培养学生创新能力的实践研究——STEM培训后指导学生课题研究为例
作者:上海市曹杨第二中学 任佳嘉   发布日期:2014-10-28 10:36:53   阅读数:3733

摘要:“STEM”学习作为学生一种自主探究性学习方式,其作用和效果已经获得社会广泛共识。“STEM”学习主要是在教师指导下,从自然、社会和生活中选择和确定专题进行研究,并在研究的过程中主动地获取知识、应用知识、解决问题的学习活动。

当前教育改革不断深化,素质教育已深入人心。创造精神、创新能力是人才素质的核心。所以,创新应是素质教育的着眼点。开发学生的创造力,培养学生的创新意识,创新精神和创新能力,应该成为实施素质教育的重要内容。目前实施学生创新最为重要的途径就是“STEM”学习,本研究通过对指导学生课题研究为例,从课题的选题、具体实施、课题总结、课题评价等过程进行开展,深入探讨,以加深对”STEM”学习培养学生创新能力的认识。

 

关键词:STEM;课题;创新、素质教育

 

1.”STEM”学习的认识

培养学生的创新能力、培养创新人才,是提高国家自主创新能力、实施可持续发展战略、建立创新型国家的重要途径。当前教育改革不断深化,素质教育已深入人心。创造精神、创新能力是人才素质的核心。所以,创新应是素质教育的着眼点。开发学生的创造力,培养学生的创新意识,创新精神和创新能力,应该成为实施素质教育的重要内容。目前实施学生创新最为重要的途径就是”STEM”学习。日前在在中小学较广泛开展的”STEM”学习主要是在教师指导下,从自然、社会和生活中选择和确定专题进行研究,并在研究的过程中主动地获取知识、应用知识、解决问题的学习活动。

1.1”STEM”学习基本特点

1)开放性——”STEM”学习尊重每一个学生独特的兴趣、爱好,力求适应每一个学生个性化发展的特殊需要,努力为学生自主性的充分发挥开辟广阔的空间。因此,”STEM”学习必须是一种开放性的学习活动,只有实行开放才能将学生的需要、动机和兴趣置于核心地位,才能由每一个学生自主地选择学习目标、内容和方式,进而实现学生从其生活世界中选择感兴趣的主题和内容。

2)综合性——”STEM”学习注重以学生的现实生活为基础去探究,以学生的直接经验和体验为基础,通过对知识的综合运用去完整地认识作为有机整体的客观世界。学生开展”STEM”学习,不仅涉及其原有的知识基础和技能,还会直接影响到他的认知、能力和情意的发展。”STEM”学习目标的多重性也同时决定了它的综合性。

3)实践性——”STEM”学习是一种实践性的活动,它注重学生对生活的感受和体验,强调学生的亲身活动,鼓励学生在研究活动的实践中去发现和探究问题,体验和感受生活,从而发展其实践能力和创新能力。丰富多彩的探究发现,个体各异的实践体验,将为学生生活经验的积累和社会实践能力的提高开辟渠道。

1.2”STEM”学习的意义

1”STEM”学习是对传统教育的挑战和革命

①从教育对象观看,传统教育把学生当作认知体,是承受知识的容器,尽管从上世纪80年代以来,基础教育多次改革,但其最终目的还是停留在提高学生认知水平的层面,还是为了使学生学得更好,更自觉地学。”STEM”学习则把学生当作是一个完整的生命体,承认学生生命的整体性和发展的能动性,它关注的不仅是学生的认知,它更为关注学生作为生命所必需的各方面的需要,鼓励其在”STEM”学习的过程中满足各方面发展的需要,促使人的潜能在实践中逐渐转化为一种现实存在,呼唤学生对自己发展的自觉意识和能动作用

②从学习方式看,传统教育强调接受性学习,重在传承,以接受现成的结论为基本任务,重在记忆和训练。”STEM”学习是指教师或其他成人不把现成结论告诉学生,而是学生自己在教师指导下自主地发现问题、探究问题、获得结论的过程,鼓励超越。就人的个性发展而言,”STEM”学习和接受性学习二者都是必要的,而且两者常常相辅相成,结伴而行。今天我们强调”STEM”学习不是为了否定接受性学习,而是要在基础教育中找回”STEM”学习在学生发展中应有的位置,促使学生更好地发展。

③从教学方式看,传统教育下的教师是知识的占有者和传授者,是学生获得知识的唯一来源。作为知识的权威,居高临下,教学方式是传授式、点拨式,等而下之则是满堂灌、一言堂。”STEM”学习使教师失去了对学生学习内容的权威和垄断,教师和学生处于同一起跑线上,师生界限日趋淡化,教与学的互换日趋频繁,教师成了活动的参与者、组织者、指导者。教学方式从我说你听变为一起讨论、共同商量。这也为教师队伍的建设提供了新的活力。

④从课程建设看,传统教育注重必修课单一模式,教学内容滞后,范围狭窄。”STEM”学习作为一种新型课程,内容鲜活、范围广泛,且与时俱进。它是适应社会发展,尤其是学生个性发展需要的课程,是综合程度最高的课程,是以学生实践并取得直接经验和体验为主要形式的课程,它不是其他课程的延伸或附属,而是与其他课程并存和互补的课程。

2”STEM”学习是实施素质教育重要途径

素质教育的根本理念是以学生发展为本,注重学生全面素质提高。”STEM”学习变知识传授为能力培养,同时还十分关注情意态度。”STEM”学习直接指向于培养个性健全发展的人,它首先把学生视为完整的人,把探究性创造性发现等视为人的本性,视为完整个性的有机构成部分,所以把个性健全发展作为”STEM”学习的出发点和归宿。”STEM”学习从学生现有的生活经验出发,贴近学生、贴近生活、贴近社会,”STEM”学习注重学生获得亲身参与研究探索的体验;重在培养学生发现问题和解决问题的能力;培养收集、分析和利用信息的能力;让学生学会分享和合作;培养科学态度和科学道德;培养对社会的责任心和使命感。”STEM”学习突出强调情意目标,强调经验、兴趣、情感和意志的培养。这正是素质教育所力求形成的良好素质。大力推进”STEM”学习有利于落实德育为核心,有利于创新精神和实践能力的培养。”STEM”学习是落实教育要面向世界、面向未来、面向现代化,实施素质教育,提高国民素质的重要途径。

 

2.“STEM”学习——课题研究形态的实施

“STEM”学习的形态有很多,其中课题研究,是实施”STEM”学习的重要方式。我校是同济大学苗圃计划创新课题的实施学校,我们以科技创新课题研究为抓手,着力培养学生的创新能力,取得了较为丰硕的教育成果。仅一年的时间,学生所研究的课题,参与2013年第四届赛复创智杯创意设计大赛,其中张画等三位同学的《地铁站台与列车的安全对接》荣获特等奖,朱悦等三位同学的课题《家庭厨房烹饪废油烟气的净化及相应净化过滤装置的设计与研究》荣获一等奖,还有一组同学的课题《多功能自行车》荣获二等奖。通过一年来的研究和实践,我们认为,让学生参与科技创新课题研究,是培养学生创新能力、促进学生可持续发展的有效途径。课题研究的有效实施,重在每个环节的有效落实。

2.1 课题的选择

选题是科学研究类项目的第一步,规定了研究的方向和目标,对研究的结果具有强有力的影响,选题的成败直接影响科学研究的方向、内容、意义。因此,合理的选题是学生进行科学研究的重要环节。

同学们在选题方面存在的问题:

题目陈旧,缺乏创新;

例如:

家庭花卉种类的调查及分析报告

某某公园昆虫动物调查初探

论取代城市杂草的途径和方法害虫的防治要除早、除小、除了”……

题目过大、过深,脱离学生的学习生活和社会生活

 例如:

基因工程、光合作用机理、固氮工程等方面选题;

折叠技术在大型空间望远镜运输过程中的应用”……

题目缺少理论意义和实践价值。有两类题目的理论意义和实践价值很低:其一是提高教学手段方面的题目;其二是提高休闲娱乐水平方面的题目。

例如:

化学课方面的pH指示剂的改进(如用紫菜头的花青素来代替石蕊试纸)、

食物种类对蟋蟀鸣叫质量的影响

鱼会笑吗?”……

因此,我们鼓励学生观察生活,从中发现生活中的问题,如生活用品还存在哪些使用不便利的地方,日用电器、汽车等存在哪些不环保的问题等等,让学生带着发现的眼睛和思考的头脑观察生活,提出要研究的课题。我们以同济大学苗圃计划科技项目为契机,以我校同济班的33位同学为实验对象,开展课题研究的动员,并就如何选择确定课题作了总体指导,然后印制和下发学生选题的意向表,明确学生的选题意向。根据学生选题意向表反馈信息,我们将33名学生按不同的学科方向分成了9个研究性课题组,每组约3名学生,由一位组长负责组织和管理。

我认为课题的研究应以学生的自主活动、自主学习、自主研究为主要形式,旨在培养学生的问题意识和研究探索精神。因此,在课题的选定,课题组成员的组合,收集资料,筛选、分析、整理资料,撰写论文等,都应由学生自主进行。我还鼓励学生自己寻找指导老师,可以在自己熟悉的老师中找,也可以在校外找,或者请自己有某方面特长的家长指导。利用中午时间向学生们介绍与他们课题研究意向有关的知识、信息及确立具体课题、进行试验、社会调查等的研究方法,然后正式确定研究课题,填写课题申报表,阐明其研究目的、计划等,得到认可后,同意并正式立题。当然在课题的形成与麟选中,对一些没有研究意义或者不具有操作性的课题,我们进行了剔除,对于学生提出的一些具有研究价值的,但又没有考虑到为的问题,指导老师再进行启发、引导,最后形成以下课题:

1   各类课题及负责人

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2.2 课题研究的实施管理

课题定好后,课题项目进入实施过程。学生课题研究的时间为每周五下午第二节和放学后。我们首先下发了研究性活动课学生须知,让学生明确课题研究的具体任务要求,规范学生课题研究的步骤和时间观念。在前三周里,我们给学生介绍与他们课题研究意向有关的知识、信息及确立具体课题、进行试验、社会调查等的研究方法,然后正式确定研究课题,填写课题申报表,阐明其研究目的、计划等,得到认可后,正式立项。接下来的四到六周时间里,学生开始为自己的课题收集资料,进行试验,开展社会调查等,这些活动课在校内进行,也可在校外进行,具有开放性和分散性的特点,强调自主性与体验式。我们每周定期了解、收集、检查学生进行课题研究的情况。为更好地规范学生的课题研究活动,我们设计了如下表格,为保证课题研究的顺利进展和研究的质量,我们对学生活动记录进行定期检查和批阅,及时做好指导工作。期中考试后,我们着重指导学生进行资料的筛选和分析,并向学生推荐与课题研究有关的最新的信息,帮助学生完善课题的研究。

课题研究活动记录表实例

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学生们根据自己的课题需要设计实验方案,收集和获取数据,并对其进行整理与分析。

①设计实验方案

根据设计的实验方案,通过观察、实验或调查,在合理安排实验时间的基础上,收集和获取与解决问题有关的数据、资料和信息。教师指导学生能够正确、安全地使用基本实验仪器,能进行一系列的观察、比较和测量,进行实验变量的控制,科学记录实验现象和数据,实验过程中注意观察与思考相结合,不断发现问题和解决问题。

观察、实验或调查是收集和获取证据的最基本的方法,但不是唯一的途径,也可引导学生从教材、网络或其它地方获取证据,对探究活动进行补充。

数据与资料的整理

按照数据、资料与研究内容的符合程度及数据的详细程度,进行分级排队、过筛分选。挑选出有证据表明不可靠或不准确的材料,将有疑问、精度较差或没有代表性的材料留供参考,对重要但不齐全的数据,可重新观察和实验,对数据进行补充。对凡能解决所研究课题的关键材料应特别重视。经过比较、核对、检查、淘汰和整理,保证进入总结与分析过程的观察资料与数据的科学性和可靠性。

数据与资料的分析

运用统计学知识分析数据,常用的统计分析工具包括方差分析、显著性检验、回归分析,这些分析通常借助分析软件进行,如SPSS软件和Office办公软件等。

为了使数据更加直观、科学,指导学生选择合适的图形或表格呈现数据,简洁明了地表现实验内容和结果,从而更好地展现内在规律。如折线图、表格、饼状图。在指导学生分析数据的过程中,要提醒学生善于发现问题,反思实验结果能否支持提出的科学假设

④得出结论,结论部分包括以下内容:

该研究结果说明了什么问题,得出了什么规律,运用了什么理论,解决了什么实际问题。对创新内容的概括,措辞需严谨、准确,不可含糊其辞、模棱两可。尽量不要使用大概也许可能是这类词,以提高论文的价值和科学性。

对前人有关问题的看法做了哪些检验,哪些与本研究结果一致,哪些不一致,作了哪些否定、补充、修正或发展。该研究有哪些遗留问题没有解决,有哪些不足之处需要进一步探索,可以提出进一步研究本课题的建议,也可以对所研究的课题提出一些科学的展望。

“STEM”学习并不是一个固定模式的顺序过程,而是一个能动的、多样的、多层面的、循环发展的过程。课题探究一般包括提出和聚焦问题,设计研究方案,收集和获取证据,分析数据、得出结论,表达与交流五个重要的要素。

当然,在课题研究实施过程中,我每周都要进行调控与检查。召开商讨会,有时大家交流信息,有时请课题做得好的组员介绍经验。在这一阶段中,学生或设计调查问题,到实地进行调查或采访;或进行大胆构想,进行新产品或创意的设计;或进行实验研究,记录实验数据,分析实验结果;或画图纸,制作模型等等。这些都是对学生创新能力的直接的锻炼和提升。

例如,研究《地铁站台与列车的安全对接》这一课题的同学,亲自赴地铁站询问地铁相关人员关于地铁站站与列车对接存在的安全问题时,屡遭碰壁,但他们并没有放弃,而是想尽一切办法,直到找到一位站长接待了他们,这种精神就是科技创新中不可缺少的一种精神。他们根据实地调查和自己所学的知识,设计了地铁站台与列车的安全对接的模型,对实践有较大的指导意义。这种能力的锻炼和提高,是一般课堂学习无法做到的。再如,研究《家庭厨房烹饪废油烟气的净化及相应净化过滤装置的设计与研究》这一课题的同学,为了选取家庭厨房烹饪废油烟气的净化材料,他们亲赴同济大学,咨询了相关专业的专家、教授,根据专家、教授的建议,他们从中又选取几种材料,自己设置实验装置,亲自进行试验研究。经过课题研究这样一个完整的过程,学生不仅掌握了研究的方法,学会了从实际出发,通过踏实探究中获得结论的方法和技能,而且培养了严谨的科学态度,以及克服困难的意志品质和孜孜以求的进取精神。这种探究的精神,不正是科学研究的创新精神吗?

我在指导学生课题研究的过程,也同时为学生迸发出的这种精神所感动。例如,《地铁站台与列车的安全对接》课题组成员在他们的收获与感悟中写道,此次课题耗费我组同学大量心血,与此同时却也收获颇丰。我们始终相信,不论你准备去做什么,只要有坚定的信念且付出到一定的程度终会有回报。且不论一个人的能力范围内他到底能做出什么结果,先哲说过人生的所有能力都排位于态度之后。无疑我组成员在这一方面的出发的方向是正确的。只因我们明白:态度决定一切,细节决定成败。”“固有的思维模式和仅局限于课本的知识是无法让我们完成此次课题的。……这些与人息息相关的日常事物却往往倒是灵感的来源。……没有自我思想,没有创造性是不能将事物提升的。……要想超越便要开拓创新。……此次课题研究,在某种意义上也打开了我们脑中的一扇窗,让我们意识到实际上确实有很多东西是可以改进的,当我们看到某件事物存在的时候并不能以理所当然的眼光去面对。……要想到它为什么会是现在这样它够完美了吗它还能更进一步提升吗《家庭厨房烹饪废油烟气的净化及相应净化过滤装置的设计与研究》课题组成员写道,而对于我个人来说,更让我明白在实验中,一点点的误差,就可使实验失败。原本以为称物体质量是这次实验中最为轻松简单的事。但恰恰相反,称重却花费了我们大量的时间和精力。称重活性炭时,为使称重精确,我们添加、减少活性炭反复了很多次。”“实验环境由于充满了未吸净的油烟气,让组员们都经受了一次考验,大家都能坚持到完成实验,并且男女生充分各司其职,男生负责装置调试,女生负责记录数据,计时,如果没有这样的配合,我们甚至不能完成实验。在这点点滴滴而又真实的体会中,我们可以看到,科学创新的精神和能力就是这样炼成的。

 

2.3 课题研究的总结

我不把课题研究仅限于学生已设计出模型或创意来这一结果,而是把课题研究作为一个完整的阶段来看待。课题研究结束了,还要进行总结。对学生来说,要他们撰写课题研究报告,把自己的研究成果用报告的形式呈现出来;同时对整个研究过程进行总结,主要是总结经验,吸取教训。关于课题研究报告的撰写,我们都要求学生用专业的方式来写,以此培养学生的学术能力。(表3)《家庭厨房烹饪废油烟气的净化及相应净化过滤装置的设计与研究》就是一份完整课题总结的格式。

3《家庭厨房烹饪废油烟气的净化及相应净化过滤装置的设计与研究》目录

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 论文或研究报告的撰写是课题研究成果表达的重要形式,形成论文或研究报告是学生把自己的研究过程和研究成果表达出来的重要能力。因此,让学生撰写论文或研究报告也是培养学生创新能力和可持续发展能力不可缺少的重要一环。通过研究报告的撰写,让学生理清整个研究的思路,明确研究的目标、内容,阐述研究的主要方法,表述研究取得的主要成果,并对下一阶段的研究提出展望,这些都是作为课题研究的基本的技能和学生可持续发展能力提高的必要历程,因此,论文或课题研究报告的撰写是作为课题研究必不可少的环节。

2.4 对课题研究的评价

在课题研究结束后,还要组织答辩会。答辩会由学校领导、课题指导老师和聘请的大学的教授专家组成,通过答辩,评选等第奖次,并将结果与学生的综合素质评价相联系,作为高考升学的重要依据。所以每组同学都非常重视课题的研究和最后的这次答辩。答辩会上,每组同学介绍自己的课题研究情况,展示自己课题研究成果和论文,评委据此提出一些问题,要学生现场给以答辩。这是让学生通过展示和答辩,进一步提升自己能力的一个极好的形式。为了在答辩会上把自己最好的一面展示给评委,他们竭尽全力,把自己的课题研究修改完善到最好,把自己的论文做到最专业,把自己的研究过程用最漂亮精美的PPT展示出来,把最完美的设计成果(模型或创意设计)展现出来,用最有利的论证回答评委的问题……这些都进一步升华了学生的创新能力。


后记

课题研究是”STEM”学习是一种高端形式,它强调学生的亲历和自我感受体验。在课题研究项目的实施中,我们以尊重学生为主体、注重学生的体验感悟和自主探究的理念为指导,始终坚持以人的发展为出发点和归结点,让学生根据自己的兴趣、爱好和实际条件,自主选择课题,自主进行过程设计,自主选择和运用研究方法,自主探究,自主表达和呈现研究结果,使学生真正成为学习主体,思维主体,设计主体和活动主体,教师仅起辅助的指导作用。通过课题研究的亲身体验,为解决特定的问题,学生往往会产生知识内化的动机,进而产生自我发展的需要,同时借助于竞赛平台,帮助学生形成成功的体验和自我价值的认可,促进学生良性可持续地发展。实践证明,借助于课题研究项目,实施”STEM”学习,可以有效地培养学生的创新素养和能力,促进学生的可持续发展。