多种形式:大学研究人员在实验室中接待高中实习生,制造厂的工程师领导课后机器人俱乐部,科学中心提供旅行展览,补充课堂单位。 这些伙伴关系为学生提供科技教育项目职业的体验和能够成为榜样的专业人士,特别是可能看不到自己在这些领域中代表自己的学生。

影响超越了灵感。 国家科学教学协会 研究表明,社区联系的STEM经验提高了学生的动力,帮助学生对未来教育和职业道路作出知情的决定。 当地学校还受益于由赠款资助的方案,将教师与行业导师结合起来,共同开发基于现实世界应用的课程材料。 学生不仅获得内容知识,而且了解工作场所规范、沟通期望和职业道德—— 孤立地教学是困难的。

实习和外出:学习课室墙外课程

结构性实习方案是最有价值的社区伙伴关系模式之一。 高中学生可能花在一周的部分时间与工程师、数据科学家或医疗专业人员一起工作。 这些经验为课堂学习提供了背景 — — 突然,在分析桥梁上载荷分布时,微积分变得相关,生物学在临床实验室环境中生机勃勃。 教师在工业环境中度过的时间同样强大。 在技术公司或研究实验室工作的教育工作者带来了真正的问题、案例研究和联系,从而丰富了他们今后几年的学习计划。

制造者空间: 创意成为实实在在之处

制造者运动通过专门制造器空间,将工具、材料和辅助实验文化结合起来,在学校中找到了一个自然的家。 这些空间通常配备有三维打印机、激光切割器、焊接站、缝纫机、电子部件和工艺用品。 与设备相比,更重要的是教学方法:制造器空间前方设计思维[,这一过程涉及共鸣、思想、原型、测试和迭代。 学生们知道失败是设计过程的一个生产性部分,是建设复原力和持久性。

制造者活动自然会融合多个STEM学科。 设计可穿戴的健康监测器的学生必须理解基本的电路,编程一个微控制器,考虑传感器的放置(ergonomics),并创建一个有吸引力的外壳(design ) 。 这种跨学科混合的组合会反映专业人士解决问题的方式 — — 没有人为的学科界限。 学校也利用制造器空间支持其他学科;历史学生可能创造古代发明的模型,而艺术学生则用可编程LED灯进行实验。 低摄取,高参与环境对最初可能不会识别为“科学人”的学生来说特别有效。

各级手脚制作者学习

小学制造空间往往以纸板、回收材料和简单的电路为主线,鼓励幼儿将自己视为创造者。 中学空间引入了微小:比特或Arduino等可编程微控制器,以及基本的手工具和安全程序。 高中制造空间可以支持先进项目,如无人机组装、计算机辅助设计(CAD)和材料科学实验。 通过跨年级的脚手架复杂化,学校确保学生在应对尖端挑战之前建立基础技能。

公平和包容:确保所有学生都能入学

科学、技术和工程教育的最大挑战之一是确保所有学生——不论性别、种族、社会经济背景或能力如何——都拥有参与和取得成功的切实机会。 科学、技术和工程领域的历史差距依然存在,但创新的地方方案正在积极努力消除这些差距。 适应性强的教学[是一个关键战略,教育者将科学、技术和工程教育的内容与学生的生活经验和文化背景联系起来,例如,水质课程可能包含当地社区对环境正义的关注,或者几何课程可能探索文化艺术形式的模式。

有针对性的推广计划也在发挥作用。 科技教育学院的女生俱乐部、代表人数不足的少数民族机器人团队以及诸如黑人女生CODE等组织的伙伴关系创造了支持性同伴社区,学生可以在那里不带偏见地探索自己的兴趣。 学校也在检查自己的做法:审计学生在科技教育学院高级课程中的注册情况,检查差异的学科数据,以及培训教师的包容性教学方法。 将学生与具有相同背景的科技教育学院专业人员联系起来的辅导计划可以具有变革性,既提供启发性,又提供实用指导。

STEM 学习通用设计

应用通用教学设计(UDL)原则确保有不同学习需求的学生能够使用STEM教学。这意味着提供多种代表手段(例如,视频演示与文本指示并列)、表达(例如,允许学生通过模型、演示或书面报告来展示研究结果)和参与(例如,在项目主题中提供选择 ) 。 辅助技术如屏幕阅读器、语音对文字软件和适应性实验室设备消除了可能排斥学生参加实践STEM活动的障碍。 当学校设计从一开始,而不是改造住宿时,所有学生都受益于更丰富、更灵活的学习经验。

现代科技教育评估战略

创新的STEM方案需要超越传统测试和测试的评估方法。 教育家越来越多地使用基于绩效的评估[],这些评估要求学生通过真实的任务展示知识。 例如,学生们可能不回答关于电路的多重选择问题,而是建立一个能解决具体问题并解释其设计选择的功能电路。 收集学生工作随时间推移的组合 — — 包括项目草稿、反思期刊和最终产品 — — 提供了比单一考试分数更丰富的增长图景。

合作技能、创造力和迭代设计方面的鲁布里奇正在完善,以使这些评估更加可靠和公平。 同行评估和自我反思也得到了整合,教育学生批评自己的工作,向同伴学习。这些方法符合学生准备世界的目标,即他们将接受评估,了解自己解决新问题的能力,而不是在时间压力下回顾事实的能力。 学校也在探索数字校标系统,承认在基于能力的框架内掌握特定技能,让学生能够以自己的进度进步。

STEM 教育工作者的职业发展

即使是最创新的课程,也没有熟练的教师来实施。 当地学校正在投资持续的专业发展,这既能建立内容知识和教学信心。 有效的方案超越了一次性讲习班;它们包括辅导、合作规划时间和专业学习社区,教师在其中分享战略和解决问题的挑战。 暑期学院将教师们融入STEM的实践经验 — — 如建造无人机或进行实地生态研究 — — 帮助教育工作者将真正的实践带回课堂。

教师培养计划也在不断发展,更加强调STEM的整合和基于询问的教学。 与大学合作为在职教师提供研究生STEM证书或硕士学位的学校会看到特别强劲的结果。 当教师感到支持和准备充分时,他们更有可能冒着新的教学方法的风险,有效地使用复杂的技术,并创造学生蓬勃发展的课堂环境。

早期接触:小学开始STEM

研究者强调,在对属于这些领域的陈规定型观念形成之前,STEM的兴趣往往体现在小学中。 当地学校通过构建结构、观察昆虫生命周期、使用简单的编码应用软件以及进行实际科学调查等活动,在早期年级引入适合年龄的STEM经验。 这些基础经验为STEM词汇、过程和解决问题的方法提供了安慰。 早期接触对于历史上在STEM中代表不足的社区的儿童尤为重要,因为早期接触使他们的参与正常化,并从一开始就建立起归属感。

基础STEM方案往往使用综合主题单元,将科学、数学和识字结合起来,例如读一本关于桥梁的书,然后挑战学生从符合某些标准的具体材料中建造桥梁原型。 这一方法不断学习连接和有意义的,而不是孤立地分成不同的学科。 对高质量基础STEM教育的投资可以带来长期红利,为准备在中高中学习高级课程的学生创造管道。

门外和环境学习的作用

科学、技术和工程教育教育不必局限于室内教室。 越来越多的学校正在纳入室外学习空间 — — 学校花园、自然小径、气象站和湿地研究区 — — 提供了丰富的科学调查环境。 学生可以收集和分析土壤样本、监测鸟类迁徙模式、测试当地溪流的水质,或者设计符合当地气候条件的节能结构。 这些经验将抽象的科学原则与有形的环境现象联系起来,促进环境管理与内容知识相结合。

环境科学、工程和科学教育也自然有利于跨学科工作。 研究入侵物种影响的学生可能利用数学来模拟人口增长、利用地理信息系统工具绘制分布图的技术、设计清除战略的工程以及科学来理解生态系统动态。 这一整体方法帮助学生们了解学科的相互关联性以及科学、工程和工程与当代最紧迫问题的相关性,从气候变化到生物多样性丧失。

结论:建立未来发展科学、技术和环境部生态系统

科技教育在本地学校的转变并不是通过任何单一举措,而是通过有意的融合多种方式实现的。基于项目的学习、技术融合、社区伙伴关系、创造空间、以公平为重点的战略、创新评估、教师专业发展、早期接触和环境联系,都为创造丰富的学习机会生态系统而共同努力。 这些努力不仅为学生的大学和职业,而且为能够以有意义的方式参与科技的知情公民的生活做准备。 最有效的方案具有共同的特点:它们以学生为中心,与现实世界环境相关,包容所有学生,并有不断改进的氛围。 随着地方学校不断完善和扩大这些创新方法,它们正在为一代解决问题者、创造者和愿意塑造未来的领导人奠定基础。