李克東, 李 穎
(華南師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院,廣東廣州510631)
【摘 要】跨學(xué)科課程整合是當(dāng)今關(guān)于組織課程內(nèi)容和課程設(shè)計理論研究的新趨勢,STEM 教育是典型的跨學(xué)科課程整合方式。本文在論述跨學(xué)科課程整合的意義和STEM 教育概念的基礎(chǔ)上,將以“溫室建造”項目為例,從學(xué)習(xí)主題、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)活動、教學(xué)支架、教學(xué)評價等方面介紹STEM 課程的教學(xué)活動設(shè)計方法,為一線教師提供理論與實踐指導(dǎo)。
【關(guān)鍵詞】跨學(xué)科課程整合;STEM 教育
我們已經(jīng)進入“互聯(lián)網(wǎng)+”時代,這個時代的特征表現(xiàn)為“跨界融合、創(chuàng)新驅(qū)動、重塑結(jié)構(gòu)、尊重人性、開放生態(tài)、連接一切”??萍及l(fā)展也從高度分化走向高度融合,交叉學(xué)科不斷涌現(xiàn),各學(xué)科之間在理論層次和方法層次上互相滲透與融合,使人類的科學(xué)知識形成了一個新的統(tǒng)一知識整體,必須打破以往只強調(diào)分化而忽視綜合的局面,跨學(xué)科課程的設(shè)計與實施已是科學(xué)發(fā)展的必然要求,跨學(xué)科課程整合逐漸成為世界范圍內(nèi)課程改革的重要形態(tài)。
一、跨學(xué)科課程整合的意義
課程整合(Curriculum Integration) 是20 世紀(jì)80 年代以來課程設(shè)計領(lǐng)域出現(xiàn)的新趨勢。課程整合是一種組織課程內(nèi)容的方法,也一種課程設(shè)計的理論,是現(xiàn)代課程改革面對的問題之一。有學(xué)者預(yù)言,課程整合是未來21 世紀(jì)課程設(shè)計的主流。
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的一個重要特征是多種學(xué)科在思想、理論、方法乃至工具上的互相滲透和影響。美國 2011年頒布的《K-12 科學(xué)教育的框架:實踐,跨學(xué)科概念與核心概念》中提出6 個跨學(xué)科概念,分別是模式、原因和結(jié)果( 機制和解釋)、尺度、比例和數(shù)量、系統(tǒng)和系統(tǒng)模型、能量和物質(zhì)( 流動、循環(huán)和守恒)、結(jié)構(gòu)和功能,并詳細(xì)闡述了其價值和應(yīng)用[1]。在這種形勢下,要求基礎(chǔ)教育階段的課程教學(xué)要采用多學(xué)科課程整合的視角,讓學(xué)生感受科學(xué)是一個整體,要了解和探索自然界中多學(xué)科之間的互相融合。但傳統(tǒng)的課程體制是以學(xué)科為中心的,各學(xué)科的基礎(chǔ)知識和基本技能是按其自身的邏輯結(jié)構(gòu)形成分科課程的。通過分科課程的學(xué)習(xí),學(xué)生雖然可以把學(xué)科知識基礎(chǔ)打得非常扎實,但由于各學(xué)科之間比較孤立分化,學(xué)生接受的是一個個封閉的學(xué)科體系教學(xué),不利于知識的相互貫通,容易造成知識僵化、教學(xué)方式日益遠(yuǎn)離社會發(fā)展的現(xiàn)實、遠(yuǎn)離學(xué)生生活和已有經(jīng)驗,到應(yīng)用時就難以擺脫知識割裂的困境,難以融會貫通,嚴(yán)重限制了學(xué)生的視野,學(xué)生因受到單一學(xué)科的制約可能影響其判斷一些科學(xué)現(xiàn)象的整體性,使其形成局部的、割裂的事實判斷,難以與社會實際問題相對應(yīng)起來,同時也阻礙了學(xué)生創(chuàng)新精神、實踐能力乃至人格的發(fā)展。
為了克服這些弊端, 我國在2001 年的《基礎(chǔ)教育課程改革綱要(試行)》中提出:“改變課程結(jié)構(gòu)過于注重學(xué)科本位、科目過多和缺乏整合的現(xiàn)狀,整體設(shè)置九年一貫的課程門類和課時比例,并設(shè)置綜合課程,以適應(yīng)不同地區(qū)和學(xué)生發(fā)展的需求,體現(xiàn)課程結(jié)構(gòu)的均衡性、綜合性和選擇性。”[2] 要求基礎(chǔ)教育課程改革要確立課程整合的理念, 將課程結(jié)構(gòu)綜合化作為改革的重要目標(biāo)。為此,許多高校和中小學(xué)開展了多種形式課程整合的設(shè)計與實施的課程改革試驗。包括基于課程內(nèi)容知識的多學(xué)科教學(xué)的整合、基于以專題內(nèi)容為中心的多課程教學(xué)活動的整合和基于真實情境主題以問題為中心的跨學(xué)科的課程整合等多種形式。
跨學(xué)科課程整合目前沒有統(tǒng)一的定義。筆者認(rèn)為跨學(xué)科課程整合就是圍繞一個共同的主題,打破學(xué)科界限, 把不同學(xué)科不同領(lǐng)域的理論和方法有機地融合,有目的、有計劃地設(shè)計組織課程內(nèi)容和教學(xué)活動,以提高學(xué)生能力、促進學(xué)生全面發(fā)展為最終目的的一種課程組織方式和課程設(shè)計理論。其中,STEM 教育就是一種基于真實情境主題的典型跨學(xué)科課程整合方式。它從真實情境出發(fā),選擇學(xué)習(xí)主題,提出探究問題和學(xué)習(xí)任務(wù),以問題解決、任務(wù)完成過程作為課程內(nèi)容的組織中心,采用跨學(xué)科知識和方法,學(xué)習(xí)者作為研究者直接參與學(xué)習(xí)活動,通過問題的解決和任務(wù)的完成來進行課程學(xué)習(xí)。
跨學(xué)科課程整合應(yīng)具有如下基本特征:1. 課程內(nèi)容包含多學(xué)科知識和方法的整合。課程內(nèi)容在一定程度上打破了學(xué)科之間的人為界限,探尋不同門類知識的內(nèi)在聯(lián)系并將其進行重組,從而把分散在各科之中的“知識點”串聯(lián)起來,形成了融通一體的“知識樹”。2. 課程內(nèi)容與學(xué)生經(jīng)驗的整合。一方面,從學(xué)習(xí)者現(xiàn)有的經(jīng)驗和生活出發(fā),將課程知識盡量回歸到它被抽象出來的原來的經(jīng)驗,另一方面,在學(xué)習(xí)者已有的經(jīng)驗和未來的經(jīng)驗之間架設(shè)橋梁,將學(xué)習(xí)者現(xiàn)有的經(jīng)驗引導(dǎo)到更廣泛、更具社會性的經(jīng)驗,促使學(xué)生新、舊經(jīng)驗的整合。3. 課程內(nèi)容與社會生活的整合。課程內(nèi)容必須與社會生活相整合,必須反映學(xué)習(xí)者面對的真實而生機勃勃的當(dāng)下社會生活。加強課程內(nèi)容與學(xué)生生活以及現(xiàn)代社會和科技發(fā)展的聯(lián)系,以期滿足學(xué)生理智生活、情感生活、審美生活、道德生活的需要。4. 課程內(nèi)容中包含多種學(xué)習(xí)方式的整合。不同類型的知識和課程要求有多樣化的學(xué)習(xí)活動方式,整合的課程需要整合的學(xué)習(xí)方式,并根據(jù)學(xué)生的特點及特定的學(xué)習(xí)內(nèi)容來設(shè)計有利于學(xué)生發(fā)展的學(xué)習(xí)方式。5. 課程內(nèi)容包含多種學(xué)習(xí)資源的整合。課程內(nèi)容要注重資源的拓展和補充,充分利用社區(qū)資源、網(wǎng)絡(luò)資源等,還要將各學(xué)科的專家與教育家組織起來,充分發(fā)揮人力資源的作用,形成一個科學(xué)家和教育家有機結(jié)合的群體,以便重選課程內(nèi)容和重構(gòu)課程模式。
二、STEM 教育基本概念
從歷史發(fā)展上看,STEM 教育起源于美國,強調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的有機融合。2015年美國正式頒布了STEM 教育法案,從教師培訓(xùn)、教學(xué)制度、社會與學(xué)校結(jié)合等方面規(guī)劃了STEM 教育的新方向。進入21 世紀(jì)后,全球多個國家也加入到STEM 教育改革的隊伍中,積極推進本國STEM 教育的發(fā)展。國內(nèi)許多學(xué)者也對STEM 教育理念以及基于STEM 教育的相關(guān)課程設(shè)計進行了研究[3-4]。
2016 年6 月,我國教育部頒布了《教育信息化“十三五”規(guī)劃》文件,明確指出“積極探索信息技術(shù)在眾創(chuàng)空間、跨學(xué)科學(xué)習(xí)(STEAM 教育)、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用,著力提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力”。 這個綱領(lǐng)性的文件,標(biāo)志著我國正式踏入STEM 教育改革的隊伍中。STEM 教育作為今后發(fā)展的大趨勢,對于我國教育教學(xué)方式的革新有著更加重要的價值和意義。
STEM 教育就是讓學(xué)生面對真實情境中的問題,通過將科學(xué)探究、工程設(shè)計、數(shù)學(xué)方法和技術(shù)制作有機統(tǒng)一,運用跨學(xué)科的知識和方法來解決實際問題,學(xué)生通過做中學(xué),學(xué)會應(yīng)用跨學(xué)科的知識和方法,提升學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力,是跨學(xué)科課程整合促進學(xué)生全面發(fā)展的一種教育方式。
這里S 代表科學(xué)(Science),它是人類試圖了解自然界、探究新知識的方法,包括發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、做出假設(shè)、進行實驗、現(xiàn)場調(diào)查等。E 代表工程(Engineering),它是人類利用科學(xué)知識和運用技術(shù)去建立問題解決方案的程序,包括明確任務(wù)、初步設(shè)計、畫圖標(biāo)識、計劃步驟、原型試驗、修改原型、產(chǎn)品定型等。T 代表技術(shù)(Technology),它是人類為了滿足自己的需求,或為了解決實際問題而去改變世界的手段,包括選擇材料、選擇工具、技巧與方法等。M 代表數(shù)學(xué)(Mathematics),它是人類在解決問題或進行每項科學(xué)研究時所涉及到的對客觀世界的描述或運算過程,包括測量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)列表、曲線描述、數(shù)學(xué)關(guān)系描述等。
STEM 教育作為跨學(xué)科整合課程的一種方式,它的課程具有如下特點:1.STEM 教育的課程(以下簡稱“STEM 課程”)強調(diào)多種學(xué)科知識和方法相結(jié)合。主要指綜合運用科學(xué)、工程、技術(shù)和數(shù)學(xué)知識和方法去解決問題,而不是以某一學(xué)科知識體系為中心。2.STEM課程是一門跨學(xué)科整合的課程,而不是“科技活動”,包括一系列的教學(xué)要素。課程實施過程包括明確的教學(xué)主題、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)進度、教學(xué)策略、學(xué)生實踐和教學(xué)評價等內(nèi)容。3.STEM 課程的學(xué)習(xí)主題主要來源于社會、日常生活和學(xué)生自身,學(xué)習(xí)活動多以圍繞主題的事實進行觀察、探究為主。STEM 課程打破了學(xué)科知識之間的壁壘,跨越了學(xué)科知識和社會知識的鴻溝。4.STEM 課程以項目學(xué)習(xí)為基礎(chǔ),其核心是以問題驅(qū)動激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題需要,強調(diào)通過科學(xué)探究方法獲得隱含在問題背后的知識,強調(diào)以工程設(shè)計的思想規(guī)劃學(xué)生作品制作方案,以問題解決的方式組織課程內(nèi)容。5.STEM 課程強調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中采用多種學(xué)習(xí)方式進行學(xué)習(xí),學(xué)生通過體驗、觀察、記錄、設(shè)計、創(chuàng)造、動手制作、完成作品等一系列活動,使學(xué)生能夠“做中學(xué)”,并能在學(xué)習(xí)活動中學(xué)會綜合運用跨學(xué)科知識分析并解決復(fù)雜的問題。6.STEM 課程以培養(yǎng)學(xué)生的自主性、主動性和創(chuàng)造性為目標(biāo)。它強調(diào)要關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)的全過程中的表現(xiàn),從而依照其創(chuàng)造性和個性特色檢查學(xué)習(xí)的質(zhì)量。7.STEM 課程的評價是一種形成性評價。形成性評價是一種過程性評價,是多元評價,而不是與某個“科學(xué)參照”標(biāo)準(zhǔn)進行比較的評價。STEM 教育的學(xué)習(xí)評價是以學(xué)生已有的發(fā)展基礎(chǔ)為評價標(biāo)準(zhǔn),評價重點在于評價學(xué)生的發(fā)展層次和發(fā)展水平,為此,在STEM 教育課程實施的各個階段,要收集學(xué)生在每一個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)具體詳細(xì)的信息,以檢驗學(xué)生是否能夠有效實現(xiàn)學(xué)科知識與能力的轉(zhuǎn)化融合,并反思STEM 教育課程設(shè)計存在的問題。8.STEM 課程的實施強調(diào)團隊合作,在團隊內(nèi)協(xié)同設(shè)計、協(xié)同制作、協(xié)同測試、協(xié)同修改完善學(xué)習(xí)作品。在團體中分享成果,從而獲得創(chuàng)造的成就感。
在推進STEM 課程的實施中,我們認(rèn)為有幾個問題還需要引起注意:1.STEM 教育是對學(xué)生進行跨學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng),而不只是追求創(chuàng)新作品的產(chǎn)生。2.STEM 教育要面向全體學(xué)生,而不只是關(guān)注少數(shù)具有創(chuàng)新能力的學(xué)生。3.STEM 教育要面向?qū)W生“做中學(xué)”的全過程,關(guān)注學(xué)生在不同學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中的表現(xiàn),而不只是關(guān)注其最終作品的水平。4.STEM 教育面向的是自然真實的需要認(rèn)識的問題,并不一定是創(chuàng)新的問題和創(chuàng)新的成果。
STEM 教育作為跨學(xué)科課程整合的一種方式,它的設(shè)計與實施是推動教師專業(yè)發(fā)展的有效途徑。課程整合有助于發(fā)揮教師的主體作用,教師通過參與STEM 課程的設(shè)計與實施、課程資源的整合與開發(fā)、結(jié)合學(xué)校實際狀況對現(xiàn)有課程內(nèi)容進行二次加工和建構(gòu)以及創(chuàng)造性實施等實踐活動,將有助于提升教師的專業(yè)素養(yǎng),推動教師由知識的傳遞者向?qū)W習(xí)的促進者轉(zhuǎn)變,由經(jīng)驗型教師向研究型教師轉(zhuǎn)變,使教師角色實現(xiàn)根本性的轉(zhuǎn)變。因此,深入研究STEM 課程教學(xué)活動的設(shè)計與實施,對促進教師專業(yè)發(fā)展具有重要意義。
三、STEM 課程教學(xué)活動的設(shè)計
STEM 課程教學(xué)活動的設(shè)計與實施,必須明確其出發(fā)點:1. 基于真實情境的學(xué)習(xí)主題。2. 以培養(yǎng)科學(xué)精神和跨學(xué)科方法為目標(biāo)。3. 以問題驅(qū)動并通過科學(xué)探究獲得知識。4. 以工程設(shè)計并通過技術(shù)制作展示成果。5. 鼓勵協(xié)作學(xué)習(xí)并關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)全過程。6. 通過學(xué)習(xí)反思和自我評價檢驗學(xué)習(xí)效果。
(一)選擇STEM 課程學(xué)習(xí)主題
STEM 教育是跨學(xué)科整合課程的一種方式,其課程的學(xué)習(xí)主題不同于一般的學(xué)科教學(xué)。STEM 課程學(xué)習(xí)主題的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)具有多樣性,除了學(xué)科知識和學(xué)科專項技能外,它還注重跨學(xué)科知識、跨學(xué)科技能的學(xué)習(xí)及跨學(xué)科思維的培養(yǎng)。STEM 課程的學(xué)習(xí)主題還必須具有實踐性,學(xué)生需要通過“做中學(xué)”來操練相關(guān)跨學(xué)科技能,以實踐為依托將知識技能內(nèi)化和外化。
STEM 教育強調(diào)學(xué)生對知識的情境化應(yīng)用。STEM 項目應(yīng)該是真實的,是學(xué)生可以識別和可理解的,并能產(chǎn)生社會效果的。學(xué)生從研究項目出發(fā),對多種學(xué)科知識進行獲取、加工、處理、轉(zhuǎn)化、融合,通過綜合應(yīng)用已有知識完成模型制作。
STEM 課程的學(xué)習(xí)主題可以從多方面去選擇:1. 自然現(xiàn)象或問題的研究。如水資源研究、植被研究、能源研究、環(huán)境生命科學(xué)研究等。2. 社會問題的研究。如社會或社區(qū)的歷史變遷、社區(qū)文化傳統(tǒng)、地區(qū)風(fēng)土人情的考察與探討等。3. 社會實踐的研究。如社會服務(wù)活動、社會現(xiàn)象的考察活動、社會公益活動等。4. 科學(xué)技術(shù)與社會的研究,個人、群體與制度的研究等領(lǐng)域。5. 生活學(xué)習(xí)的研究。如與學(xué)生生活能力、適應(yīng)能力相關(guān)聯(lián)的實踐性學(xué)習(xí)??傊@些跨學(xué)科課程主題內(nèi)容要能體現(xiàn)綜合性、研究性、生活性和實踐性等基本特征,通過對這些主題內(nèi)容的學(xué)習(xí),學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)問題、學(xué)習(xí)知識和提升能力。
STEM 課程主題按學(xué)習(xí)任務(wù)劃分,可分為多種類型:1. 驗證型主題,其學(xué)習(xí)任務(wù)是要對已知定律和現(xiàn)象進行驗證,如“東西部地區(qū)是否存在時差的驗證”,“大城市是否存在熱島效應(yīng)的驗證”。2. 探究型主題,其學(xué)習(xí)任務(wù)是對一些現(xiàn)象進行探究并解釋,如“探究太陽能熱水器傾斜角度”“探究植物攀樹的秘密”“發(fā)現(xiàn)身邊的歷史”等。3. 設(shè)計型主題,其學(xué)習(xí)任務(wù)是根據(jù)一定的條件,設(shè)計符合條件的物品,如設(shè)計再生紙、設(shè)計喂鳥器、設(shè)計環(huán)保清潔劑、設(shè)計凈水系統(tǒng)等。4. 制作型主題,其學(xué)習(xí)任務(wù)是根據(jù)一定的科學(xué)原理,制作出符合科學(xué)原理的物品,如制作量雨器、制作發(fā)電機、制作喂料器、制作飼料盒、制作LED 遙控器、制作防盜監(jiān)察裝置等。5. 創(chuàng)新型主題,環(huán)繞創(chuàng)新物品的設(shè)計和制造而設(shè)計的主題。
(二)確定STEM 課程的教學(xué)目標(biāo)
STEM 課程的總體教學(xué)目標(biāo)是綜合運用多門學(xué)科知識,在真實問題情境中進行探究式學(xué)習(xí),從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力、探索精神、協(xié)作意識和科學(xué)素養(yǎng)。在遵循總目標(biāo)的前提下,STEM 課程的教學(xué)目標(biāo)可以分別從知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀等不同角度描述。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下,以小組為單位,利用多學(xué)科知識和方法,運用多種工具資源進行探索式的學(xué)習(xí),通過觀察、思考、實踐和感悟,掌握分析問題和解決問題的方法,通過真實體驗和探索實踐,提高學(xué)生動手解決問題的興趣,培養(yǎng)學(xué)生勇于探究、主動參與、互幫互助的學(xué)習(xí)精神和學(xué)習(xí)目標(biāo)。例如,有一個STEM 課程《制作雨量器》,其項目教學(xué)目標(biāo)描述如下:“學(xué)生通過體驗式的學(xué)習(xí)和探索了解如何觀察天氣,以及天氣數(shù)據(jù)有哪些用途。通過小實驗:制作風(fēng)向標(biāo),讓學(xué)生學(xué)會如何測定風(fēng)向,按照工程設(shè)計過程,學(xué)會設(shè)計制作雨量器并學(xué)會如何進行雨量測量?!边@一目標(biāo)描述就包含有知識和能力、過程和方法、情感態(tài)度與價值觀等要素。
(三)STEM 課程學(xué)習(xí)活動的設(shè)計
STEM 課程學(xué)習(xí)活動是學(xué)生獲取知識、認(rèn)識客觀世界的中介。STEM 課程的學(xué)習(xí)不是簡單地將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識組合起來,而是讓科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識通過項目學(xué)習(xí)活動形成連貫的、有組織的課程結(jié)構(gòu),學(xué)生的認(rèn)知與學(xué)習(xí)發(fā)生在完成任務(wù)和解決問題的過程中。STEM 教育(課程)強調(diào)學(xué)生不是直接從書本或教師處獲得知識,不是讓學(xué)生掌握孤立、抽象的學(xué)科知識,而是把知識還原于真實生活情境,利用合作和多種資源來構(gòu)建學(xué)習(xí)環(huán)境,通過解決富有挑戰(zhàn)性的項目,讓學(xué)生體驗真實的生活,獲得社會性成長。
STEM 課程學(xué)習(xí)活動的設(shè)計,就是教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)情境靈活選擇和設(shè)計學(xué)習(xí)活動,讓學(xué)生通過參與活動進行學(xué)習(xí),促進知識的內(nèi)化,真正提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,促進學(xué)生學(xué)習(xí)的發(fā)生。STEM課程的學(xué)習(xí)活動包含多個教學(xué)環(huán)節(jié),不同教學(xué)環(huán)節(jié)和程序安排上有不同特征,各個教學(xué)環(huán)節(jié)之間有其自身相對固定的活動邏輯步驟和每環(huán)節(jié)應(yīng)完成的教學(xué)任務(wù)。不同環(huán)節(jié)的活動序列組合自然形成不同的教學(xué)模式。我們可以把學(xué)習(xí)活動內(nèi)容分解為:1. 課題導(dǎo)入活動。2. 科學(xué)探究活動。3. 數(shù)學(xué)練習(xí)活動。4. 工程設(shè)計與技術(shù)制作活動。5. 學(xué)習(xí)擴展與聯(lián)系社會活動。
每一個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),我們需要設(shè)計教師指導(dǎo)活動、學(xué)生實踐活動與學(xué)生工作紙、學(xué)習(xí)資源的支持、器材準(zhǔn)備等。
1. 課題導(dǎo)入活動的設(shè)計
課題導(dǎo)入的方式有多種,包括:(1) 閱讀相關(guān)的科普資料。這些科普資料包含與課題相關(guān)的術(shù)語和概念,也可以提供一些擴展性資料,如介紹項目近年的最新成果。(2) 利用圖片、視頻,介紹當(dāng)?shù)嘏c項目相關(guān)的真實情境。(3) 到與項目相關(guān)的企業(yè)、工場、農(nóng)場或其他活動真實的現(xiàn)場參觀。(4) 做簡易的小實驗等。這些方式的引入,是要為學(xué)生創(chuàng)設(shè)解決問題的真實課堂情境,研究的項目是真實的、有現(xiàn)實意義的。在學(xué)生進行上述活動之前或之后,教師必須提出思考性問題,激發(fā)學(xué)生頭腦風(fēng)暴,讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題,提出問題,最好還讓學(xué)生把與本項目相關(guān)的所見所聞用幾個關(guān)鍵詞進行歸納概括。
2. 科學(xué)探究活動的設(shè)計
STEM 項目學(xué)習(xí)的任務(wù)之一就是通過科學(xué)探究活動培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和掌握科學(xué)探究的方法。它包含兩個主要環(huán)節(jié):一是探究問題的提出。可以采用多種方法,例如通過展示情境,激發(fā)思考,進入主題,由教師提出問題。讓學(xué)生閱讀資料,觀察現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)問題,由學(xué)生提出問題。在問題提出后,教師要引導(dǎo)學(xué)生分析問題,分清主次,思考問題,形成初步假設(shè)。二是探究問題的方法。教師要引導(dǎo)學(xué)生按照科學(xué)的探究方法,有步驟地進行探究,包括:(1) 提出問題,作出假設(shè)。(2) 科學(xué)實驗(或社會調(diào)查、現(xiàn)場參觀、實際測量)。(3) 觀察記錄,獲得數(shù)據(jù),收集資料。(4) 比較數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)。(5) 顯示特征,發(fā)現(xiàn)關(guān)系,比較差異,形成結(jié)論。
3. 數(shù)學(xué)練習(xí)活動的設(shè)計
在STEM 課程的學(xué)習(xí)過程中,會涉及到許多數(shù)學(xué)知識,例如模型制作的成本核算,學(xué)生制作模型都要按比例縮小,這里包含了比例尺、計算等數(shù)學(xué)知識的應(yīng)用和數(shù)學(xué)知識與技能的支持。數(shù)學(xué)作為STEM 項目實踐數(shù)據(jù)處理和分析的工具,使得工程設(shè)計更加嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確。在STEM 活動中科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識的融合,絕不是知識點的堆疊,而是綜合各學(xué)科的優(yōu)勢,使科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)互為補充和促進,這樣的模型制作活動能有效地培養(yǎng)學(xué)生綜合解決問題的能力,提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。
在STEM 項目實施中,主要要求學(xué)生:(1) 用標(biāo)準(zhǔn)單位進行測量并記錄不同類型的數(shù)據(jù),使用國際單位制和測量工具對常用數(shù)據(jù)進行測量,如質(zhì)量、溫度、長度、時間和液體體積等。(2) 利用表格顯示數(shù)據(jù)的關(guān)系。(3) 利用圖形顯示數(shù)據(jù)的關(guān)系。(4) 利用數(shù)學(xué)公式表達(dá)變量的關(guān)系。
4. 工程設(shè)計與技術(shù)制作活動的設(shè)計
STEM 課程學(xué)習(xí)的另一個重要任務(wù)就是通過工程設(shè)計和技術(shù)制作過程,讓學(xué)生利用簡單的工具和材料設(shè)計、制作作品。在活動中,學(xué)生以制作作品為基點,通過確定制品制作的需求和任務(wù),明確設(shè)計選項及其約束條件,制訂計劃,建造模型,進行測試,在不斷地改進與完善工程設(shè)計中,制作出自己滿意的制品。在工程設(shè)計和技術(shù)制作過程中,學(xué)生用盡可能多的方式進行頭腦風(fēng)暴,尋求解決問題的方法。有效的頭腦風(fēng)暴需要迅速地產(chǎn)生想法,但并不要求學(xué)生進行對錯的判斷,而是讓學(xué)生用設(shè)計圖來解釋自己的想法,然后分享交流,優(yōu)選圖示模型。學(xué)生選擇自己所需材料,并進行成本核算,然后依據(jù)設(shè)計圖制作出作品。
在工程設(shè)計和技術(shù)制作過程中,要讓學(xué)生明白,制作模型過程中失敗時有發(fā)生,要學(xué)會測試與改進制品。對制作的原型進行測試,找出造成失敗的原因,進而改進與完善自己的工程設(shè)計方案。學(xué)生經(jīng)歷這一過程,理解工程學(xué)中,從提出需求、約束條件到明確問題、設(shè)計方案、優(yōu)選方案、制作產(chǎn)品、產(chǎn)品測試和優(yōu)化改進等系統(tǒng)性步驟。
工程規(guī)劃活動的內(nèi)容包括:(1)需求分析,明確任務(wù)。(2)初步設(shè)計,畫出草圖。(3)選擇材料。(4)深入設(shè)計(畫圖,表明各部分材料和功能)。(5)制作原型。(6)測試效果,發(fā)現(xiàn)問題。(7)修改原型,作品定型。
5. 學(xué)習(xí)擴展與聯(lián)系社會活動的設(shè)計
學(xué)習(xí)擴展與聯(lián)系社會活動是指學(xué)生通過科學(xué)探究和工程設(shè)計與制作活動之后,對主題內(nèi)容的相關(guān)知識和能力獲得認(rèn)知,STEM 課程需要讓學(xué)生通過查找信息、訪問現(xiàn)場、人物專訪的活動,激發(fā)學(xué)生拓展和加深知識學(xué)習(xí)的興趣。例如本文所介紹的案例“溫室建造”中,學(xué)生通過工程設(shè)計與制作完成常規(guī)的用泥土栽培的“溫室建造”任務(wù)之后,進一步讓學(xué)生思考,如果在沒有泥土的環(huán)境中,應(yīng)建造怎樣的溫室?激發(fā)學(xué)生通過查找信息獲得“水栽培”的知識,創(chuàng)造條件參觀“水栽培”的現(xiàn)場,組織學(xué)生訪問溫室設(shè)計和管理的農(nóng)業(yè)工程師,讓學(xué)生再次按工程設(shè)計的方法設(shè)計一個具有“水栽培”功能的溫室,使學(xué)生對溫室的認(rèn)知得到拓展和深化。
(四)STEM 課程學(xué)習(xí)支架的設(shè)計
學(xué)習(xí)支架是一種支持學(xué)生有效學(xué)習(xí)的方式。它針對學(xué)生在不同的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)(學(xué)習(xí)活動)過程出現(xiàn)的不同情況給予及時反饋和幫助,指導(dǎo)學(xué)生開展獨立探索或協(xié)作,調(diào)動學(xué)生參與的主動性,幫助教師在學(xué)生問題解決過程中設(shè)置關(guān)鍵的控制點,規(guī)范學(xué)生學(xué)習(xí),同時也有利于學(xué)生反思、深化所學(xué)知識。
學(xué)習(xí)支架的形式和方法有多種,在STEM 項目學(xué)習(xí)中,最常用的有活動進程型學(xué)習(xí)支架,支架提供不同學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的進程順序。有問題研討型學(xué)習(xí)支架,支架提供在某一個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中問題提出和開展研討的活動方式。也有實驗探討型學(xué)習(xí)支架,支架提供在某一個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中,如實驗操作步驟、實驗現(xiàn)象觀察、實驗數(shù)據(jù)獲取等方法。圖1 是STEM 教育的活動進程型學(xué)習(xí)支架,支架用框圖表示不同學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的順序。圖中的順序并非固定,可以因?qū)W習(xí)內(nèi)容不同有所調(diào)整,同一類環(huán)節(jié)也可重復(fù)多次使用。其中不同的環(huán)節(jié)中也可以包含有實驗探討型學(xué)習(xí)支架或問題研討型學(xué)習(xí)支架。
(五)STEM 課程學(xué)習(xí)評價的設(shè)計
學(xué)習(xí)評價設(shè)計是STEM 課程的一個重要環(huán)節(jié),其目的是檢驗學(xué)習(xí)者是否達(dá)到課程目標(biāo)、達(dá)成效果如何,以及為改進課程提供依據(jù)。STEM 課程的核心目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力三個方面。
由于STEM 課程目標(biāo)的多元性以及STEM 學(xué)習(xí)活動的復(fù)雜性,STEM 課程的學(xué)習(xí)評價是將過程性評價和總結(jié)性評價相結(jié)合,綜合運用多種方法進行評價。典型的有觀察記錄、量規(guī)評價、匯報展示等方式。在運用這些具體方法時,應(yīng)根據(jù)課程主題以及課程實施的實際情況選擇和開發(fā)相應(yīng)的評價工具。常見的有協(xié)作學(xué)習(xí)評價表、問題解決能力評價量表、STEM 作品評價量規(guī)等。
STEM 教育的評價應(yīng)以過程性評價為主、總結(jié)性評價為輔,并采用多元評價對象即教師、社會專家學(xué)者和學(xué)生均參與評價,主要是對學(xué)生的創(chuàng)造意識、問題解決能力和創(chuàng)造能力進行評估。過程性評價方面,教師和社會專家主要評估學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中表現(xiàn)出的STEM 素養(yǎng)、實踐能力和探究意識。具體可以采用視頻行為采集、過程記錄表、在線學(xué)習(xí)行為記錄、隨堂測試等方式。學(xué)生互評主要是對同伴在學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)進行評價,比如參與度、積極性等,促使同學(xué)之間互相鼓勵。學(xué)生自評主要是對自己的表現(xiàn)情況進行評價,如利用PMIQ 表對學(xué)習(xí)情況進行反思(如表1)。總結(jié)性評價方面,在教學(xué)活動結(jié)束之后,教師和學(xué)生對學(xué)習(xí)效果進行檢驗,看是否達(dá)到預(yù)期效果。在這里需要強調(diào),評價不是目的,只是一種手段,STEM 教育的真正目的是讓學(xué)生體驗真實情境中探究學(xué)習(xí)的過程,達(dá)到熱愛學(xué)習(xí)、熱愛生活的實質(zhì)目標(biāo)。
(六)教學(xué)工具與教學(xué)資源的準(zhǔn)備
教學(xué)工具與教學(xué)資源是開展STEM 項目學(xué)習(xí)的必要保障。教學(xué)工具分為硬件工具和軟件工具,硬件工具包括日常五金工具、數(shù)字電路板、傳感器、3D 打印機等設(shè)備;軟件工具包括與項目相關(guān)的帶彩圖的文字資料、視頻資料、可視化編程工具、概念圖工具、可視化圖譜、3D 建模工具等。教學(xué)資源不僅包括網(wǎng)絡(luò)平臺、微視頻、導(dǎo)學(xué)手冊、練習(xí)冊等,還包括校內(nèi)教師、校外專家等資源。
此外,根據(jù)項目的內(nèi)容,設(shè)計學(xué)生活動指導(dǎo)材料,包括實驗操作指南,社會參觀、調(diào)查活動指南。設(shè)計學(xué)生學(xué)習(xí)工作紙,包括各種學(xué)生活動記錄表,如測量數(shù)據(jù)記錄,問題思考表述,問題探究過程記錄,工程設(shè)計表格,制作過程記錄,以及學(xué)生自主學(xué)習(xí)反思與評價表格。
四、STEM 課程教學(xué)活動設(shè)計案例
下面我們以主題為《建造溫室》的課程教學(xué)活動設(shè)計為例,分析其設(shè)計過程。
《建造溫室》課程的主題是基于寒冷的下雪天還能種蔬菜嗎? 我們是否見過溫室房子?見過的溫室為什么大多是玻璃房?在溫室里是怎樣種植作物的?等真實情境提出的主題。環(huán)繞這個主題,在美國和國內(nèi)部分學(xué)校,分別結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況開展相關(guān)主題的STEM 課程教學(xué),積累了經(jīng)驗。
(一)STEM 課程教學(xué)目標(biāo)的描述
STEM 課程的教學(xué)目標(biāo)可以分別從知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀等不同角度描述。本項目學(xué)習(xí)目標(biāo)描述為:“學(xué)生通過閱讀和探究式學(xué)習(xí)來區(qū)別生物與非生物,通過實驗探究種子長大的過程,理解植物生長所需的條件,按照工程設(shè)計和技術(shù)制作過程,完成一個設(shè)計任務(wù),制作溫室并進行測試,最后根據(jù)測試結(jié)果改善設(shè)計方案?!?/span>
教學(xué)目標(biāo)可分解成表2 所示:
(二)STEM 課程學(xué)習(xí)活動的設(shè)計
本課程主題的學(xué)習(xí)活動共分6 個環(huán)節(jié),我們重點對各個活動環(huán)節(jié)中教師的指導(dǎo)活動和學(xué)生的實踐活動做出說明。
教學(xué)活動1:課題導(dǎo)入活動:認(rèn)識如何在寒冷的環(huán)境中種植植物?
教師指導(dǎo)活動:(1) 指導(dǎo)學(xué)生閱讀附有彩色圖畫(略)的材料。通過閱讀了解溫室必須能控制溫度、水和光照。溫室是由工程師建造的,在建造之前,工程師要先進行規(guī)劃和設(shè)計。(2) 向?qū)W生展示本地區(qū)的著名溫室建筑(如廣州市的云臺花園里的溫室,植物園里的溫室等)。(3) 安排學(xué)生參觀本地溫室, 作實地考察, 了解巨大而復(fù)雜的溫室是如何建造的,讓他們詳細(xì)列出溫室內(nèi)的植物, 了解植物的多樣性。(4) 提出思考問題:寒冷的下雪天還能種蔬菜嗎? 為什么溫室大多是玻璃房?為什么溫室必須有通風(fēng)口?你在哪里見過溫室房子?溫室的環(huán)境滿足了植物的哪些需求?
學(xué)生實踐活動:(1) 學(xué)生對教師展示的有根植物的圖畫,指出植物的主要部分( 根莖、葉、花) 及其功能。認(rèn)識植物的五種需求( 水、空氣、養(yǎng)分、能量, 即陽光,以及生存環(huán)境), 然后讓學(xué)生說出植物的哪些部分分別滿足了這些需求。(2) 學(xué)生創(chuàng)建個人STEM 詞匯表,在學(xué)生工作紙“詞匯練習(xí)”處填寫對“農(nóng)業(yè)工程師”“農(nóng)業(yè)”“厘米”“目標(biāo)”和“需求”等詞語含義的理解。(3)兩人一組, 設(shè)想一座溫室, 并把設(shè)想畫出來。向同學(xué)介紹你的溫室如何運作。課題導(dǎo)入環(huán)節(jié)的教師指導(dǎo)活動與學(xué)生實踐活動過程如圖2 所示。
教學(xué)活動2:科學(xué)探究活動。通過小實驗,讓學(xué)生學(xué)會科學(xué)實驗的方法和觀察事物的方法。認(rèn)識生物和非生物,認(rèn)識植物的生長過程。
教師指導(dǎo)活動:(1) 讓學(xué)生查找生物和非生物的相關(guān)資料,組織小組討論,請學(xué)生列舉他們?nèi)粘R姷降氖挛?,并判斷這些事物是生物或非生物,將其名稱歸類填入學(xué)生工作紙表格中。(2) 組織并指導(dǎo)學(xué)生分組進行實驗1:哪個是生物?(3) 讓學(xué)生查找植物的相關(guān)資料,包括名稱、類別、生長過程、必需條件等,接著小組個人分別列舉各種植物的名稱,讓學(xué)生認(rèn)識植物種類具有廣泛多樣性。(4) 組織并指導(dǎo)同學(xué)分組進行實驗2:種子的生長過程。
學(xué)生實踐活動:(1) 查找生物與非生物、植物的相關(guān)資料。(2) 分別進行實驗1 與實驗2 并觀察記錄,解釋實驗結(jié)果。
學(xué)生實驗1,實驗方法:(1) 把三顆種子放在一個裝有砂礫的透明塑料碗。注入水至略低于砂礫頂部。(2)每天觀察種子,并在學(xué)生作業(yè)紙上記錄每天的觀察結(jié)果。(3) 解釋觀察結(jié)果:塑料碗中哪個是生物?為什么?
學(xué)生實驗2,實驗方法:(1) 把種子和紙巾放進一個透明密封袋里, 然后把袋口封住, 放在一個溫暖的地方。(2) 每隔一天觀察種子一次, 并在學(xué)生作業(yè)紙上記錄每天的觀察結(jié)果。(3) 解釋觀察結(jié)果:種子有什么變化?推測種子接下來還會有什么變化?
科學(xué)探究環(huán)節(jié)的教師指導(dǎo)活動與學(xué)生實踐活動過程如圖3 所示。
教學(xué)活動3:數(shù)學(xué)測量練習(xí):通過測量掌握利用標(biāo)準(zhǔn)厘米尺測量長度的方法。
教師指導(dǎo)活動:(1) 首先讓學(xué)生使用非標(biāo)準(zhǔn)單位,如以回紋針、積木或步伐為單位測量長度或距離。先作估算,再進行測量。(2) 讓學(xué)生用非標(biāo)準(zhǔn)單位估算出所看到的某顆植物的長度并對估算做出近似的描述,如“那棵樹大概有3 個人那么高”。(3) 指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)運用標(biāo)準(zhǔn)化測量工具(厘米尺)進行測量。
學(xué)生實踐活動:(1) 學(xué)生運用標(biāo)準(zhǔn)化測量工具(厘米尺)測量自己一根手指的長度,學(xué)會從直尺的零刻度開始向右數(shù)得出長度數(shù)值。(2) 運用厘米尺測量鉛筆的長度,測量不同葉片的長度。(3) 以厘米為單位把測量葉片長度的結(jié)果記錄在學(xué)生工作紙上。
教學(xué)活動4:設(shè)計并建造溫室活動
教師指導(dǎo)活動:(1) 教師向?qū)W生介紹一些背景知識:在古代人們便開始使用溫室。溫室的功能有多種,有些溫室用于種植蔬菜, 使人們能在寒冷的冬天也能吃到不當(dāng)令的蔬菜, 有些溫室則是植物學(xué)家的研究場所。有些溫室屬于民用機構(gòu), 有些則屬于大學(xué)。在溫室里工作的人, 有些是科研人員, 也有些是為花店或園林綠化工程而工作的人。(2) 提出問題,組織小組討論:①溫室是由工程師設(shè)計建造的,工程師的工作包括什么?( 設(shè)計、規(guī)劃、建造、制作)。工程師在設(shè)計制作每一件東西時, 需要考慮什么問題?(確定功能與用途,挑選材料, 考慮成本等)。②植物生長需要什么條件?(養(yǎng)分、光照、適合的溫度、水和空氣)③科學(xué)家應(yīng)如何為溫室里的植物提供以上條件?(3)按照工程設(shè)計和技術(shù)制作的基本步驟指導(dǎo)學(xué)生規(guī)劃設(shè)計并建造溫室。④你打算在你設(shè)計的溫室里種植什么樣的植物?
學(xué)生實踐活動:學(xué)生按表3 列出的各步驟規(guī)劃設(shè)計并建造溫室。各步驟分別體現(xiàn)了工程設(shè)計與技術(shù)制作的基本思想:明確任務(wù)(步驟1)—初步設(shè)想(步驟2)—需求分析(步驟3-7)—選擇材料(步驟8-9)—制作原型(步驟10-11)—原型測試(步驟12-14)—修改原型(步驟15)—產(chǎn)品定型(步驟16)。這一環(huán)節(jié)是STEM 課程教學(xué)活動的核心部分。
在制作原型的環(huán)節(jié)中,強調(diào)必須先計劃并畫出設(shè)計圖再動手制作,要讓小組中每個學(xué)生都能理解計劃,統(tǒng)一想法。制作使用的材料包括:筷子、鞋盒、塑料薄膜、膠水、美紋紙膠帶、直尺或卷尺、種子、鋼絲衣架、厚塑料、泥土、橡皮泥( 每組一條)、鋁箔、蠟紙、沙、塑料盆或塑料盤、鋼絲鉗等。
在完成制作活動后,組織小組討論在建造過程中遇到什么困難,怎樣克服?必須要向?qū)W生說明工程師通常需要進行多次修改,才能使設(shè)計達(dá)到預(yù)期效果。
設(shè)計與建造溫室環(huán)節(jié)的教師指導(dǎo)活動與學(xué)生實踐活動過程如圖4 所示。
教學(xué)活動5:知識擴展活動
知識擴展活動1:利用水栽培方法無土的月球也可以種植作物。
教師指導(dǎo)活動:提出問題,“月球上既沒有泥土,也沒有空氣, 能否種植作物?應(yīng)該怎樣種植作物呢?”引導(dǎo)學(xué)生了解到不用泥土也能種植作物,這種不用泥土而用水的種植方法叫做“水培法”。
學(xué)生實踐活動:設(shè)想一個在月球上使用的“水培法”溫室,并把設(shè)想畫出來。
知識擴展活動2:進一步認(rèn)識植物的生命周期。
教師指導(dǎo)活動:(1) 向?qū)W生介紹植物的生命周期的知識。(2) 指導(dǎo)學(xué)生畫出南瓜的生命周期圖畫。讓學(xué)生畫一個大圓,接著在大圓的不同位置畫上代表南瓜生命周期各階段(南瓜種子發(fā)芽──南瓜苗長出葉子──南瓜開花──南瓜成熟,果實里有種子)的圖畫,然后在各幅圖片之間加上箭頭,表示“植物的生命周期”。
學(xué)生實踐活動:(1) 畫出南瓜的生命周期圖畫與過程。(2) 小組學(xué)生舉出他們熟悉的另一種植物,討論這種植物的生命周期如何循環(huán),并畫出相應(yīng)的圖畫。
教學(xué)活動6:聯(lián)系社會活動(職業(yè)聚焦—農(nóng)業(yè)工程師)
教師指導(dǎo)活動:(1) 向?qū)W生介紹農(nóng)業(yè)工程師這一職業(yè)的特點和作用,如農(nóng)業(yè)工程師是運用科學(xué)知識幫助農(nóng)民,他們不僅研究如何使作物長得更健壯、如何提高干旱地區(qū)的作物產(chǎn)量, 還設(shè)計和制造各種有用的農(nóng)業(yè)機械。有些農(nóng)業(yè)工程師在田間工作, 有些則在實驗室里工作。他們的目標(biāo)都是一致的, 就是要設(shè)法用最少的資源獲得最多的食物。(2) 組織學(xué)生進行社會調(diào)查和訪問。
學(xué)生實踐活動:到附近的農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所或農(nóng)技站訪問農(nóng)業(yè)工程師,了解他們的農(nóng)業(yè)工作內(nèi)容和農(nóng)業(yè)研究工作項目。
(三)學(xué)習(xí)評估的設(shè)計
學(xué)習(xí)評估活動可以采用“小測驗”“能力評估:建造溫室過程與結(jié)果評估”和“任務(wù)評估: 建造無土溫室”來評估學(xué)生對STEM 各概念和實踐能力的掌握情況。學(xué)生也可以利用PMIQ 表進行自我反思。
“小測驗”:檢查學(xué)生對基本知識的理解情況,也可用作常規(guī)測驗的練習(xí)。
能力評估:對建造溫室的過程和結(jié)果進行評估,可以利用表4,讓學(xué)生進行自我評估,也可以讓同學(xué)和教師進行評估。比較各方評估結(jié)果,從中找出差距。
任務(wù)評估:通過建造無土溫室的任務(wù)考察學(xué)生的知識和能力擴展水平。
教師提出一項新任務(wù),設(shè)計一個無土溫室,并提出設(shè)計要求。要求學(xué)生按照工程設(shè)計思想,提交一個具備水培系統(tǒng)的無土溫室設(shè)計方案和設(shè)計圖,并給出如何測試這項新設(shè)計效能的說明。學(xué)生按照要求完成一個具備水培系統(tǒng)的無土溫室設(shè)計方案和設(shè)計圖,并給出如何測試這項新設(shè)計效能的說明。
STEM 課程的設(shè)計與實施在我國剛起步不久,還需要廣大一線教師通過教學(xué)實踐,總結(jié)經(jīng)驗,發(fā)現(xiàn)規(guī)律,形成比較完善的跨學(xué)科課程整合的理論和方法,以指導(dǎo)新一輪的課程改革實踐。
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