七岁的安娜和路易斯刚开完早会,在会上他们探讨了一个问题:“谁是工程师?工程师是做什么的?”,并在工程的背景下讨论了问题和解决方案这两个词。
安娜:如果这是我们学校的问题,我们应该帮助解决它。
路易斯:我们必须成为工程师来解决这个问题,这就像做很多科学和数学的事情,还有画画。
瓦莱里娅和山姆正在列一份材料清单,他们将需要为他们的学校建造一个户外结构。
山姆:我想考虑一下防水的东西,然后列个清单。瓦莱里娅:你是说我们上次看的那些东西吗?这些学生前一天调查了塑料和橡胶材料,发现它们是防水的。山姆:对,就像那些可以放在外面,即使下雨或下雪也不会变质的东西。
这些学生交流发生在一个二年级的城市教室里,在STEM(科学、技术、工程和数学)模块上,该模块使用了基于社区的工程(CBE)方法——这是本文的重点。学生们的对话不仅突出了他们对材料性质的思考,而且强调了他们从科学探究课到工程设计挑战中所带来的证据。
长期以来,科学教育的改革一直提倡探究作为提供有意义的科学学习体验的一种手段。我们作者使用调查正如国家科学教育标准(NRC 1996)所定义的那样:通过这些活动,学生可以发展对科学思想的知识和理解,以及对科学家如何研究自然世界的理解。此外,下一代科学标准(NGSS 2013)呼吁将工程和技术整合到科学教育中。为了帮助教师创造一个有潜力应对这些挑战的学习环境,我们为小学儿童(1-5年级)开发了基于社区的STEM学习工程方法。
这种教学方法使用工程设计为城市教室的幼儿创造真实的学习体验。CBE的灵感来自建构主义思想,即幼儿通过与环境中的物体互动来构建知识,以及社会文化学习理论,这些理论强调语言、对话和有意义的语境在幼儿学习中的作用(Lave & Wenger 1991;Worth & Grollman 2003;DeVries & Sales 2011)。
定义和定位基于社区的工程
在我们亚博欢乐棋牌作为基于大学的STEM教育工作者的工作中,我们与小学教师和学生合作,探索工程设计,作为在城市小学课堂上学习科学和工程思想和实践的背景。CBE方法包括在学生社区、社区中心或学校发现和解决工程问题。例如,学生们可能会发现向学校花园输送水的挑战,并设计和建造一个实际的系统,一个比例模型,或一个新的自动浇水系统的计算机模型。
在城市环境中提供最有意义的学习经验的工程问题可能与在其他环境中不同。在开发CBE方法时,我们关注了它在城市社区中的意义,在这些社区中,STEM课程的选择并不总是关注儿童的文化资源和当地的知识基金(Moll et al. 1992;Rivet & Krajcik 2008)。关注当地社区提供了一个共同的视角,通过这个视角,教师和学生可以将城市环境的文化和语言多样性视为探究和设计的资源,而不是障碍。当孩子们意识到这些工程经验使他们能够塑造自己的生活和社区时,他们可能会更多地参与探究和构建新知识(Bouillion & Gomez 2001;Buxton Lee, & Santau, 2008)。
CBE模块有三个目的:(1)在工程设计过程中将科学和数学概念的推理语境化,(2)帮助学生与同龄人和社区成员联系,并将自己定位为社区负责任的成员,(3)向教师介绍工程设计,并获得教师对城市小学课堂CBE方法设计指导的反馈。虽然我们的CBE模块所解决的问题是特定于当地城市环境的,但任何社区的从业者都可以使用四个关键元素来指导他们的CBE课程开发:
1.解析问题:识别社区问题,并确定哪些问题可以通过工程设计来解决。选择一个特定的问题,确定特定的社区需求,并列出标准和约束条件。
2.研究并计划解决方案:头脑风暴解决问题的可能方案。调查与问题相关的科学现象及其潜在的解决方案。咨询资源和社区成员,以计划可能满足标准和约束的特定解决方案。
3.构建和测试原型:构建一个演示解决方案的原型。与社区成员一起测试原型,看看它是否符合约束条件并满足标准。进行更改并再次测试。
4.解释和重新设计:生成关于原型什么有用,什么没用的解释。为解决问题的下一步向社区提出建议。
在这篇文章中,我们通过讲述波士顿一所多元化城市包容学校的24名二年级学生如何接受CBE挑战——翻新室外教室的故事,来说明CBE方法如何应用于幼儿。这所学校距离市中心约两英里,位于一个人口密集的拉丁裔和非洲裔美国人家庭的工薪阶层住宅区。
设计一个户外学习空间
学生们参加了为期13天的户外教室改造CBE模块,每天专门花75分钟。这段时间被安排在课堂的每周课程表中,作为STEM单元,由课堂老师和大学团队的一名讲师共同授课。教室里还有一名特殊教育教师和一名教师助理。课堂教师和大学教师拥抱他们的教学伙伴关系,重视会议,汇报和计划下一节课。课堂教师通常会在每节课开始时安排最初的圈时间,而大学教师则在每节课结束时专注于支持孩子们进行有意义的对话。
解决问题(第1天-第4天)
第一天,老师向学生们介绍了学校的团队,并解释说他们的班级被选来帮助学校用工程学解决一些问题。然后,学生们分享了他们对工程师和工程的最初想法。
接下来,老师大声朗读了《金发姑娘和三只熊》的故事,并引导学生们找出熊们面临的三个问题:破床、破椅子和喝粥。然后,学生们用他们熟悉的乐高积木制作了一张床、一把椅子和一个护粥器的原型,帮助熊们解决了这些问题。
第二天我们使用FETCH!短片(www.pbslearningmedia.org/resource/eng06.sci.engin.design.lemonadestand/how-do-you-keep-lemonadecool/),向学生介绍工程设计的过程。这段视频展示了两个小孩设计并建造了一个柠檬水摊。该视频让学生们有机会看到他们这个年龄段的孩子在设计产品时遵循不同的实践,比如定义问题和建模解决方案。
第三天,学生们探究单词的含义问题和解决方案在工程的背景下。学生们分为三组,在学校操场上散步10分钟,寻找各种各样的问题。每个小组向老师口述他们看到的问题清单。
第四天,全班同学看了一遍每组的清单,老师圈出他们注意到的常见问题。老师组织了一次全班讨论,以决定哪个工程问题最需要注意。有人立即回应说:“操场上的垃圾太多了。”这引发了更多的评论:“我不知道为什么人们在我们的院子旁边扔东西。”“我看到那里有很多香蕉皮——可能是午餐垃圾。”这次讨论让学生们有机会表达他们的担忧,并考虑他们想要应对的挑战。它帮助教师创造机会,让学生更好地参与解决问题的过程。学生们把注意力集中在两个紧迫的问题上:学校操场周围有太多垃圾,放学后部分向社区开放;需要有一个有趣和可用的室外教室空间——目前的空间缺乏配套设备,所以很少使用。
学生们两人一组,通过写作或绘画为每个问题想出至少一个解决方案;他们的想法在对问题的描述下得到了体现。
老师和大学辅导员讨论了学生们选择的问题,以及他们提出的解决办法的性质和范围。对于老师来说,选择的问题必须与科学和数学内容相联系,与学校课程相一致,建议的解决方案可以由学生自己设计,并且适合他们的年龄,这一点非常重要。老师认为这种工程设计经验是一种重视学生在科学和数学课堂学习的方式。
我们的目标是在结合科学、数学、工程和语言的解决问题的过程中创造学习机会,我们(教师和教师)决定专注于室外教室空间的设计挑战,并将垃圾问题转化为两个较短的实践设计挑战:设计一个微型垃圾箱原型和设计垃圾袋把手。
研究并计划解决方案(第5天至第8天)
在第五天,我们向学生们介绍了第一个实践设计挑战:制作一个微型垃圾箱来模拟一个设备,可以帮助减少学校操场上的垃圾。我们提供简单的材料(索引卡、剪刀、胶带、管道清洁器),并要求学生们单独进行头脑风暴。一些学生分享了他们的想法,其他人提出了一些改变。
在最初的头脑风暴之后,老师问学生们:“什么是一个好的垃圾箱?”一些学生回答说:“要一份味道很重的。”“要一份装满垃圾后不会给小费的。”“我们可以在里面放很多垃圾。”然后,老师指导学生们列出一个好的垃圾箱的标准清单。他引入了词汇——稳定,能力,可移植性帮助他们表达自己的想法。然后我们修改了设计目标,纳入了这些标准:“设计和建造一个微型垃圾箱,当我们把垃圾放进去时,它可以稳定地站立,不会翻倒或摔倒。”
根据现有材料定义的标准和约束条件,学生们以三到四人一组的方式完成原型。他们拿到了假装的垃圾(一个小沙袋,之前在老师做的迷你垃圾箱里测试过)来测试他们的设计。测试和随后的讨论导致了一些设计的改进。当天结束时,学生们已经设计、建造并测试了五个符合他们标准的垃圾箱。
第二天,学生们展示了他们的设计,并描述了他们在研究和解决方案阶段所遵循的步骤。我们请一些孩子解释为什么他们会先画出自己的想法。他们的回答,比如“为了帮助看到我的想法”和“我们不想浪费材料”,让我们有机会讨论草图、计划、分享想法以获得反馈以及谨慎使用资源的重要性。
在引导学生反思垃圾箱设计过程后,我们提出了第二个实践设计挑战:使用有限的材料为纸质垃圾袋制作坚固的手柄。学生们经历了一个类似于创建垃圾箱的过程。虽然我们让学生参与两种不同的设计活动,但其他CBE辅导员可能只选择一种。
第7天和第8天,我们主要进行科学探究活动。为了选择一个科学理念/概念,我们的团队审查了州学习标准,并从下一代科学标准中寻找了一个核心科学理念,以支持学生的户外工程挑战。我们选择了这样一个概念,即材料可以通过其可观察的性质来描述,不同的性质适用于不同的目的(例如,全天候外套的防水材料)。一个,www.nextgenscience.org/dci-arrangement/2-ps1-matter-and-its-interactions).
为了帮助学生探索这个想法,我们设计了探究活动,让他们测试各种材料来确定它们的防水性。(第一个活动见“课程计划”)这些活动旨在促使学生考虑他们为室外教室结构提出的材料的特性。此外,我们的目标是让学生参与计划和开展调查,并使用观察作为证据来支持他们的工程设计亚博娱APP。在任何CBE经验中,这一步骤的一个重要方面是通过适合学生已经确定的社区问题的探究活动来支持对潜在科学和数学概念的探索。孩子们从这些探索中学到的东西将帮助他们对他们的工程设计解决方案做出明智的决定。
教案
课程名称:防水材料
目的:调查防水材料
摘要目的:学生将认识到不同的材料有不同的特性,并解释我们可以根据它们的特性来使用它们。
第一部分:10分钟(地毯时间)
给学生看一件雨衣。问他们:
1.是什么?(雨衣)
2.你什么时候使用它?(在雨中)
3.我们可以换一件夹克吗给大家看另一个在雨中?(没有)
4.为什么不呢?(它不能让我们免受雨的伤害;我们会淋湿的)
5.这件雨衣有什么不同?
引导学生得出关键结论:雨衣与其他类型的夹克不同的是它的材料。由于材料的特殊性质,我们将其用于特定的目的。
第二部分:15分钟(调查活动)
材料:盛水的容器(空酸奶或塑料手巾容器)和不同材料的方块(纸,咖啡过滤器,毛毡,铝箔,塑料,纸板)
学生们在一张桌子或其他工作台上结对工作。让学生先预测哪些材料可以用来做雨衣,哪些材料不能。
接下来,让学生们把每种材料浸入水中,观察它发生了什么,然后决定他们是否能用它做一件雨衣。让他们把自己的观察记录在提供的讲义上或笔记本上的数据表上。最后,把材料收拾好,把桌子清理干净。
第三部分:10分钟(全班讨论)
有意义的科学讲座:讨论每种测试的材料,然后问:“我们能用它做一件雨衣吗?”为什么或者为什么不呢?”询问学生的想法,鼓励他们看看他们从调查中观察到的结果,并将这些观察结果作为证据。然后介绍防水这个词——水不能通过的东西。
引导学生的关键收获:有些材料是防水的,而有些则不是。我们可以只用一些材料做雨衣,因为我们需要防水材料。防水是材料的一项重要性能。我们根据不同材料的性质来选择何时使用它们。
举几个其他的例子,说明我们根据材料的性质和我们想完成的任务来选择材料,比如用棉布擦去溢出来的东西,或者用锡纸在热烤箱里盖住食物。
在科学探究之后,每个学生至少写了一个更好地利用室外教室空间的解决方案。老师把他们的解决方案贴在墙上的图表上。这些措施包括清洁室外教室空间,创造一个街区,让室外空间变得有趣,增加一些他们可以学习的东西,老师可以在室外教,并提供一个室外书架。
构建并测试原型(第9天至第10天)
第9天用来讨论学生们对户外教室空间的想法,选择一个来实施,并制定初步的设计方案。在开幕的全班会议上,我们展示了学生们的建议,并让他们在整个集合中寻找相似之处。孩子们注意到一些想法,比如一个户外街区和一个有趣的学习区,专注于在户外空间建造一些可以用来教和学数学的东西。在与老师进行头脑风暴之后,全班同学决定做一个户外数轴——一种将数字按顺序排列在一条线上的图片表示,帮助孩子们在计数和测量上下文中看到算术。他们小组合作,就数轴的需求和限制进行头脑风暴,使其长度等于10个学生彼此站在一起,能够用它来教低年级的学生,使它坚固防水,能够在没有勤务工的情况下建造它,并保持低成本。他们计划制作一个巨大的、三维的、交互式的、防水的数轴。
学生们在第10天继续设计和制作材料清单。然后,每个小组与班上其他同学分享他们的计划,从其他学生那里得到反馈,并完善他们的设计。
解释和重新设计(第11 - 13天)
在第11天,我们在数轴挑战中增加了一个难度,告诉学生学校管理者只允许展示一个数轴。我们用这种情况来讨论工程师如何经常面对导致他们改变设计的新信息。我们的团队决定合作,在最终设计中使用每个原型的最佳功能。
老师把全班分成三组,每组有不同的任务。其中一组测量了学生们决定安装数轴的室外墙壁。第二组完成设计,标注图纸,并列出必要的材料。第三组孩子看书,并与老师交谈,以了解数轴可以用来帮助孩子学习和做数学的方法。
那天结束时,全班通过了最终的材料清单。学校团队仔细检查了清单,当某些材料因为成本或安全原因无法采购时,我们进行了替换,并说明了原因。在第12天和第13天的大部分时间里,学生们都在组装数轴。
在第13天结束时,学生完成了数轴。它主要由PVC管制成,耐雨雪,每个数字都有突出的钩子,还有一些便携式扩展。一种扩展是不同长度的字符串,学生们通过操纵来显示增加或减少。
为此,学生们从两厘米长的绳子开始,直到他们系上10根长度逐渐增加的绳子。他们使用了x + 5厘米的方程,其中x表示前一根绳子的长度。这为参与和支持概念开发的数学提供了一个背景。
组装好的数轴终于展示在校园里,学生们的努力终于实现了。学生们想把数轴展示给家人看,也想看看其他教室使用的数轴。他们看到自己的作品被展出时的兴奋反映了他们的成就感。诸如“我认为这真的会帮助学校里的每个人”这样的表达反映了他们对学校社区的贡献意识。老师觉得设计活动对学生来说不仅仅是一个动手的活动。它为学习和教授科学、数学和工程学提供了一个背景。老师重视学生在寻找和解决问题时所承担的责任。他认为让学生参与学习和建立知识的过程是很重要的。
寻找通过形成性评估学习的证据
在任何CBE课程中,我们都会寻找学生在三个方面学习的证据:使用工程设计实践,学习科学和数学内容,并承担社区问题解决者的角色。我们在课堂上的形成性评估包括看学生的作品,比如他们的设计、图纸、原型和书面思考。我们还观察了学生参与讨论、小组工作以及与同龄人互动的情况,并做了轶事记录。这些观察和笔记帮助我们为下一节课进行修改,并让我们了解孩子们在三个维度上的进步。我们在整个课程中的观察提供了学生学习的证据,证明工程设计是STEM的一个有意义和吸引人的背景。作为数轴设计者的学生建议用数轴来做加法和减法。他们认为数轴是一种有趣的方式,可以向低年级的孩子展示“数字是如何一次一步地向上和向下攀升的”。他们自己用它来研究数轴的长度扩展是如何工作的。老师认识到,支持内容学习的不仅是最终产品,还有设计过程。例如,该项目在建造过程中需要探索一个抽象的方程- x + 5 cm。
赋予学生发现问题和解决问题的权力,使他们的社区受益,从而形成了一个跨越不同内容领域和实践的学习过程,这受到了老师和学生的重视。老师和校长认为CBE方法能够支持小学生学习成为负责任的社区成员,同时确保学术内容得到很好的解决。
学生们在STEM模块的最后一天提出的问题,比如“我们接下来要解决什么工程问题?”,” and the enthusiasm they showed while photographing themselves with the number line, spoke volumes about their engagement and involvement in the experience that the CBE approach created.
参考文献
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摄影作品:1,©iStock;第2、3页,作者提供
Tejaswini Dalvi博士,波士顿马萨诸塞大学初级科学教育助理教授。Tejaswini是一名物理学家,一直在基础科学教育领域工作,专注于STEM和工程教育。她的研究包括与小学生和城市职前教师的合作。(电子邮件保护)
克里斯汀·温德尔(Kristen B. Wendell)博士是塔夫茨大学机械工程和教育学助理教授,她在工程教育和推广中心进行研究。克里斯汀为学前和小学设计了工程课程和专业发展计划,由美国国家科学基金会资助#1253344。(电子邮件保护)
约瑟夫·约翰逊(Joseph Johnson)是波士顿奥利弗·温德尔·霍姆斯小学公立学校包容教室的一名二年级教师。他是霍姆斯创新团队的成员,致力于将STEM和英语语言学习实践融入整个学校。