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              培養學生創新能力的實踐研究——STEM培訓后指導學生課題研究為例
              作者:上海市曹楊第二中學 任佳嘉   發布日期:2014-10-28 10:36:53   閱讀數:11806

              摘要:“STEM”學習作為學生一種自主探究性學習方式,其作用和效果已經獲得社會廣泛共識。“STEM”學習主要是在教師指導下,從自然、社會和生活中選擇和確定專題進行研究,并在研究的過程中主動地獲取知識、應用知識、解決問題的學習活動。

              當前教育改革不斷深化,素質教育已深入人心。創造精神、創新能力是人才素質的核心。所以,創新應是素質教育的著眼點。開發學生的創造力,培養學生的創新意識,創新精神和創新能力,應該成為實施素質教育的重要內容。目前實施學生創新最為重要的途徑就是“STEM”學習,本研究通過對指導學生課題研究為例,從課題的選題、具體實施、課題總結、課題評價等過程進行開展,深入探討,以加深對”STEM”學習培養學生創新能力的認識。

               

              關鍵詞:STEM;課題;創新、素質教育

               

              1.”STEM”學習的認識

              培養學生的創新能力、培養創新人才,是提高國家自主創新能力、實施可持續發展戰略、建立創新型國家的重要途徑。當前教育改革不斷深化,素質教育已深入人心。創造精神、創新能力是人才素質的核心。所以,創新應是素質教育的著眼點。開發學生的創造力,培養學生的創新意識,創新精神和創新能力,應該成為實施素質教育的重要內容。目前實施學生創新最為重要的途徑就是”STEM”學習。日前在在中小學較廣泛開展的”STEM”學習主要是在教師指導下,從自然、社會和生活中選擇和確定專題進行研究,并在研究的過程中主動地獲取知識、應用知識、解決問題的學習活動。

              1.1”STEM”學習基本特點

              1)開放性——”STEM”學習尊重每一個學生獨特的興趣、愛好,力求適應每一個學生個性化發展的特殊需要,努力為學生自主性的充分發揮開辟廣闊的空間。因此,”STEM”學習必須是一種開放性的學習活動,只有實行開放才能將學生的需要、動機和興趣置于核心地位,才能由每一個學生自主地選擇學習目標、內容和方式,進而實現學生從其生活世界中選擇感興趣的主題和內容。

              2)綜合性——”STEM”學習注重以學生的現實生活為基礎去探究,以學生的直接經驗和體驗為基礎,通過對知識的綜合運用去完整地認識作為有機整體的客觀世界。學生開展”STEM”學習,不僅涉及其原有的知識基礎和技能,還會直接影響到他的認知、能力和情意的發展。”STEM”學習目標的多重性也同時決定了它的綜合性。

              3)實踐性——”STEM”學習是一種實踐性的活動,它注重學生對生活的感受和體驗,強調學生的親身活動,鼓勵學生在研究活動的實踐中去發現和探究問題,體驗和感受生活,從而發展其實踐能力和創新能力。豐富多彩的探究發現,個體各異的實踐體驗,將為學生生活經驗的積累和社會實踐能力的提高開辟渠道。

              1.2”STEM”學習的意義

              1”STEM”學習是對傳統教育的挑戰和革命

              ①從教育對象觀看,傳統教育把學生當作認知體,是承受知識的容器,盡管從上世紀80年代以來,基礎教育多次改革,但其最終目的還是停留在提高學生認知水平的層面,還是為了使學生學得更好,更自覺地學。”STEM”學習則把學生當作是一個完整的生命體,承認學生生命的整體性和發展的能動性,它關注的不僅是學生的認知,它更為關注學生作為生命所必需的各方面的需要,鼓勵其在”STEM”學習的過程中滿足各方面發展的需要,促使人的潛能在實踐中逐漸轉化為一種現實存在,呼喚學生對自己發展的自覺意識和能動作用

              ②從學習方式看,傳統教育強調接受性學習,重在傳承,以接受現成的結論為基本任務,重在記憶和訓練。”STEM”學習是指教師或其他成人不把現成結論告訴學生,而是學生自己在教師指導下自主地發現問題、探究問題、獲得結論的過程,鼓勵超越。就人的個性發展而言,”STEM”學習和接受性學習二者都是必要的,而且兩者常常相輔相成,結伴而行。今天我們強調”STEM”學習不是為了否定接受性學習,而是要在基礎教育中找回”STEM”學習在學生發展中應有的位置,促使學生更好地發展。

              ③從教學方式看,傳統教育下的教師是知識的占有者和傳授者,是學生獲得知識的唯一來源。作為知識的權威,居高臨下,教學方式是傳授式、點撥式,等而下之則是滿堂灌、一言堂。”STEM”學習使教師失去了對學生學習內容的權威和壟斷,教師和學生處于同一起跑線上,師生界限日趨淡化,教與學的互換日趨頻繁,教師成了活動的參與者、組織者、指導者。教學方式從我說你聽變為一起討論、共同商量。這也為教師隊伍的建設提供了新的活力。

              ④從課程建設看,傳統教育注重必修課單一模式,教學內容滯后,范圍狹窄。”STEM”學習作為一種新型課程,內容鮮活、范圍廣泛,且與時俱進。它是適應社會發展,尤其是學生個性發展需要的課程,是綜合程度最高的課程,是以學生實踐并取得直接經驗和體驗為主要形式的課程,它不是其他課程的延伸或附屬,而是與其他課程并存和互補的課程。

              2”STEM”學習是實施素質教育重要途徑

              素質教育的根本理念是以學生發展為本,注重學生全面素質提高。”STEM”學習變知識傳授為能力培養,同時還十分關注情意態度。”STEM”學習直接指向于培養個性健全發展的人,它首先把學生視為完整的人,把探究性創造性發現等視為人的本性,視為完整個性的有機構成部分,所以把個性健全發展作為”STEM”學習的出發點和歸宿。”STEM”學習從學生現有的生活經驗出發,貼近學生、貼近生活、貼近社會,”STEM”學習注重學生獲得親身參與研究探索的體驗;重在培養學生發現問題和解決問題的能力;培養收集、分析和利用信息的能力;讓學生學會分享和合作;培養科學態度和科學道德;培養對社會的責任心和使命感。”STEM”學習突出強調情意目標,強調經驗、興趣、情感和意志的培養。這正是素質教育所力求形成的良好素質。大力推進”STEM”學習有利于落實德育為核心,有利于創新精神和實踐能力的培養。”STEM”學習是落實教育要面向世界、面向未來、面向現代化,實施素質教育,提高國民素質的重要途徑。

               

              2.“STEM”學習——課題研究形態的實施

              “STEM”學習的形態有很多,其中課題研究,是實施”STEM”學習的重要方式。我校是同濟大學苗圃計劃創新課題的實施學校,我們以科技創新課題研究為抓手,著力培養學生的創新能力,取得了較為豐碩的教育成果。僅一年的時間,學生所研究的課題,參與2013年第四屆賽復創智杯創意設計大賽,其中張畫等三位同學的《地鐵站臺與列車的安全對接》榮獲特等獎,朱悅等三位同學的課題《家庭廚房烹飪廢油煙氣的凈化及相應凈化過濾裝置的設計與研究》榮獲一等獎,還有一組同學的課題《多功能自行車》榮獲二等獎。通過一年來的研究和實踐,我們認為,讓學生參與科技創新課題研究,是培養學生創新能力、促進學生可持續發展的有效途徑。課題研究的有效實施,重在每個環節的有效落實。

              2.1 課題的選擇

              選題是科學研究類項目的第一步,規定了研究的方向和目標,對研究的結果具有強有力的影響,選題的成敗直接影響科學研究的方向、內容、意義。因此,合理的選題是學生進行科學研究的重要環節。

              同學們在選題方面存在的問題:

              題目陳舊,缺乏創新;

              例如:

              家庭花卉種類的調查及分析報告

              某某公園昆蟲動物調查初探

              論取代城市雜草的途徑和方法害蟲的防治要除早、除小、除了”……

              題目過大、過深,脫離學生的學習生活和社會生活

               例如:

              基因工程、光合作用機理、固氮工程等方面選題;

              折疊技術在大型空間望遠鏡運輸過程中的應用”……

              題目缺少理論意義和實踐價值。有兩類題目的理論意義和實踐價值很低:其一是提高教學手段方面的題目;其二是提高休閑娛樂水平方面的題目。

              例如:

              化學課方面的pH指示劑的改進(如用紫菜頭的花青素來代替石蕊試紙)、

              食物種類對蟋蟀鳴叫質量的影響

              魚會笑嗎?”……

              因此,我們鼓勵學生觀察生活,從中發現生活中的問題,如生活用品還存在哪些使用不便利的地方,日用電器、汽車等存在哪些不環保的問題等等,讓學生帶著發現的眼睛和思考的頭腦觀察生活,提出要研究的課題。我們以同濟大學苗圃計劃科技項目為契機,以我校同濟班的33位同學為實驗對象,開展課題研究的動員,并就如何選擇確定課題作了總體指導,然后印制和下發學生選題的意向表,明確學生的選題意向。根據學生選題意向表反饋信息,我們將33名學生按不同的學科方向分成了9個研究性課題組,每組約3名學生,由一位組長負責組織和管理。

              我認為課題的研究應以學生的自主活動、自主學習、自主研究為主要形式,旨在培養學生的問題意識和研究探索精神。因此,在課題的選定,課題組成員的組合,收集資料,篩選、分析、整理資料,撰寫論文等,都應由學生自主進行。我還鼓勵學生自己尋找指導老師,可以在自己熟悉的老師中找,也可以在校外找,或者請自己有某方面特長的家長指導。利用中午時間向學生們介紹與他們課題研究意向有關的知識、信息及確立具體課題、進行試驗、社會調查等的研究方法,然后正式確定研究課題,填寫課題申報表,闡明其研究目的、計劃等,得到認可后,同意并正式立題。當然在課題的形成與麟選中,對一些沒有研究意義或者不具有操作性的課題,我們進行了剔除,對于學生提出的一些具有研究價值的,但又沒有考慮到為的問題,指導老師再進行啟發、引導,最后形成以下課題:

              1   各類課題及負責人

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              2.2 課題研究的實施管理

              課題定好后,課題項目進入實施過程。學生課題研究的時間為每周五下午第二節和放學后。我們首先下發了研究性活動課學生須知,讓學生明確課題研究的具體任務要求,規范學生課題研究的步驟和時間觀念。在前三周里,我們給學生介紹與他們課題研究意向有關的知識、信息及確立具體課題、進行試驗、社會調查等的研究方法,然后正式確定研究課題,填寫課題申報表,闡明其研究目的、計劃等,得到認可后,正式立項。接下來的四到六周時間里,學生開始為自己的課題收集資料,進行試驗,開展社會調查等,這些活動課在校內進行,也可在校外進行,具有開放性和分散性的特點,強調自主性與體驗式。我們每周定期了解、收集、檢查學生進行課題研究的情況。為更好地規范學生的課題研究活動,我們設計了如下表格,為保證課題研究的順利進展和研究的質量,我們對學生活動記錄進行定期檢查和批閱,及時做好指導工作。期中考試后,我們著重指導學生進行資料的篩選和分析,并向學生推薦與課題研究有關的最新的信息,幫助學生完善課題的研究。

              課題研究活動記錄表實例

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              學生們根據自己的課題需要設計實驗方案,收集和獲取數據,并對其進行整理與分析。

              ①設計實驗方案

              根據設計的實驗方案,通過觀察、實驗或調查,在合理安排實驗時間的基礎上,收集和獲取與解決問題有關的數據、資料和信息。教師指導學生能夠正確、安全地使用基本實驗儀器,能進行一系列的觀察、比較和測量,進行實驗變量的控制,科學記錄實驗現象和數據,實驗過程中注意觀察與思考相結合,不斷發現問題和解決問題。

              觀察、實驗或調查是收集和獲取證據的最基本的方法,但不是唯一的途徑,也可引導學生從教材、網絡或其它地方獲取證據,對探究活動進行補充。

              數據與資料的整理

              按照數據、資料與研究內容的符合程度及數據的詳細程度,進行分級排隊、過篩分選。挑選出有證據表明不可靠或不準確的材料,將有疑問、精度較差或沒有代表性的材料留供參考,對重要但不齊全的數據,可重新觀察和實驗,對數據進行補充。對凡能解決所研究課題的關鍵材料應特別重視。經過比較、核對、檢查、淘汰和整理,保證進入總結與分析過程的觀察資料與數據的科學性和可靠性。

              數據與資料的分析

              運用統計學知識分析數據,常用的統計分析工具包括方差分析、顯著性檢驗、回歸分析,這些分析通常借助分析軟件進行,如SPSS軟件和Office辦公軟件等。

              為了使數據更加直觀、科學,指導學生選擇合適的圖形或表格呈現數據,簡潔明了地表現實驗內容和結果,從而更好地展現內在規律。如折線圖、表格、餅狀圖。在指導學生分析數據的過程中,要提醒學生善于發現問題,反思實驗結果能否支持提出的科學假設

              ④得出結論,結論部分包括以下內容:

              該研究結果說明了什么問題,得出了什么規律,運用了什么理論,解決了什么實際問題。對創新內容的概括,措辭需嚴謹、準確,不可含糊其辭、模棱兩可。盡量不要使用大概也許可能是這類詞,以提高論文的價值和科學性。

              對前人有關問題的看法做了哪些檢驗,哪些與本研究結果一致,哪些不一致,作了哪些否定、補充、修正或發展。該研究有哪些遺留問題沒有解決,有哪些不足之處需要進一步探索,可以提出進一步研究本課題的建議,也可以對所研究的課題提出一些科學的展望。

              “STEM”學習并不是一個固定模式的順序過程,而是一個能動的、多樣的、多層面的、循環發展的過程。課題探究一般包括提出和聚焦問題,設計研究方案,收集和獲取證據,分析數據、得出結論,表達與交流五個重要的要素。

              當然,在課題研究實施過程中,我每周都要進行調控與檢查。召開商討會,有時大家交流信息,有時請課題做得好的組員介紹經驗。在這一階段中,學生或設計調查問題,到實地進行調查或采訪;或進行大膽構想,進行新產品或創意的設計;或進行實驗研究,記錄實驗數據,分析實驗結果;或畫圖紙,制作模型等等。這些都是對學生創新能力的直接的鍛煉和提升。

              例如,研究《地鐵站臺與列車的安全對接》這一課題的同學,親自赴地鐵站詢問地鐵相關人員關于地鐵站站與列車對接存在的安全問題時,屢遭碰壁,但他們并沒有放棄,而是想盡一切辦法,直到找到一位站長接待了他們,這種精神就是科技創新中不可缺少的一種精神。他們根據實地調查和自己所學的知識,設計了地鐵站臺與列車的安全對接的模型,對實踐有較大的指導意義。這種能力的鍛煉和提高,是一般課堂學習無法做到的。再如,研究《家庭廚房烹飪廢油煙氣的凈化及相應凈化過濾裝置的設計與研究》這一課題的同學,為了選取家庭廚房烹飪廢油煙氣的凈化材料,他們親赴同濟大學,咨詢了相關專業的專家、教授,根據專家、教授的建議,他們從中又選取幾種材料,自己設置實驗裝置,親自進行試驗研究。經過課題研究這樣一個完整的過程,學生不僅掌握了研究的方法,學會了從實際出發,通過踏實探究中獲得結論的方法和技能,而且培養了嚴謹的科學態度,以及克服困難的意志品質和孜孜以求的進取精神。這種探究的精神,不正是科學研究的創新精神嗎?

              我在指導學生課題研究的過程,也同時為學生迸發出的這種精神所感動。例如,《地鐵站臺與列車的安全對接》課題組成員在他們的收獲與感悟中寫道,此次課題耗費我組同學大量心血,與此同時卻也收獲頗豐。我們始終相信,不論你準備去做什么,只要有堅定的信念且付出到一定的程度終會有回報。且不論一個人的能力范圍內他到底能做出什么結果,先哲說過人生的所有能力都排位于態度之后。無疑我組成員在這一方面的出發的方向是正確的。只因我們明白:態度決定一切,細節決定成敗。”“固有的思維模式和僅局限于課本的知識是無法讓我們完成此次課題的。……這些與人息息相關的日常事物卻往往倒是靈感的來源。……沒有自我思想,沒有創造性是不能將事物提升的。……要想超越便要開拓創新。……此次課題研究,在某種意義上也打開了我們腦中的一扇窗,讓我們意識到實際上確實有很多東西是可以改進的,當我們看到某件事物存在的時候并不能以理所當然的眼光去面對。……要想到它為什么會是現在這樣它夠完美了嗎它還能更進一步提升嗎《家庭廚房烹飪廢油煙氣的凈化及相應凈化過濾裝置的設計與研究》課題組成員寫道,而對于我個人來說,更讓我明白在實驗中,一點點的誤差,就可使實驗失敗。原本以為稱物體質量是這次實驗中最為輕松簡單的事。但恰恰相反,稱重卻花費了我們大量的時間和精力。稱重活性炭時,為使稱重精確,我們添加、減少活性炭反復了很多次。”“實驗環境由于充滿了未吸凈的油煙氣,讓組員們都經受了一次考驗,大家都能堅持到完成實驗,并且男女生充分各司其職,男生負責裝置調試,女生負責記錄數據,計時,如果沒有這樣的配合,我們甚至不能完成實驗。在這點點滴滴而又真實的體會中,我們可以看到,科學創新的精神和能力就是這樣煉成的。

               

              2.3 課題研究的總結

              我不把課題研究僅限于學生已設計出模型或創意來這一結果,而是把課題研究作為一個完整的階段來看待。課題研究結束了,還要進行總結。對學生來說,要他們撰寫課題研究報告,把自己的研究成果用報告的形式呈現出來;同時對整個研究過程進行總結,主要是總結經驗,吸取教訓。關于課題研究報告的撰寫,我們都要求學生用專業的方式來寫,以此培養學生的學術能力。(表3)《家庭廚房烹飪廢油煙氣的凈化及相應凈化過濾裝置的設計與研究》就是一份完整課題總結的格式。

              3《家庭廚房烹飪廢油煙氣的凈化及相應凈化過濾裝置的設計與研究》目錄

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               論文或研究報告的撰寫是課題研究成果表達的重要形式,形成論文或研究報告是學生把自己的研究過程和研究成果表達出來的重要能力。因此,讓學生撰寫論文或研究報告也是培養學生創新能力和可持續發展能力不可缺少的重要一環。通過研究報告的撰寫,讓學生理清整個研究的思路,明確研究的目標、內容,闡述研究的主要方法,表述研究取得的主要成果,并對下一階段的研究提出展望,這些都是作為課題研究的基本的技能和學生可持續發展能力提高的必要歷程,因此,論文或課題研究報告的撰寫是作為課題研究必不可少的環節。

              2.4 對課題研究的評價

              在課題研究結束后,還要組織答辯會。答辯會由學校領導、課題指導老師和聘請的大學的教授專家組成,通過答辯,評選等第獎次,并將結果與學生的綜合素質評價相聯系,作為高考升學的重要依據。所以每組同學都非常重視課題的研究和最后的這次答辯。答辯會上,每組同學介紹自己的課題研究情況,展示自己課題研究成果和論文,評委據此提出一些問題,要學生現場給以答辯。這是讓學生通過展示和答辯,進一步提升自己能力的一個極好的形式。為了在答辯會上把自己最好的一面展示給評委,他們竭盡全力,把自己的課題研究修改完善到最好,把自己的論文做到最專業,把自己的研究過程用最漂亮精美的PPT展示出來,把最完美的設計成果(模型或創意設計)展現出來,用最有利的論證回答評委的問題……這些都進一步升華了學生的創新能力。


              后記

              課題研究是”STEM”學習是一種高端形式,它強調學生的親歷和自我感受體驗。在課題研究項目的實施中,我們以尊重學生為主體、注重學生的體驗感悟和自主探究的理念為指導,始終堅持以人的發展為出發點和歸結點,讓學生根據自己的興趣、愛好和實際條件,自主選擇課題,自主進行過程設計,自主選擇和運用研究方法,自主探究,自主表達和呈現研究結果,使學生真正成為學習主體,思維主體,設計主體和活動主體,教師僅起輔助的指導作用。通過課題研究的親身體驗,為解決特定的問題,學生往往會產生知識內化的動機,進而產生自我發展的需要,同時借助于競賽平臺,幫助學生形成成功的體驗和自我價值的認可,促進學生良性可持續地發展。實踐證明,借助于課題研究項目,實施”STEM”學習,可以有效地培養學生的創新素養和能力,促進學生的可持續發展。


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