探索小学STEAM教育中教学知识实践和学生成果之间的联系外文翻译资料

探索小学STEAM教育中教学知识实践和学生成果之间的联系

作者：Peter Hudson Lyn D. English Les Dawes Donna King

机构：Queensland University of Technology

Steve Baker

Anglican Day School

摘要：科学技术、工程和数学(STEM)教育是澳大利亚的一项新兴举措，尤其是在小学。这项定性研究旨在了解四年级学生参与综合STE M教育单元的情况，该单元侧重于科学概念(如物质状态、测试材料特性和数学概念如三维形状和公制测量)，以设计、制作和测试一个坚固而安全的医疗包，将药品(冰块)隔离在理想的温度下。数据收集工具包括学生的作品样本、照片、学生和教师的书面答复以及研究人员的笔记。在事后分析中，一个教学知识实践框架(即计划、时间安排、准备、教学策略、内容知识、问题解决、课堂管理、提问、实施、评估和观点)被用来解释与STEM教育中学生结果的联系。该研究显示了教学知识实践如何与STEM教育活动的学生成果(知识、理解、技能发展以及价值观和态度)相联系。

关键词：概念性框架； STEM教育； 教学知识实践；

正文：

简介

推动科学、技术、工程和数学(STEM)教育的紧迫性从澳大利亚首席科学家的多次呼吁中可见一斑(例如，2014年)。虽然科学往往在许多STEM报告中占主导地位，旧工程教育受到的关注较少，特别是在小学方面(如Bullen amp;Haeusler2010)。然而，早期工程教育的重要性是有据可查(如，Brophy,Klein Portsmore,amp; Rogers, 2008:Cantrell amp; Ewing-Taylor,2009)。工程经验可以为学生带来现实世界的参与，从而理解数学功能(Sharp Zachary,amp; Luttenegger,2006)和科学概念(Youl,2001)。尽管一些研究已经调查了STEM教育如何嵌人科学课中(Cantrell,Pekcan. Itani.amp; Velasquez-Bryant.2006)，但大多数现有的研究似乎都在调查中学的STEM(例如，Donna.2009)。此外，STEM教育的教学知识似乎需要进一步研究，以更好地指导STEM学科的教学。

本单元的一个目的是探索四年级学生在STEM教育中的教学知识实践(图1)和学生成果之间可能存在的联系。在本研究中，学生的结果可以被认为是积极的、消极的或无所谓的。学生的结果围绕着三个广泛的参数被确定为评估，即。(1)学生的知识和理解，(2)技能的展示，以及(3)教育经历中的价值观和度(Athanasouamp; Lamprianou,2002; Brady amp; Kennedy,2001)。

概念性框架

在提到教学知识时，一般的术语教学知识被经常使用(例如，Briscoe amp; Peters.1997;Coates,Vause,Jarvis,amp; McKeon.1998)。Shulman(2004)认为，获得实践的智慧需要对教学知识进行试验和评估，以获得堂握的经验(也见Bandura.1977)。教学知识被用来促进有效的教学实践，旨在使学生更容易接受学习。所提出的教学知识概念框架(Hudson，2013;图1)为实践提供了在不同学科领域间转移的机会。建议这些教学知识实践可以应用干STEM教育的教学举例来说，教学知识实践可能包括课程的规划和资源的准备，以学生在STEM领域的概念发展为目标(例如，Cunninghamamp;Sherman，2008)。除了课程安排和时间安排，计划还需要包括策略(Guillaume Yopp,amp;Yopp,2007: Killen,2013）、课堂管理(Burton,Weston,amp; Kowalski. 2009: Valencia,Martin, Place,amp; Grossman,2009)、教师在行动中反思的问题解决(Schouml;n.1983)、实施和评估策略(Tankersley,2010)。适当的内容知识需要与课程要求和学生需求相一致(Ball, Thames,amp; Phelps.2008: Hill. Rowan. amp; Ball.2005)，这也是STEM和工程教育的情况。此外，教师的提问技能(作为一种学习的实践)被认为是有效教学的一部分。这些技能可以包括提出收敛性和发散性的问题，如用绕Anderson和Krathwohl(2001)的四个维度(即事实性、概念性、程序性和元认知性)的问题，低阶和高阶思维问题(如Blooms分类法，1956)，以及各种提问方法(Tofade.Elsner.amp;Haines，2013)。重要的是，对教学知识实践有观点的教师可以将个人的教学理念和理论与实践的联系，如Bibee的5Es(参与、探索、解释、阐述和评价;见Hackling, Peers.amp; Prain.2007)。

对于为小学工程教育提供的教学知识实践的研究关注有限。在对数据的事后分析中，本研究试图了解STEM教育中教学知识实践(图1)和学生成绩之间可能存在的联系。教学知识实践在统计上是相互关联的(Hudson.Skamp,amp; Brooks.2005)，而且不一定是线性的，与围绕差异化学习的教学有关联。为了说明图1中11项实践的相互联系，可以举出以下例子:计划教学策略可以协助课堂管理，或者准备工作可以包括为解决学生的学习需求而准备评估。在这个框架内，教师可以为STEM活动制定计划和时间表，并考虑到准备要求，包括参与活动的资源和可能帮助学生学习内容知识的具体教学策略。教师很可能被要求解决参与活动的问题，并在教学和学习过程中进行调整，进行预先思考。Schouml;n(1983.1987)将这个过程的一个关键部分称为行动中的反思。在整个活动中，教师的提问被用来指导个人和小组，同时还有一个明确的实施结构，如一个信息性的吸引学生的介绍，然后是实践活动，这可以作为评估和揭示学生的成果。最后，教师对如何进行上述实践有自己的观点，如如何计划、准备、管理课堂和评估学生。这些个人观点因教师而异，教师对任何特定课程的教学都有不同的看法。

图一：教育学知识实践框架

背景介绍

这个STEM教育工作单元发生在一项为期三年的纵向研究的开始，该研究名为'发展小学工程教育”(DEEP)，针对4-6年级的学生。有五所学校参与，共有10个班级，270名四年级学生。本文报告了一个由19名女生组成的四年级班级的调查结果。工程教育计划分为两部分，每部分大约有两个半小时。第一部分侧重于发展分配给工程活动的科学和数学概念。工程师与材料一起工作;问题(设计、制作和测试一个医疗任务包);探索三维形状;温度;物质状态;测试材料的特性。第二部分着重于工程活动。问题和讨论资源;设计和制作医疗任务包;河试医疗包设计的覆盖性;测试期间的讨论;记录结果;测试医疗包设计的强度;评估和重新设计;以及活动的反馈。

方法论

这项定性研究通过档案文件、学生的作品样本、学生作品的照片、研究人员的笔记、教师的文件和访谈以及学生的书面回答来收集数据，以研究可能与STEM教育工作单元中的学生成果相关的教学知识实践。档案文件包括教师指南和学生手册，最初是由大学工作人员设计的，参与DEEP项目的教师提供了进一步的意见。学生的成果包括：（1）工作样本，如在学生手册中写和画标示图，其中包含了学生对科学和数学概念的想法，(2)设计和制作一个坚固和安全的医疗任务包来隔离冰块(照片)，和（3）对学生参与STEM教育活动的观察。教师的记录涉及到教师对教学知识实践的书写(图1)，以及学生的成绩可能与STEM教育有关的地方。

以类似的方式，教师访谈与教学知识实践相联系，例如。(a)计划-.这本小册子对你的教学有什么帮助?你不喜欢这本册子的什么?(b)时间安排--你觉得学生什么时候最投入/能够集中精力完成医疗任务?(c)准备--第一节课(探索三维形状，测试材料)如何帮助学生为制作医疗包做准备?来自教师文件和访谈回答的反思性实践是事后的，介许教师提供他认为可能将学生结果与教学知识实践联系起来的信息。学生的书面回答被作为可能与教学知识实践联系的例子，并反映了教师的回答框架。例如，在计划方面。这本小册子对你的学习有什么帮助?你不喜欢这本小册子的哪一点?作为教学知识实践的一个例子，这项STEM教育研究的'计划

'的一个方面涉及到大学工作人员设计一个学生手册，用科学和数学概念对设计、制作和测试一个工程教育活动(即医疗任务工具包)的课程进行排序。该学生手册在提交给参与DEEP项目的学校工作人员征求意见之前，经历了几次反复和试点测试。规划包括将国家和州的课程文件与STEM教育活动相结合。此外，还设计了一本教师指导手册，作为对学生手册的补充。在实施该项目之前，作为专业发展的一部分，来自五所学校的九名教师被带去学习与任务相关的概念。这些四年级的教师在实施前对学生手册和教师指南提供了反馈。

数据分析

根据与STEM教育单元相关的教学知识实践框架(图1)对数据进行了分析。一个事后分析被用来在STEM活动上香加该框架，这确保了数据不会因为教师准备参与该框架而受到影响。参与本研究的教师同意了这一过程。在分析数据(例如，学生的工作样本、昭片、书面回答)时，也考虑到了学生的结果(即知识和理解、技能的展示和/或价值观和态度;见Athanasouamp;Lamprianou,2002; Brady amp; Kennedy2001)。学生的书面回答集中在教学知识的实践上。教师和研究人员的数据被分析为与学生数据一致。应该注意的是，由于每个教学知识实践都是相互联系的，其他的实践在与每个实践相关的数据中也会很明显。然而，为了本文的目的，每个教学知识实践将被单独分析，以表明每个实践可能对STEM教育单元的教学和可能对学生的结果产生的影响。

结果和讨论

教学知识实践(图1)将在下一节介绍，并与四年级STEM教育活动的学生成果(即知识和理解、技能展示以及价值观和态度)保持一致，题目是《医疗使命》。

规划

根据学生的书面回答，学生手册中的规划帮助他们'理解正在发生的事情'，了解'接下来要做什么'，以及'表达我对这个主题的想法，让我尝试以不同的形式表达我的想法'。这本小册子被用作冬形组织器(例如，Casteleyn.Mottartamp; Valcke.2013)，其中包含技术术语、科学和数学概念，以及用于说明设计和记录结果的空间，以展示学生的知识、理解和技能。规划使学生有机会遵循指示，导致头脑风暴的想法和绘制标记的图表，这对学生的医疗任务包设计至关重要。事实上，如果没有'计划'作为引导学生参与的方式，可能就不会出现标示冬和医疗包的设计。尽管许多学生选择了长方形棱镜结构的医药箱(可能是因为这种形状更容易画出来)，但也有一些学生尝试了其他设计，如六边形设计(图2)。根据任课教师的说法，教师指南被用于'技术信息'和'创建一个powerpoint来组织课程'，该指南被展示给全班，以便围绕着概念和任务为他们的理解提供支架。教学规划是学生对医疗任务句的设计和建造进行构思的重要步骤。

图二：学生成果的例子。学生工作手册中的标示图是规划的结果

时间安排

作为为学生制定时间表或安排STEM活动的一部分，四年级的学生被问到他们什么时候最投入到一系列的STEM活动中。虽然他们对此意见不一，但他们的评论主要集中在他们完全参与实践活动的时候，如设计、建造和测试医疗任务包。一位学生建议将活动时间安排在早茶之前。然而，就时间安排而言，学生们声称他们在等待实践活动时参与度最低，'接近尾声时，我们必须完成小册子的其余部分'，'当老师在讲解(原文如此)我们可以设计形状的不同方法时'，以及'早茶后写作时'。当学生(n=19)被问及STEM活动的时间长度(总共5个小时)时，10人声称足够长，6人声称不够长，只有一人说太长了(2人弃权)。教师在时间安排和活动持续时间方面做出了教学决定;但是，研究需要揭示这些决定的理由。围绕学生的知识、理解、技能和态度的证据并没有作为与时间安排的联系而获得。在在这项研究中，课程的共同设计者(研究人员和教师)希望为科学和数学的概念发展提供支架，以促进工程活动，这一点将在后面的内容知识部分阐述。

准备工作

准备工作包括学校工作人员开展医疗队教师指南中指出的活动。准备工作包括为来自五所不同学校的教师(n=9)提供上课所需的资源，其中包括信息和通信技术(ICT、Youtube视频和PowerPoint)、文具、测试材料(如铝箔、塑料、聚苯乙烯)、科学和数学设备(如温度计、码、30mL量筒)和一系列其他资源，如冰、水桶和学生手册上的概念。作为一项技能发展成果，四年级的学生需要准备和组织资源来设计、制作和测试一个医药箱。在四年级的课堂上，教师发现小册子提供了清晰的说明，教师设计的F PT加强了学生对活动的准备概念。为该单元准备的资源旨在激励学生学习该主题。教师注意到学生的成果(例如，价值观和态度;Athanasouamp;Lamprianou.2002)，通过'短时的视频，'吸引学生'来激励他们进入课程。资源的准备是教学的一个基本要素(也见Broekamp;Kend

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