以创新的教室做法改造STEM教育

科技、工程和數學教育是現代教程的基石,學校努力使學生掌握21世紀的勞動能力。 本地學校正在超越傳統的教訓,而接受强调實習、跨学科連結和現實世界關切性的方法。 這些轉變不只是趋势,而是更深刻地理解學生的學習:探索、合作和应用。 教育家們采用创新方法,培養了創意、批判性思考和問題解答能力,使學生們為可能尚未存在的職業做好准备。 下面是今天的STEM教室改造的最有效的策略的延伸。

專案學習:解決真正的問題

以計畫為基礎的學習(PBL)是深化STEM理解的最有效框架之一。 在PBL的課堂中,學生們在數周或數月內應對複雜的、不限名额的挑戰, 设计水过滤系統、建模城市可持续性计划、或开发應用程式, 以應當地區需求。 這種方法使學生從信息被动接受者轉移到必須研究、原型、測試和實際的實際調查者。 PBL 的合作性反映了真正的工程和科學團隊, 在這群隊中, 交流和分工是不可或缺的。 Edutopia [[FLT: 0] 的研究表明, 執行良好的PBL 計畫的學生比傳統环境中的同學者更強大批判性思考, 保留更長的知识。 老師們扮演了協商, 指導調查而不是提供答案, 使學業者對學結果有獨立和主人翁主權。

動作中被 STEM 插入的 PBL 示例

部分本地學校將PBL與社群伙伴整合, 以建立真正的學習經驗。 例如, 中學學生與一個市规划部合作, 分析交通模式, 提出改善行人安全。 高中工程課為殘障人士設計了辅助裝置, 直接與職業心理醫生合作。 這些計畫要求學生應用數學來做數據分析, 使用建模技術, 以及利用工程原理來建模。 實際效果 — — 向利益相关者、功能原型或政策建议介紹 — — 提供了抽象的教科书問題無法匹配的動因。

STEM 教室的策略技術集成

科技不再是STEM教育的附加項目; 科技是改變學生與內容交互的核心成份。 本地學校正在部署一系列工具, 使抽象概念顯而易見且具有互動性。 虛擬實驗室的仿真讓學生進行實際課程, 如DNA凝膠電光學或化學反應動力學, 可能太危險、 成本太高、 或太費時。 LEGO Spike Prime 或 VEX Robotics 等機器人工具包, 教化編碼和機械設計, 通過迭代建挑戰。 由以區塊為基的環境, 如 Scratch , 向文字為計算思提供標語, 使學生能創造遊戲、 仿真和數據可觀化。

科技整合也支持分化。 适应性學習軟體可以根据學生的表現來实时調整問題的難度, 确保每個學者都能在适当的挑戰水平上工作。 學生的ISTE 標準[ 都强调數位公民、创新设计和計算思考等技能, 都由有目的的技術來培植。 依據這些技術的教師訓練, 學校的影響最大; 沒有專業發展, 即使最先进的技術也有可能成為一個昂贵的分心。

STEM 虛擬和增強的現實

現實實實驗(VR)和增強實驗(AR)等新兴科技正在創造一些以前無法想象的浸泡性學習經驗。學生可以去國際太空站進行虛擬的野外旅行,探索3D內部的人類細胞,或者穿過羅馬水管系統,全部從教室中走出來。AR應用程式將數位資訊覆蓋到物理物件上;例如,在印刷電路板上指標可能會顯示電壓讀數和元件標籤。這些工具在早期被采用時,被證明在空间推理工作上特别有效,例如理解分子几何或机械組合序列。

學習的社群合作

任何學校都無法在真空中運作,最有活力的STEM計畫有意與周边社群搭建桥梁。 和本地企業、大學、醫院和博物館的合夥合作是教科书所不能開的。 合作的形式很多:大學研究者在他們的實驗室中接待高中實習生,制造工厂的工程師在學校後機器人俱樂部中,科學中心提供旅行展品,以补充教室的功能。 這種合夥关系可以讓學生們接触STEM的職業,以及可以成為模范的專業,尤其是對在這些領域中可能看不到自己代表的學生而言。

校方也從受助人資助的計畫中獲益, 該計畫將老師與業務導師搭配到共同研發以實際化應用程式为基础的教材。 學生不仅獲得內容方面的知識, 也了解工作規則、交流期望和职业道德,

實習生和外出:學習超越教室牆壁

结构性的實習方案是最有價值的社群合作模式之一。高中生可能花在學期的部分時間和工程師、數據科學家或醫學專家一起工作。 這些經驗為教室學習提供了背景,但當分析橋上的负荷分配時,微积分就顯得重要,而生物學在临床實驗室中生還。 外出學在工業环境中度过,其力量也一樣大。 在科技公司或研究實驗室工作的教育者會帶回真正的問題、案例研究以及連結,丰富了他們未來的課程。

制造者空間: 想法變得真實的地方

造物者運動在學校中找到了一個天然的家,它通過了一個專業的造物者空间,其中结合了工具、材料和辅助性實驗文化。這些空間通常裝有3D打印机、激光剪刀、剪刀、剪刀站、缝纫機、電子元件和工艺用品。比起設計方法,更重要的是:造物者空間前方 設計思考[, 这一过程涉及共識、思想、原型、測試和迭代。學生們知道,失敗是設計过程中的一個有產品部分,是建立應力和持久性。

製造者活動自然融入了多項STEM 學術。 設計可穿戴的健康監控器的學生必須了解基本回路、設計微控制器、考慮感應器的放置(ergonomics)以及建立有吸引力的外殼(design) 。 這項跨学科的混合體現了專家解決問題的方式 — — 沒有人工的科目界限。 學校也使用製造器的空間支持其他科目; 歷史學家可能創造古代發明的模型, 而藝術學家則用可編程的LED燈實驗。 製造器空間的低收率、高参与度環境對最初可能沒有認同學者相關的學生尤其有效。

各级手腳製作者學習

初等制造器的空間通常會以紙板、回收材料和簡單的路線等為主題,鼓勵年幼的孩子把自己看成創造者。 中學的空間引入了微小:bit或Arduino等可編程的微控制器,以及基本的手術工具和安全程序。高中的空間可以支持無人機裝配、電腦辅助設計(CAD)和材料科學實驗等進步工程。 學校在處理尖端挑戰前,先要先用手腳來建立基础技能。

公平和包容:确保所有学生都能使用

STEM教育的最大挑戰之一是确保所有學生,不管性别、种族、社会经济背景或能力如何,都有有意义的機會參與和成功。 STEM领域的歷史差距依然存在,但创新的本地方案正在积极努力消除這些差距。 文化反應性教學[是一項关键策略,教育者將STEM的内容与學生的生活經驗和文化背景相連,例如,水质課可以包含當地社群对环境公義的關注,或者几何課可以探索文化藝術形式的模式。

具有针对性的拓展方案也有所改變。 女孩入學於STEM的俱乐部、代表不足的少数民族的机器人隊、以及同一些組織的合夥合作,例如 黑人女孩 CODE 建立支持性同龄社群,學生可以不偏倚地探索自己的利益。 學校也在研究自己的行為:審查那些招收高等STEM课程的學生,研究不均等的学科資料,以及培训教師的包容性教育。 使學生和交流背景的STEM專業者相關的導方案可以具有改革性,既提供靈感又提供實際的指導。

STEM 中通用的学习設計

實施通用的学习設計(UDL)原理可以确保有不同学习需要的學生可以使用STEM 教訓。这意味着提供多种代表手段(例如,在文字指示的同时,也提供影像演示)、表示(例如,讓學生通过模型、演示或书面報告來展示發現)和參與(例如,在專案題中提供選擇 )。辅助性技術如屏幕讀器、言語對文字軟體、适应性實驗室設備等,可以消除可能把學生排除在實際STEM活動之外的障碍。當學校設計要融入而不是改造校園時,所有學生都從更豐富、更灵活的學習經驗中获益。

现代STEM 學習的評估策略

創新式的STEM計畫需要超越傳統測試和考驗的評估方法。 教育者越来越多地使用 基于绩效的評估[ , 要求學生通过真正的任務展示知识。 例如, 學生們可能不回答多選的關於路徑的問題, 而是建立功能性的路徑, 解決一個特定問題, 解釋他們的设计選擇。 收集學生工作時常的套件,包括项目草稿、反省期刊和最终產品, 提供了比一個考試分數更豐富的發展圖象。

相關的同時評估與自我反省也相當融為一体, 教學生批評自己的工作, 向同學學習。 這些方法符合一個讓學生為自己有能力解決新問題而接受評估的世界的目標, 而不是他們在時間壓力下回憶事實的能力。 學校也在探索數位校標系統, 以認清在能力框架內掌握特定技能, 讓學生能以自己的速度進步。

STEM 教育者的专业發展

即便最有創意的教程也落空了,沒有有技能的老師來實施。 本地學校正在投資於正在进行的專業發展,這些發展既能建立內容知识和教學信心。 有效的方案不僅僅僅是一次性的工廠,还包括教學者共享策略和解決問題的教學群。 暑期學院把老師們們的實際STEM經驗(如建造无人機或進行野外生态學研究)都帶回了真正的實驗。

老師的準備計畫也在進展,更强调STEM整合和以問問問为基础的教育。 和大學合作提供研究生的STEM憑證或在职老師的硕士學位的學校,效果尤其显著。 當老師感到支持和準備充分時,他們更有可能冒新的教學方法的風險,有效地使用复杂的科技,并营造學生繁衍的教室环境。

早曝光:從小開始STEM

研究者强调,在對哪些人屬於這些領域的定型看法形成之前,STEM常常會在小學中形成兴趣。 本地學校正在引入與年齡相适应的STEM經驗,如搭建小塊、觀察昆蟲生命周期、使用簡單的編碼應用程式、實際科學調查等。這些基本經驗可以讓STEM的語言、流程和問題解答方法更加舒適。 早期的曝光對在STEM中代表不足的族群的儿童尤为重要,因為它使他們從一開始就正常參與,并建立起归属感。

科技教育(Stemic STEM)的課程通常使用融合科學、數學和识字的集成主题單位,例如讀一本關於桥梁的書,然后挑戰學生用符合某些標準的具体材料建造橋架原型。 這種方法一直學習連接而有意义,而不是分開來。 高水平的科技教育(STEM)教育的投資可以產生長期的红利,可以讓那些準備在中學和高中上高等課的學生們們們都開始學習。

室外和环境 STEM 学习的作用

科技教育不必局限于室内教室。 越来越多的學校正在整合室外学习空间 — — 學校園林、自然小徑、氣象站和湿地研究區,从而为科學探究提供了豐富的背景。 學生可以收集和分析土壤樣本、監控鳥類移動模式、測試本地溪流的水质、或設計符合當地气候条件的節能结构。 這些經驗把抽象的科學原理和有形的環境现象联系起来,並與內容知識一起培育環境管理。

環境性STEM教育自然也有利于跨学科工作。 研究入侵物种影响的學生可能利用數學來模型化人口增长、利用GIS工具映射傳播科技、設計清除策略的工程以及科學來理解生态系统動力。 這個整体方法幫助學生看到各学科的相互关联性以及STEM對我們時代最迫切的問題的關切性,從氣候變遷到生物多样性的消失。

結論:建立未來的科技發展生态系统

科技教育在本地學校的轉變不是單一的計畫,而是有意整合多種方法。以專案為主的學習、技術集成、社區合作、造物機構、公平战略、創意评估、老師專業發展、早期曝光和环境聯系等, 都努力建立丰富的學習機會的環境。 这些努力不仅讓學生做好了上大學和職業的準備,而且讓那些能以有意义的方式參與科技的知情公民的生活有建設。 最有效的方案有共同的特征:它們以學生為中心,與現實世界背景相關,包容所有學者,並以合作和持續改善的文化為持續。當當當地學校繼續完善和拓展這些創意方法時,它們正在為一代問題解題者、創辦者和領導者打下一個基础,他們也準備塑造未來。