美国小学STEAM教育

作者简介
张秀丽，山东泰安人，原金盾出版社图书编辑，曾随任美国佐治亚州立大学孔子学院中文教师，在亚特兰大市生活多年，现居加拿大，著有多部散文作品集。
STEAM是由五个英文单词——Science(科学)、Technology（技术）、Engineering（工程）、 Arts（艺术）和Mathematics (数学)的首字母组合而成的一个缩略语。STEAM教育用跨学科的方法教授科学、技术、工程、艺术和数学方面的知识，以提高学生的综合素质与竞争力，被认为是当今最具基础性、综合性、创造性和经济性的教育。STEAM教育和传统教育的区别在于：它倡导超学科教育理念，更注重实践、注重学习过程、注重将学校所学知识与现实世界联系在一起。
美国小学非常重视STEAM教育。WES开设了STEAM课程，经常组织学生参加与STEAM有关的活动，如：富尔顿县技术竞赛、佐治亚理工学院游学、科学奥林匹克日以及STEAM之夜的活动。此外，WES还积极争取佐治亚州教育部的STEM认证，并于2016年3月获得了这项认证，成为佐州第16所获得STEM认证的小学。
富尔顿县技术竞赛
佐治亚州学生技术竞赛由佐治亚州教育技术协会举办，是佐州最高水平的学生技术竞赛。这个竞赛每年一届，包括3D建模、动画、数字游戏设计、视频制作、机器人技术等十五个类别，佐州所有3—12年级学生均有机会参加。每年3月，在竞赛中都会评选出750个以上项目，代表1000多名学生的技术成果。
富尔顿县技术竞赛从属于佐治亚州学生技术竞赛。WES作为富尔顿县的学校之一，每年都会积极参与。2016年1月30日、在百年高中（Centennial High School）举行的第15届技术竞赛中，WES共选派了32名学生参加，女儿是其中之一。
1月29日下午，女儿放学后，带回家一大包Cubelets（一种类似积木的塑料方块，可以通电、组装成机器人），想用它们组装一只导盲犬：它在前面走，盲人在后面跟。它走，盲人就走；它遇到障碍物停下来，盲人就跟着停下来。女儿的这个想法不错。可是，当她把导盲犬组装完之后，却发现了一个严重问题：假如是白天，行人和车辆比较容易发现导盲犬和盲人、能够及时避开；倘若是晚上，则很难发现他们，容易将他们撞倒。这怎么办呢？我先生说：如果能让这只导盲犬发出声音或亮光，这个问题就解决了。
晚饭后，父女二人蹲在地毯上，开始对这只导盲犬进行改造。一个半小时左右，改造初步完成：导盲犬在遇到障碍物停下后，不仅能发出声响，身上还能亮灯！为了使它看上去像一条犬，父女俩又在其头部安装了鼻子和耳朵、身上拴了一根绳，这样一来，导盲犬就有模有样了。
1月30日上午10点半，我们一家三口带着导盲犬打车来到百年高中。前来参赛的学生很多，宽敞的教学楼一层大厅签到处挤满了人。女儿签到后，领取了一个档案袋，里面装有参赛证、参赛须知等。参赛须知上写着：比赛分许多场次；一间教室为一个赛场；每场比赛只允许一位选手参加；除了评委和参赛者，其他任何人不得进入比赛场地。
女儿比赛的具体时间是中午12:30，她签到完毕才11:00，由于时间还早，我们便在教学楼一层闲逛。走到一个角落时，我看到一个印度男孩正蹲在地上、小心翼翼地组装一个大“怪物”，一名印度中年男子蹲在那儿给他帮忙，旁边还站着一位印度中年妇女，默默地注视着他们俩——这应该是一家三口。男孩组装的“怪物”体型庞大、结构复杂，想必在设计和制作方面都下了不少功夫。望着眼前这个“庞然大物”，想想女儿小小的、可怜的导盲犬，我不禁有些心虚：女儿的参赛作品是否太简单、太幼稚了？
11:30左右，我们来到女儿参赛的教室外面候场。原本打算站在门口观摩一下其他选手的作品，但老师不同意，只好作罢。12:15，一位女老师从教室里走出来，招呼女儿入场。12:30，四位评委先后走进教室。比赛开始了。
佐治亚州学生技术竞赛中，评委在进行评审时，会要求选手：展示自己的项目，谈谈对与这个项目相关的软件的理解，解释项目创建的各个方面，为制作项目所选用的软件进行申辩，回答评委针对项目提出的问题，并在15分钟内解释和展示项目的重点部分。同时，评委会按照以下四个标准进行评判：1.原创性——参赛作品在内容与实践方面是否具有原创性、创造性和想象力；2.清晰度——选手向评委的陈述是否清晰；3.适当性——使用的科技产品（软件）与项目是否匹配；4.设计——整体设计是否有助于实现该项目目标。
比赛进行得很快，不久女儿就出来了。下午4:40，学校礼堂举行了隆重的颁奖典礼。这次竞赛参赛选手多、奖项设置也多，视频制作、机器人技术等十五个类别都设置了一、二、三等奖，每个奖项均有不少学生获奖。WES总共获得了五个奖项，女儿的作品没有获奖。本次竞赛的一等奖获得者还将参加佐治亚州竞赛。
佐治亚州学生技术竞赛的主要目标是让学生成为数字时代的领导者，从富尔顿县技术竞赛的情况来看，这个目标正在实现。选手单独比赛、不允许他人观摩等竞赛要求，可有效避免选手之间的模仿抄袭，体现了尊重原创、保护版权的精神。
佐治亚理工游学的召唤
佐治亚理工学院位于亚特兰大，与麻省理工学院、加州理工学院并称美国三大理工学院，是享誉世界的理工科名校。去佐治亚理工游学是许多亚城孩子的梦想。2016年3月，WES就为本校学生提供了一次实现这个梦想的机会。
3月初的一天，科学课上，蒙萨尔维老师（她是女儿五年级班主任，同时兼任数学、科学与写作三门课的老师）给同学们发了一份通知，动员大家做一个关于“什么是纳米”的project、参加学校比赛，为全班同学赢得一次去佐治亚理工游学的机会。比赛要求是：创建一个原始尺寸和比例图，用以向其他同学解释“什么是纳米”；可以用纸或海报板做，也可以通过电子方式提交；如果不想做图表，可以做视频，但你的视频必须能帮助其他同学理解“纳米”；所有projects都要在3月7日（星期一）之前交给埃尔格尔夫人……通知背面是“资源与链接”，提供了四个有关纳米的网址。
女儿对佐治亚理工学院向往已久，得知这个消息非常开心，希望能把project做好，不仅为自己、也为全班同学赢得一次去那里游学的机会。于是，从拿到通知那一天起，就开始做准备。女儿想做一个视频，但不知该怎么做，便向蒙萨尔维老师请教。老师建议她用ShowMe软件来做。女儿从未使用过这个软件，只好自己摸索：每天下午放学回到家，就一边上网搜集有关纳米的资料、一边研究ShowMe软件的用法，一边试着做视频。3月6日（周日）晚上，视频终于做完了。这个视频时长12分钟27秒，是用类似于老师讲课的方式展开的，有图片，有文字，有语音解说。内容如下：
1. 说明“nanometer（纳米）”是由“nano”和“meter”合在一起组成的一个复合词。通过分析“nano”和“meter”各自的含义，说明 “什么是nanometer（纳米）”。
2. 展示了一张从网上搜索到的长度单位换算表。这张表包括8列、22行，其中第1列从上到下分别是尧米、泽米、千米、米、纳米、飞米、阿米等21个长度单位，第五列是将它们的单位长度换算成“米”后的数字，通过比较这组数字的大小，可以很明显地看出这些长度单位的区别。图表显示：1纳米仅有10-9米，也就是0. 000 000 001米。
3. 利用图片和图表说明1纳米有多小。视频中先展示了一组图片：桌子的宽度为1米，口杯的直径为1分米，一个指甲盖的长度为1厘米，一根意大利空心粉切面的直径也是1厘米，一根牙签的直径为1毫米，1个葡萄糖分子为1纳米。然后，返回前面提到的长度单位换算表，通过与其他长度单位作比较，用数字来说明1纳米究竟有多小。
4. 通过实物之间的类比来说明1纳米有多小：假如一粒米（3毫米）有亚特兰大市中心的美国银行大楼（312米）那么高，1纳米就只有1根头发丝的直径那么长。
5. 解释纳米为什么很重要。纳米可以帮你测量非常非常小的物体，还可以把一种东西变成另一种、创造出新产品。以铁和纳米铁为例：一小片铁里面有许多铁离子，两个铁离子之间的距离为1纳米。如果我们把两个铁离子放在一起，就变成了纳米铁。纳米铁和铁既有相同的一面——都是铁，也有许多不同：铁很难燃烧、遇水会断裂，纳米铁则容易燃烧、遇水不会断裂。
6. 使用纳米技术可以做许多事情。
女儿做完视频，第二天就把它交上去了。一周后，学校公布了比赛结果：获得一等奖的是一名四年级女生，这样，全班同学都可以跟她一起去佐治亚理工游学；女儿和好朋友莫伊拉并列二等奖，也可以去。女儿很开心，但也有些遗憾：没有为全班同学赢得去佐治亚理工游学的机会。并且，她还为同组的另外一位成员妮可感到惋惜：因为学校规定，只允许第一作者去。
蒙萨尔维老师建议女儿用ShowMe软件做project这件事，让我想起古希腊哲学家苏格拉底。他把自己称为“精神上的助产士”，是“帮助别人产生他们的思想”。蒙萨尔维老师也是这样。她并没有教女儿如何做这个视频，只是建议女儿用ShowMe软件做。至于ShowMe软件如何使用、这个视频该怎么做，全由女儿自己摸索；结果如何，全看女儿自己。这种教育能激发孩子的主动性和创造力，但也容易使自主性不强的孩子放任自流、敷衍了事。
科学奥林匹克日
美国小学极其重视基础科学教育。WES将“科学课”列为五门主课之一，每天上午都有一节课。WES还创建了五个与STEAM有关的俱乐部：乐高威度(Lego WeDo)、海军海鲈（Navy SeaPerch）、科学奥林匹克、园艺和烹饪艺术俱乐部。乐高威度是一个面向一、二年级学生的早期机器人俱乐部；海军海鲈是面向四、五年级学生的水下机器人项目；科学奥林匹克队只招收3-5年级学生，为“科学奥林匹克竞赛”作准备；园艺和烹饪艺术俱乐部为3-5年级学生探索与研究园艺世界创造了条件。这五个俱乐部全都免费参加，但需满足以下条件：“教师推荐”“申请完成（包括论文和自我反思）”“学生所有科目平均成绩必须保持在B及以上”。另外，科学奥林匹克队名额有限、选拔标准严格，想参加的学生还需通过团队安排的“初步考核（包括主题测试和工程任务）”。
WES还设立了“科学奥林匹克日”。2016年的“科学奥林匹克日”定在5月6号。这一天，学校安排了许多比赛项目，有吹纸火箭、乐高比赛、投掷纸飞行旋转器等十几项。学生没有时间全部参加，只能选择其中几项。
吹纸火箭的比赛过程是这样的：一、老师向学生介绍这项比赛的主要内容、比赛规则以及相关注意事项。二、老师播放视频，教学生如何制作纸火箭。三、视频播放完毕，老师发给学生每人一张A4纸（做纸火箭的其他材料和工具教室里都有），让他们按照视频中介绍的方法、凭记忆做一个纸火箭，时长为25分钟。四、25分钟后，学生拿着自己制作的纸火箭，去楼道里排队参加比赛。那儿有一个红色靶心——纸火箭的“发射”目标。五、开始比赛的同学站在指定位置，对着红色靶心吹自己的纸火箭。谁的纸火箭距离靶心最近，谁就是第一名。
学生在制作纸火箭之前，要先准备好材料和工具：一张A4纸，剪刀，乳胶，透明胶带，直尺，笔和吸管。制作过程如下：
1. 将A4纸剪成两部分，使其长边不变，一部分的宽边为16cm，另一部分的宽边为5cm。用带有16cm宽边的纸围绕吸管缠一至两圈，做出一个能使吸管自由进出的纸筒——纸火箭的箭筒。把剩余的纸剪下来，用乳胶粘住箭筒，使其不会散开。
2. 剪一张约8cm长、4cm宽的长方形纸，卷成圆锥形的尖头（一般卷两圈左右就可以），作为纸火箭的尖头。用手调整好尖头的粗细（注意顶部不要有洞，否则会漏气），再用透明胶带把尖头固定。
3. 将箭筒插入尖头中，确定大概能插入多深，留出大约1cm的边，然后把其余部分剪掉。将之前预留的1cm的边剪成流苏状，并涂上乳胶、把“流苏”粘在箭筒上，再用透明胶粘一圈固定。?
4. 剪一张约13cm长、3cm宽的长方形纸条，把它折成四等份，形成四个小长方形。沿着长方形长边的中点对折，折好后形成一摞。（如果左边是开口，右边是折叠的部分）从左上角往右侧中间画一条斜线，然后沿着斜线剪开。这样，就有了四个连在一起的尾翼。把四个尾翼剪下来。
5. 在每个尾翼的左右两侧各留5毫米的边，把边往上折，使折线与中间线平行。在边的内部抹上乳胶，粘到箭筒的尾部，使四个尾翼之间的距离相等。
6. 将吸管插入箭筒。用手握住吸管露出的部分，在吸管口用力吹气，火箭就会飞出去。
制作纸火箭这个环节，类似于中国幼儿园的手工课。美国小学生所做的不少project，都像做手工，仿佛把幼儿园的活动延伸到了小学。美国小学普遍采用项目式学习法（Project-Based Learning，简称PBL），几乎所有科目的老师都要求学生做project，让他们通过“做”来体验、感悟学科知识、概念和原理。美国小学如此，中学、大学依然如此。纵观美国教育，感觉就像一个人从小到大的过程，尽管个头长高了、身体强壮了、思想丰富了、能力增强了……但这个“人”没有变，仍是同一个“人”，而非相貌各异的几个“人”。
STEM小学颁奖日
STEAM教育起源于美国20世纪80年代，前身为STEM教育，指整合科学、技术、工程、数学等学科的课程学习，以应对学科割裂所造成的无法创造性解决真实复杂的科学技术问题等，培养学生适应未来的能力。STEM教育在发展过程中，又加入了艺术（Art），转向STEAM教育。STEAM教育能够促进科技与人文的融合，提高学生的综合素质与竞争力。
美国政府对STEM教育投入较大，美国小学也十分重视STEM教育。但是，并非所有开展STEM教育的小学，都可称为“STEM小学”。若想拥有这一称号，需要获得STEM认证。WES为获得佐治亚州教育部的STEM认证，进行了多方面努力：通过STEM学科整合、设计了一套独特的课程教学法，并将艺术(Arts)融入其中；为学生提供了多种可进行实际操作的环境，包括学生自己种植、采摘的园地，先进的STEAM实验室、指定的科学实验室空间和4个计算机实验室；向K-5年级学生讲授编码和机器人技术；购买先进设备进行技术创新……
在做好学校工作的基础上，WES又提交了一份申请、证明其符合严格的标准，例如：教师合作的证据，商业和行业伙伴关系，高水平数学与科学教学，以及综合的、基于项目的STEM课程。2016年3月，WES通过了严格审核，获得STEM认证，成为佐治亚州第16所荣获这项认证的小学。为此，佐州教育部官员专程来到WES为其颁奖。
WES的STEM颁奖日定在2016年4月29日，地点为学校体育馆。在颁奖典礼上，WES安排了四名学生进行演讲，分别是: 3月份学校演讲比赛中的两位一等奖获得者——爱迪生·罗森伯格和克里斯托弗·德雷克，以及两名五年级学生莫伊拉和女儿。女儿演讲的主题是STEM教育的重要性，主要内容如下：
“STEAM是我们每天都会使用的一个项目。它不仅教我们如何把科学、技术、工程、艺术和数学结合起来，还教我们如何把学到的知识与真实世界联系起来。我们在教室里做的项目就把我们所学和真实世界联系起来了。例如：海鲈项目，纳米项目。
让我告诉你一个例子。我们科学课的最后一个单元，是关于电的。蒙萨尔维老师让我们用有关电的知识搭建一个电路来保护我们的零食（WES允许学生带零食去学校，统一放在教室的一个盒子里，并有专门的零食时间）。你可能要问：这怎么帮助我们和真实世界联系起来啊？那个时候，在我们班里发生过三四次丢失小零食的事件。因此，如果我们的项目成功了，它就能够帮助我们（假如有人用手去碰盒子，盒子就会通上电、响起来）。这就是为什么说STEAM很重要的一个原因。
我还问过几个朋友：为什么认为STEAM很重要。其中一个人说：STEAM让她感觉好像每件事情都变得容易了。例如做project要比读书容易。
……
在我的班里，我们真的很享受我们所学的东西和使用STEAM。你猜怎样？我的学习成绩提高了。我还认识到：学习不仅与结果有关，更与过程有关，或者说跟你怎样去学习有关。正如你所听到的，对于我和其他人来说，STEAM在许多方面都很重要。”
从女儿演讲的内容可以看出：STEM教育非常重要、很受美国孩子欢迎，美国老师也善于引导学生利用STEAM知识去解决现实问题。女儿和另外三位同学的演讲全部结束后，颁奖嘉宾当场宣布：WES获得了佐治亚州教育部的STEM认证！顿时，体育馆里掌声雷动、一片欢腾……
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