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卑诗中学推出STEM班!考麻省理工不是梦

虽然胡适早就提醒:“为学要如金字塔,既要广大又要高”,但从他所处的五四时代以来,教育与为学的趋势是,高是一定要的,精专则取代了广大。百年过去,人们发现单一而专精的学问不足以应付多变的时代,在学术高塔里爬得再顶尖,未必符合实际需要,集主要科学领域“科学”(Science)丶“技术”(Technology)丶“工程”(Engineering)丶“数学”(Mathematics)于一身的STEM应运而生,成为当代科学教育的主流。

麻省理工学院(MIT)的媒体实验室是一个结合艺术与科学的学程,专门收硕士丶博士生,但混杂在艰深的理论与实验器材之间,却隐藏一个“终身幼儿园”(Lifelong Kindergarten),园长是Mitchel Resnick教授,园里最醒目的是色彩缤纷的乐高积木,但他的幼儿园是给成人的,目的是希望人人保有幼儿时的好奇心丶无框架,从玩乐中发挥想像力,再与高科技结合。另一方面,为小孩设计的成人科技“玩具”则早在15年前就开始,他推出一个名为Scratch的儿童程式软体,小学生可以透过图形介面,像玩游戏一般地学会程式语言。

麻省理工学院宣布“幼儿园”的成立时说,“要通过专题(project)丶热情(passion)丶同侪(peer)和游戏(play),培养创造力”,称为“四P方法论”,从“四P”来看内涵,“专题”不是“题目”,热情是好奇有兴趣;同侪代表群体合作,不是单打独斗,玩就会乐在其中;取向是一方面挑战极限所在(test the boundaries)和“问题解决”(Problem-solving)的能力,在过程中不断试验(experiment),没有公式,碰到瓶颈就调整方向。

Mitchel Resnick开发Scratch时还没有STEM一辞,但终身幼儿园的4P元素和其结合孩童创意丶想像力与属于成人世界的知识丶理论,可以说正是STEM的精髓。

科技整合教育真正受到注意在最近10年,人工智慧时代来临将导致许多职业被机器取代的说法甚嚣尘上,其中不只是单调重复的劳力活,也包括过去被视为专业人士的贷款授信人员或是在专职训练领域的律师助理,教育专家认真思考如何培养符合未来职场的学生。

美国从2011年开始陆续投入经费发展STEM教育,今年暑假之前,白宫科技政策办公室召集中央丶地方丶教育丶产业各界举行STEM教育高峰会,STEM成为未来五年美国教育策略的主轴,世界各国也同样开始注意丶推动和试行。

卑诗中学里的STEM教育

政府和学校要做的是将STEM抽象目标化为可行的具体政策,在全国中小学推动的编码(coding)课程就是其中之一,2017年联邦政府就为此编列5,000万预算。卑诗省政府正推动的新课纲,各科目的老师们在教学时引入日常生活中其他领域的知识,也是在同样思维下的结果。

课纲必须适用每一个学生,不能真的一体适用地将相关领域“融合”起来上,于是有的学校便单独开设STEM班,例如在温哥华的John Oliver和Templeton中学算是STEM教育的先锋。

课程特色

STEM是个复杂的课程,它强调团队合作,每一个成员都须认真扮演好自己的角色,学生不必在四个领域样样精通,但须具备好的沟通能力;另一重点是批判性思考,虽然这是一个常会听到的字眼,但其实很抽象,STEM的项目取向设计,学生不仅要在没有一定的公式,没有标准答案的情况下,从无到有地完成项目,还要能找到并修正错误,是很好的批判性思考的训练。

STEM同时是一个不断尝试与修正的过程。Templeton校长Aaron Davies说:“在传统课室,你完成老师给你的功课,一次机会,简单明了,然后进行下一个功课,但在STEM,学生以团队的方式充分运用资讯与各自的技能。我们倡导‘早摔跤丶多摔跤’的哲学,学生们先要分析问题,辨识关键所在,设计步骤,找到解决方案,动手做丶测试丶分析,然后再回头重新设计。”这就是为什么一项计划有时长达6到8周,目的就在让学生有充裕的时间不断“失败”,寻找原因,修正与学习。

校长解释,这样的过程能帮助学生更好地与未来衔接,Templeton的STEM参考了以实做见长的BCIT教学内容,同时与科技产业中的主要机构合作,“为中学毕业后的学习和未来职业生涯奠定基础”。

课程设计

真能在上课型态上打破学科界限?Templeton的STEM课表说明了它的可能性,例如11年级要同时选修物理丶电脑丶机器人和数学,在两天一轮共8堂课的课程中,第一天数学和科学占据一整个上午,隔天则整个下午是另两门。

John Oliver的课程说明一样指出:“学生将被分组,并一起上四门相关的课。”而且不同于传统学科界限,“这些课是流动的”,例如,假设学生正规划一个专题,可能会占用到下一堂课的时间,或是在科目定为数学的课堂上需要较长的时间去发展一个数学概念,学生可以继续留在数学课上。

但是不用担心,每一门课各有任课老师,只是协同合开STEM课,学生们仍会拿到个别学科的成绩,以符合卑诗中学毕业要求。

谁进STEM班?

以目前的发展来看,当作为教育理念的STEM成为具体的课程规划时,因为上课形态的不同,成为近似于IB的学程。在Templeton的STEM课,8年级新生可自由申请,是否升上9年级看8年级的适应状况和表现,不在STEM的9年级以上学生,在任何一年都可申请加入,但就要看有多少空缺。

Templeton强调STEM学生的甄选不是只凭成绩,John Oliver 10年级STEM课程申请表上有8个问题,除了姓名丶电邮地址丶9年级数学和科学成绩外,其他4个分别是:

为什么认为STEM10适合你?

怎么把货装到飞机上最好?

自己计时,以一分钟的时间,列出所有能拿一块砖头做的事?

列出三件你认为中学科学和数学课教学可以改变的事。

这些都没有标准答案,创意和逻辑思考能力的重要性明显可见。

专题与成果

从Templeton过去的专题和成果,可以了解STEM课程重点在逐步引领学生开发科学知识和兴趣。

8年级:从人称最简单的机器人Bristle Bots开始,运用电动牙刷的震动原理,只取刷头部分,连上电池和小发动机,刷头朝下,就成为小机器人。看来在家也能做的小游戏,其实综合了气体粒子丶布朗运动和牛顿运动定律的知识。

9年级:STEM讲求创意,曾想过自制一支手机显微镜?涉及物理学中的光学原理,比8年级高深得多,更多的还在实作技巧和尝试错误及失败的经验,像是要做一个可以升降的平台丶自制球面透镜丶或是找到不会将塑胶片钻破的工具。

11/12年级:模拟升空再拖着降落伞回到地面的太空船发射和下降的过程,高年级的STEM学生综合程式编码丶电子学和空气压缩原理等知识,制作出以感应器为基础的降落伞火箭系统。

STEM是男生的强项?

女生不擅长科技丶数学,这一个看似永恒的迷思,近日被获得诺贝尔物理学奖的滑铁卢大学教授Donna Strickland打破,她是史上第三名获奖女性,欣喜之余若因此论证男生较适合学科学,那是落伍了,应该是那样的刻板印象从小限制了女生在科学上的兴趣与发展。

温哥华岛上的全女生私校St. Margaret's School的STEM课程就是一个好的典范,而且从幼稚园班一路开到12年级,St. Margaret's说这完全可能,幼稚园班的STEM课以游戏和户外探险的形式展开,让孩子习于接触新事物丶描述所看到的和问问题,开启批判性思考的能力,年级较高的孩子则以分组的方式应用不同领域的知识解决现实生活中的问题。

前年夏天,St. Margaret's与岛上的养蜂农场的合作是其中一个与现实生活结合的实例,那一年大量的蜜蜂死亡,有别于在课堂上讲授蜜蜂知识,学校安排让学生能就近观察高度社会化的蜜蜂行为以及蜂蜜生产机制,而且这项学习没有年龄限制,从幼稚园到12年级都能参与。

与维多利亚大学合办的“编码女孩”暑期营则完全是女力的展现,造机器人丶编写应用程式,甚至制作3D模型。两个梯次分别是3丶4年级和5丶6年级的学生,毋须任何编程经验,St. Margaret's的老师表示,营队能建立女孩子们对科技能力的信心,鼓励她们在未来追求科技研究和事业。

St. Margaret’s从2015年起组队参加专为9到14岁(4到8年级)丶由国际青少年组织FIRST和乐高合办的FIRST LEGO League竞赛,竞赛分两部分,一是找一个与现实有关的重要议题,找出问题所在,提出解决方案,另一个是机器人比赛。去年的主题是动物,St. Margaret's组成三支队伍,其中一组的主题是某一种来自甲虫的特殊口红色料,孩子的解决方案是找出替代品,真的做出同色口红在学校贩售,机器人则分别是遛狗丶鲨鱼缸和猪圈,各有指定动作和任务要完成。

Science World里的STEM / STEAM

Science World在去年宣布与美国知名STEM教育网络STEM Learning Ecosystem合作,成立Symbiosis计划。

Symbiosis意为互利共生丶相互依存,顾名思义是整合STEM资源网络,让家长丶教育工作者和学生更容易接受到STEM讯息与教育,正因为这样的构想,以"生态"为名的STEM Learning Ecosystem选上Science World,成为美国以外地区的第一个合作伙伴,更跨出科学领域,将艺术(Arts)也纳入,成为STEAM。

Science World更不定期举办与STEM或STEAM有关的活动或讲座,例如在11月3日为12到14岁女孩举办的'Girls and STEAM'一日工作坊,内容包括鉴证科学丶视觉效果丶探索基础程序知识,同时介绍STEM领域中的杰出女性专业人士。网站同时提供STEAM"伙伴"讯息,STEAM Showcase提供STEM教育的组织丶学校和计划连结,例如得奖无数的科学影片和动画制作公司DENG丶提倡创意的非营利组织Destination Imagination丶科技与地质科学结合的Engineers and Geoscientists BC等。也有卑诗各大学相关计划和营队的资讯,例如UBC和SFU都有Let's Talk Science计划,招收义工并举办暑期营队。不包括坊间补习教育机构的STEM或STEAM课程。

STEM太难 小孩子不适合?

听起来那样的高科技,像是把大学工学院里的学生分组毕业作品展往下延伸,那不是只能在中学阶段实施?这样的说法其实是从“大人”的世界来看STEM教学。

前文提及的麻省理工学院“终身幼儿园”创办人Mitchel Resnick教授说,人生或事业生涯最重要的能力是“思考并迅速行动”,幼儿阶段最有创造力,最勇尝试的时候,一但离开幼儿园,却变成只会坐椅子上听课,这是因为传统小学以上学校被设计为老师单向传递资讯,孩子的创造力反而被抹杀,这也就是说着重创意与实做的STEM其实最适合儿童。

让我们来看看香港圣爱德华天主教小学的几个小例子,圣爱德华小学是香港致力推广STEM教学的先锋之一,以下是三个STEM课程实例。

在6年级的班,上课钟响,老师先教唱Mary Had a Little Lamb,原来课程内容是将歌曲写成编程,再编进平板电脑的程式内,让机器人唱出歌来。有别于排排坐的课室,学生预先分组,桌上有机器人,编程预设简单,操作容易上手,这样一堂课,有机器人玩,从玩乐中学会写编程,机械歌声引人发噱,乐趣无限,学生让机器人唱歌,很有成就感。

在高年级的班,老师发给学生各种不同质地的材料,有纸板丶胶板和发泡棉,要求做出一座铁塔,但不是随便一座铁塔,而是按比例的迷你巴黎铁塔,特殊的造型和一定的层数,除了计算要精准,还要考虑材质的使用,像下层要用胶板,上层用发泡棉,以免头重脚轻。在这个课堂上,其实也加入了一点arts的成分,进入STEAM的范畴。

在4年级的班上,学生们不是在计算,而是蹲起马步,摆好姿势,分组玩起掷飞镖比赛,先是要求以最少的飞镖最快掷出指定分数,接下来是看那一组最先掷到指定的零分区,在掷飞镖的过程中,除了算术,老师还教导简单的抛体力学,让学生懂得调整姿势,掷出最佳抛物线,而在掷飞标之前,学生还自己动手做标靶。

当STEM成为未来教育趋势,能够“寓教于乐”的玩具很快即赶上潮流,今年2月间在纽约举办的玩具展Mattel Toy Fair 2018各式STEM玩具成为瞩目的焦点,其中能见度最高的是机器人,有的能与学校的编码课接轨,有的则是利用应用程式与机器人互动,更有的能经由互动训练出有个人特质的机器人,创意无限。

ALEX Toys Future Coders Robot Races Coding Skills Kit

虽然称为机器人,其实只是在戴上机器人的头环,自己当起机器人,套组中的大格垫铺在地上,随意在方格中放入图板,机器人要从A到B到C到D……,编码的逻辑概念就藏在那步伐里。

LEGO Ninjago Stormbringer (Boost)

Lego Boost是乐高的机器人系列,今年秋季,乐高将受到广大欢迎的忍者旋风系列中的恐龙化身机器恐龙,“组合丶编程丶玩”三合一,近500个小零件,利用附带平板电脑中的应用程式编程,触控方块指挥恐龙前进丶后退丶摆尾丶吼叫,还能编写好恐龙和坏恐龙程序,不同的人偶坐上去,恐龙就有不同的表现。

LEGO DUPLO Steam Train

小小孩则有小火车玩,虽然它不是机器人,这里也顺便介绍。

小火车同样有一个带有应用程式的触控面板,但目的在互动和操控,把所附的5个行动小板置放在铁道间,可以要火车更改方向丶停止或放音乐,就让孩子有了最初步的编程概念。适合2-5岁儿童。

Boxer - Interactive A.I. Robot Toy

一个小方盒的机器拳击手,其实像车子,除了以遥控器要它做技巧,还能将应用程式下载到手机上玩新游戏,编程的概念在10张条码板,让机器人滑过条码,就能要机器人做划桨丶丢保龄球等各式花招,最神奇的是能用双手指挥它移动,它能记忆你的动作,再以大大的会转动的眼睛和可爱的声音来表达情绪,成为一个有个性的机器人。

Kamigami Jurassic World Indoraptor Robot

可以选择侏罗纪世界中的蓝色迅猛龙和混种帝王迅猛龙,下载应用程式全程教做,跟着组装,互动式荧幕操控,身手灵活,可以配套程式调整眼睛颜色丶动作和发出声音,简单的介面帮助孩子了解编程逻辑,解锁后可挑战进阶游戏,还可以两只恐龙一起玩。

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