技術促進STEM學習的9個維度與案例

美國教育部近日發佈報告，系統綜述了技術促進STEM學習的9個維度，並提供了這些維度在全國各地課堂上應用的例子（如圖），以幫助教師在如何用現在和未來的技術支持STEM學習上做出有效的決定。

這9個維度與案例內容編譯如下。

1.動態表徵。學生通過與數學、科學和工程系統的數字模型、仿真和動態表示進行交互，從而學習或掌握STEM概念。

案例學校：Walter Bracken STEAM Academy

在Walter Bracken，一名教師使用交互式模擬來教三年級學生關於天氣和氣候的知識。學生們使用在線模擬來測量美國兩個不同地方的溫度讀數。使用該技術工具，學生可以及時看到溫度、溼度、降雨和風向的不同測量值。學生們用平板電腦記錄數據，觀察模式，並互相分享他們的發現。由於拉斯維加斯的天氣變化有限，學生們在學習美國不同地區的天氣時都很投入，也很開心。如果沒有數字技術的幫助，這種活動是不可能完成的。

2.協作推理。技術工具支持學生圍繞STEM概念進行協作推理，使小組成員平等參與，並幫助個人和小組改進他們的想法。

案例學校：Philip H. Schoo Middle School

在Philip H. Schoo中學，學生們通過使用來自下一代科學故事情節的單元來學習聲音是如何傳播到很遠的地方的。學生們首先觀察一個令人困惑的現象:當一根大頭針被拖過一張黑膠唱片時，會產生聲音。這一觀察使學生產生了有關聲音的原因和它如何到達耳朵的問題。然後，學生們用筆記本電腦創建數字模型來回答他們最初的問題，從而產生更多的問題。在本單元中，學校教師使用班級共識模型，學生通過在線交流和協作平臺，在駕駛問題板上分享他們的問題。學生們分組回答問題，並在學習同伴的想法時形成新的想法。老師將每個學生的數字模型投射到全班面前，他們一起討論這些不同的表現形式與科學模型的異同。通過這種方式，教師能夠與學生共同構建推動科學探究的問題。

3.即時和個性化的反饋。數字工具為學生實踐或學習STEM的技能或概念提供即時和個性化的反饋，而不是對與錯。

案例學校：Greene Central High School

在Greene Central High School，學生們在學習數學時經常收到個性化的即時反饋。通過平板電腦，學生們可以觀看老師做習題的視頻，然後自己做習題。這種技術使老師能夠看到每個學生在做什麼，這樣他/她就可以發現那些正在解決特定數學問題的學生。教師可以以提示或實例的形式及時為有困難的學生提供量身定製的支持。能夠實時訪問每個學生的數據，能夠根據每個學生的需求進行個性化的快速干預。該技術還為教師提供了儀表盤，顯示每個學生以及整個班級的數據，這樣他/她就可以看到學生在哪裡需要幫助，以及他們在哪些數學標準上遇到了困難。

4.科學論證技能。學生使用支持科學論證技能的技術，包括提出和評估有關科學或數學主張的證據。

案例學校：Weaver Lake STEM Elementary School

在Weaver Lake STEM Elementary School，四年級學生進行了一項為期一年的關於湖泊健康的研究，學習使用數據和證據進行科學論證的技能。在“這個湖是健康的嗎?”這個問題的引導下，學生們每月去附近的淡水湖，用真正的科學家使用的數字工具收集環境數據。學生們用探針記錄水和土壤溫度；收集湖水樣本；使用渾濁管記錄水的淨度。學生們還拍攝了湖邊的數碼照片，以記錄一年中不同時間的季節性觀測。回到教室後，學生們按要求創建一個網站，讓更廣泛的學校社區人員根據他們的數據判斷這個湖是否健康。技術允許學生有效地展示他們在學年中收集的證據(包括圖表和照片)，闡明他們的論點，並根據需要修改他們的論點。這些數據為學生提供了機會和動力，以增強和擴大他們的科學論證和演示的有效性。

5.工程設計過程。學生使用工程設計流程和適當的技術來計劃、修改、實施和測試問題解決方案。

案例學校：Douglas L. Jamerson, Jr. Elementary School

在Douglas L. Jamerson, Jr. Elementary School，孩子們從幼兒園開始就學習計劃、設計、檢查和分享的工程設計過程。到了三年級，學生們學習絕緣體和導體，並在設計和製作絕緣體時運用他們的知識，以防止冰塊融化。各種技術工具支持學生的工程設計和評估活動。學生們從低年級上過的有關絕緣體和導體的課程中汲取知識，通過畫出模型並討論自己的想法，共同規劃自己的冰箱。在設計階段，學生測試不同材料的溫度，如黑色和白色的紙和鋁箔，看看哪個溫度最低。在向絕緣體中加入冰塊後，在將絕緣體置於陽光下30分鐘之前測量初始溫度。然後，學生們通過使用專業軟件對溫度進行多次測量來檢查他們的設計，這些測量數據隨後被繪製成圖表並用作數據。回到教室，學生們拿出他們的冰容器，測量液體的毫米數，看看有多少水已經融化了。作為一個班級，學生們分享他們的設計挑戰，調查哪些材料是最好的絕緣體。

6.計算思維。學生使用技術來制定和分析問題及其解決方案，抽象地推理，並通過算法思維使過程自動化。

案例學校：South Side Elementary School

在South Side Elementary School，STEM教育包括計算思維，從幼兒園開始，一直持續到五年級。例如，在二年級，學生參與一個編碼活動來說明蝴蝶的生命週期。年長的學生創造機器人或其他機器，這一活動要求他們在解決設計中的問題時進行計算和程序思維訓練。通過處理他們的編碼錯誤，學生們開始理解計算思維包括不斷的嘗試和錯誤，堅持錯誤或失敗是過程中的一個重要部分。教師重視編碼活動，因為它與數學和工程設計過程有關，也因為它教會學生如何向他人解釋自己的推理和思考。

7.基於項目的跨學科學習。學生在整合多個STEM領域（例如科學和數學）的基於項目或挑戰的真實學習活動中使用數字技術工具。

案例學校：Henrietta Lacks Health and Bioscience High School

Henrietta Lacks Health and Bioscience High School為學生提供跨學科項目，或挑戰為基礎的學習，通過一個項目，學生了解防曬霜中的化學物質及其對環境的影響。這項挑戰首先要建立一種分子模型，這種分子常見於包括防曬霜在內的非處方藥中。通過他們的研究，學生們瞭解到某些化合物如氧苯酮對珊瑚礁和皮膚有害。在他們的調查中，學生使用真實和免費的化學信息PubChem數據庫和3D交互式化學結構模型。為了達到最終效果，學生們製作了一個項目海報和一個防曬手冊形式的公共信息。學生們向全班同學展示他們的研究成果，並描述防曬霜中的活性成分如何影響珊瑚礁系統和人類健康。

8.嵌入的評估。數字評估嵌入到STEM教學中，以促使學生對其解釋、模型或問題解決方案的質量進行反思。

案例學校：Pine Grove Middle School

在Pine Grove Middle School，學生們在一堂關於生物對生態系統影響的科學課上完成嵌入式評估。這一課從一個檢驗問題開始，即如果某些物種從食物鏈中被移除，會發生什麼。這個問題設定了本課的背景，由學生對食物鏈影響的好奇心所驅動。學生們將他們的想法添加到一個協作文檔中，在那裡他們可以從同伴那裡得到反饋。在技術的幫助下，學生可以反思和綜合觀點，從而形成對主題的新的或修正的理解。在本課的第二部分中，學生們關注的是如果加入某些物種，食物鏈會發生什麼變化。學生在線提交答案，老師也可以向個別學生提供實時反饋。一名教師指出，成功使用數字技術的一個重要因素是提出有意義的問題，而不需要回答“是/否”。

9.以證據為基礎的模型。學生使用技術開發基於數據和證據的模型。

案例學校：Cedars International Next Generation High School

該學校將開發基於證據的模型嵌入到項目學習課程中。教師經常讓學生參與真正的設計挑戰，比如如何為學校建築增加額外的空間，這是學校面臨的一個真實而緊迫的問題。學生們開始研究學校的空間，使用抽象的測量工具和代數來測量每個房間的尺寸。學生使用數據測量為現有的學校創建一個模型，然後應用他們的代數技能為新的學校設計創建另一個有更多可用的空間的模型。學生們起草平面圖，並與平面設計團隊分享。兩個團隊通過來回詢問關於平面圖細節的問題來進行協作。在過去做這個項目的時候，學生們用他們的手繪草圖作為模型，但是這些模型傳達的信息是有限的。當學生們開始使用數字技術來生成模型時，他們的產品變得更加引人注目、更加詳細、更加清晰。