中小學(xué)STEM課程內(nèi)容分析研究

☆余宵方海光

（1.首都師范大學(xué)教育學(xué)院，北京100048；2.首都師范大學(xué)教育技術(shù)系，北京100048）

一、引言

“STEM”是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科英文名稱的簡稱，早在20世紀(jì)中葉在科學(xué)素養(yǎng)概念提出和討論的過程中就已經(jīng)涉及這一理念。進(jìn)入21世紀(jì)以來，由于一些發(fā)達(dá)國家在政策和實踐上的重視，使得STEM教育的研究和應(yīng)用迅速升溫。在我國一些學(xué)校甚至企業(yè)都在積極探索和開展STEM教育，一些學(xué)術(shù)活動和觀摩活動等得到了研究者和一線教師的青睞[1]。同時,相關(guān)研究表明,目前我國STEM教育的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中于中小學(xué),研究的熱點包括STEM課程整合、學(xué)科融合研究以及與創(chuàng)客教育相關(guān)的研究等[2]。

二、中小學(xué)STEM課程

美國中小學(xué)開設(shè)STEM課程，是由于大學(xué)中STEM相關(guān)專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)率與就讀率的不斷下滑[3]。部分專家通過研究將美國STEM課程在大學(xué)中的問題歸因于美國中小學(xué)中STEM課程成績的下滑[4]。在我國，中小學(xué)STEM課程更多的是從國外引進(jìn)[5]以及校外興趣[6]為目的開始實施的，并在近期發(fā)展迅速。為了配合中小學(xué)STEM教育的開展，國家出臺了一系列政策給予支持，如2016年教育部出臺的《教育信息化“十三五”規(guī)劃”》中明確指出，有效利用信息技術(shù)推進(jìn)“眾創(chuàng)空間”建設(shè)，探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學(xué)生具有較強(qiáng)的信息意識與創(chuàng)新意識，養(yǎng)成數(shù)字化學(xué)習(xí)習(xí)慣，具備重視信息安全、遵守信息社會倫理道德與法律法規(guī)的素養(yǎng)[7]。

1.中小學(xué)STEM課程的實踐與研究

在中小學(xué)STEM課程的實踐上，具有代表性的有北京景山中學(xué)團(tuán)隊，上海STEM+研究中心，上海STEM+研究中心“張江高科園區(qū)開放性科教課程開發(fā)與共享平臺建設(shè)”項目，清華大學(xué)附中新高考環(huán)境下的STEM教育等課題。其中，景山中學(xué)團(tuán)隊主要通過基于“l(fā)edong scratch互動教學(xué)平臺”探索了以工程來整合科學(xué)和數(shù)學(xué)的學(xué)科知識，如探索光敏電阻與照度之間的關(guān)系[8]，用滑桿自制卡尺[9]，使用Ledong板測電阻[10]。上海STEM+研究中心在多個學(xué)校進(jìn)行STEM教育實踐，并取得不錯的成果[11]。清華附中通過開發(fā)STEM系列課程、研發(fā)STEM課程標(biāo)準(zhǔn)與實施方案、建立多元智能實驗室、進(jìn)行STEM教師教育培訓(xùn)等探索實踐,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力[12]。張江高科園區(qū)開放性科教課程開發(fā)與共享平臺建設(shè)，開發(fā)了一系列勞動科技類的STEM項目課程[13]。

在中小學(xué)STEM課程研究上，部分研究者將其與美國等發(fā)達(dá)國家的中小學(xué)STEM課程進(jìn)行了比較，同時引進(jìn)和介紹了大量外國STEM中小學(xué)課程發(fā)展情況。如楊亞平對美國、德國和日本中小學(xué)STEM教育進(jìn)行了對比研究[14]。張紅洋,楊艷妮介紹了美國中小學(xué)開展STEM教育的情況并提出了很多對我國開展此類教育的建議和啟示[15]。一些研究者對中小學(xué)STEM教育教學(xué)模式進(jìn)行了研究，如傅騫,劉鵬飛總結(jié)提出了四種中小學(xué)STEM教育應(yīng)用模式[16]。一些研究者對中小學(xué)STEM教育中的教學(xué)策略進(jìn)行了研究，如吳昱寰對中小學(xué)STEM教育的本土化提出了意見與想法[17]。

2.中小學(xué)STEM課程實施中的問題

我國中小學(xué)STEM課程受到一些客觀與現(xiàn)實條件的限制，在STEM課程的實施中遇到了一些問題。課程標(biāo)準(zhǔn)與課程目標(biāo)的缺乏與異位：由于在我國中小學(xué)開展STEM課程比較晚，基礎(chǔ)比較薄弱，在實踐中沒有課程標(biāo)準(zhǔn)對中小學(xué)STEM課程給予指導(dǎo)和幫助。課程資源與課程支持比較缺乏：雖然有國家政策以及相關(guān)教育界人士的支持，但在中小學(xué)實施STEM課程過程中缺乏課程資源[18]。教學(xué)時間與內(nèi)容之間存在現(xiàn)實的矛盾，時間少，則在知識的傳授上可能不足，但要講透一些知識可能又超過課堂的時間。因此，需要更多專業(yè)或受到相應(yīng)培訓(xùn)的教師，缺乏足夠?qū)I(yè)的教師很可能無法完成預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)。還要打破許可界限以及內(nèi)容的限制，由于STEM教育的特點需要多學(xué)科的參與以及內(nèi)容選取的特殊，而國內(nèi)還處于初探和發(fā)展期，在學(xué)科和內(nèi)容的探索上還比較欠缺[19]。

三、中小學(xué)STEM課程內(nèi)容分析

在中小學(xué)STEM課程中的學(xué)科與內(nèi)容上，以及課程標(biāo)準(zhǔn)和課程實施方面，需要一定的工具對中小學(xué)STEM課程內(nèi)容進(jìn)行分析，從而開展STEM涉及學(xué)科和內(nèi)容的實施，以及落實中小學(xué)STEM課程標(biāo)準(zhǔn)和達(dá)成課程目標(biāo)。

1.課程內(nèi)容分析

對STEM中小學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行分析，需要對中小學(xué)STEM課程的主要教學(xué)與學(xué)習(xí)方式進(jìn)行分析。通過相關(guān)研究可知，中小學(xué)STEM課程的教學(xué)形式與內(nèi)容根據(jù)不同的價值取向主要有基于問題學(xué)習(xí)、基于項目學(xué)習(xí)以及小組學(xué)生項目展開等教學(xué)與學(xué)習(xí)方式[20]。

基于項目的學(xué)習(xí)和基于問題的學(xué)習(xí)通常是以一個主題或問題為起點，通過解決一個問題或完成一個項目，在解決問題或完成項目的過程中通過多個有組織的活動逐步推進(jìn)問題的解決與項目的完成。在中小學(xué)STEM課程中基于項目或基于問題的學(xué)習(xí)方式，就是選擇一個可以綜合STEM及其他相關(guān)學(xué)科的問題，情景或項目，通過精心設(shè)計的學(xué)習(xí)活動，來逐步推進(jìn)項目的完成或問題的解決（學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成）。

對中小學(xué)STEM課程的內(nèi)容分析需要對基于項目的學(xué)習(xí)和基于問題的學(xué)習(xí)方式進(jìn)行分析。基于項目的學(xué)習(xí)的主要學(xué)習(xí)活動有以下環(huán)節(jié)，引入、任務(wù)、調(diào)查、資源、搭建腳手架、合作、反思等[21]。基于問題的學(xué)習(xí)主要包括四個主要的因素，問題驅(qū)動、情境化、以學(xué)生為中心/自我指導(dǎo)以及協(xié)作學(xué)習(xí)過程[22]，主要學(xué)習(xí)活動有目標(biāo)與結(jié)果、確定問題項目和講授、確定進(jìn)程規(guī)模和實現(xiàn)、學(xué)生學(xué)習(xí)、教師指導(dǎo)與推動、場所與組織、評價與評估等[23]。

基于問題的學(xué)習(xí)與基于項目的學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)活動是中小學(xué)STEM課程的基本單元要素。同時這兩種學(xué)習(xí)方式體現(xiàn)了ADDIE模型，即它的五個部分Analysis（分析）、Design（設(shè)計）、Develop（開發(fā)）、Implement（實施）、Evalu?ate（評價）。

2.分析工具設(shè)計

中小學(xué)STEM課程的分析設(shè)計分為兩個維度，分別是學(xué)科內(nèi)容維度和學(xué)習(xí)活動維度。學(xué)科內(nèi)容維度，包括數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程四個基本學(xué)科。而學(xué)習(xí)活動分為分析、設(shè)計、開發(fā)、實施、評價五個學(xué)習(xí)活動。如表1為“學(xué)科——活動”（S-A）活動分析。

表1 “學(xué)科——活動”（S-A）活動分析

在“學(xué)科——活動”（S-A）活動分析中，將數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程作為中小學(xué)STEM課程內(nèi)容分析中最基本的學(xué)科內(nèi)容，是中小學(xué)STEM課程的“空間線”，而將分析、設(shè)計、開發(fā)、實施、評價作為中小學(xué)STEM課程內(nèi)容分析中最基本的學(xué)習(xí)活動，是中小學(xué)STEM課程的“時間線”。在“學(xué)科——活動”（S-A）活動分析中以學(xué)科為空間、學(xué)習(xí)活動為時間對中小學(xué)STEM課程進(jìn)行分析。

表2 “學(xué)科——活動”（S-A）活動擴(kuò)展分析

“學(xué)科——活動”（S-A）活動分析根據(jù)具體的中小學(xué)STEM課程靈活地擴(kuò)展，STEAM教育被提出[23]，表2所示為“學(xué)科——活動”（S-A）活動擴(kuò)展分析。學(xué)科——活動”（S-A）活動擴(kuò)展分析對學(xué)科與學(xué)習(xí)活動同時擴(kuò)展，即延長原有“學(xué)科——活動”（S-A）活動中的“時間線”與“空間線”，可根據(jù)具體的中小學(xué)STEM課程進(jìn)行分析。

3.內(nèi)容分析實施細(xì)節(jié)（如圖1）

圖1 “學(xué)科——活動”（S-A）活動實施細(xì)節(jié)

確定學(xué)習(xí)活動與學(xué)科內(nèi)容之后，對“學(xué)科——活動”進(jìn)行分析，就基本可以確定當(dāng)前中小學(xué)STEM課程的進(jìn)度。在對具體中小學(xué)STEM課程分析時，要根據(jù)具體的課程情況，靈活地從學(xué)科內(nèi)容或?qū)W習(xí)活動進(jìn)行分析，在分析前得知的相應(yīng)的中小學(xué)STEM課程信息越詳細(xì)，就越可以減少分析的時間，對活動與內(nèi)容的分析可以更加確定，從而獲取確定的中小學(xué)STEM課程的進(jìn)度。

四、研究分析案例

研究選取了兩所中小學(xué)STEM課程案例，分別是某中學(xué)九年級的STEM創(chuàng)新實驗課與某小學(xué)高年級的STEM課程。根據(jù)這兩節(jié)具體的中小學(xué)STEM課程，對STEM課程的內(nèi)容進(jìn)行分析。

1.中學(xué)九年級STEM創(chuàng)新實驗課案例

中學(xué)九年級STEM創(chuàng)新實驗課的內(nèi)容是《實驗室火法煉銅》，課程在實驗室內(nèi)進(jìn)行（如圖2），時間為一個課時，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生以基于問題的學(xué)習(xí)方式學(xué)習(xí)。整個課程由一個大的問題組織起來，在教學(xué)中將這個大問題分化成多個小問題分步解決。學(xué)生在學(xué)習(xí)中以小組的形式，為了完成一個共同的目標(biāo)，在教師的指導(dǎo)下完成學(xué)習(xí)活動。小組存在合作與競爭，為了更好地完成學(xué)習(xí)目標(biāo)，每個學(xué)生都積極參與。而這節(jié)STEM課程中，不僅僅有傳統(tǒng)的STEM課程分析活動，還包括部分分享，幫助與指導(dǎo)活動，在學(xué)科內(nèi)容上是比較傳統(tǒng)的STEM課程的學(xué)科內(nèi)容，比較偏向科學(xué)和工程，在技術(shù)與數(shù)學(xué)上比較薄弱。

圖2 中學(xué)九年級的STEM創(chuàng)新實驗課現(xiàn)場圖

通過對中學(xué)九年級的STEM創(chuàng)新實驗課分析，在學(xué)科上是基本的STEM學(xué)科，即數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程。在學(xué)習(xí)活動上，除了基本的活動單元分析、設(shè)計、開發(fā)、實施、評價，根據(jù)具體課程分析，還有幫助、分享、指導(dǎo)三個學(xué)習(xí)活動（如表3）。

表3 中學(xué)九年級的STEM創(chuàng)新實驗課內(nèi)容分析

通過對中學(xué)九年級STEM創(chuàng)新實驗課分析，可以發(fā)現(xiàn)這是一節(jié)基本的STEM實驗課，以銅的制取為問題，將本節(jié)課劃分為多個相互銜接的學(xué)習(xí)活動，在教學(xué)活動上除了基本的分析、設(shè)計、開發(fā)、實施、評價外，還突出了分享、幫助、指導(dǎo)三個活動，在學(xué)科內(nèi)容上，基本涉及數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程，沒有更多學(xué)科的參加。通過對這節(jié)課程進(jìn)行學(xué)科內(nèi)容及學(xué)習(xí)活動分析，可以發(fā)現(xiàn)，該中學(xué)九年級的STEM創(chuàng)新實驗課，沒有將更多學(xué)科融進(jìn)STEM課程中，同時在學(xué)習(xí)活動中，沒有更好地將數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程等學(xué)科的內(nèi)容放進(jìn)學(xué)習(xí)活動中去，讓這節(jié)課程呈現(xiàn)更多的相關(guān)領(lǐng)域的知識。不過這節(jié)課程基本上緊緊地圍繞著銅的制取這一主題展開，通過精心組織的學(xué)習(xí)活動，逐步完成預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)任務(wù)。

2.小學(xué)高年級STEM課程案例

小學(xué)高年級STEM課程是以懸臂為對象的較為典型的STEM課程，課程在傳統(tǒng)教室內(nèi)進(jìn)行（如圖3），時長為一節(jié)課的時間。課程在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生以基于項目的學(xué)習(xí)方式學(xué)習(xí)。教師在教學(xué)中將課程由一個項目組織起來，通過合理的步驟將課程目標(biāo)劃分成數(shù)個活動推進(jìn)教學(xué)。學(xué)生在學(xué)習(xí)中以小組的形式協(xié)作學(xué)習(xí)，為了相同的學(xué)習(xí)目標(biāo)，既競爭又互相合作，使每個成員都積極參與到學(xué)習(xí)活動中。

圖3 小學(xué)高年級STEM課程現(xiàn)場

通過對小學(xué)高年級的STEM課程分析，在學(xué)科上不僅有包括基本的數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程，還有藝術(shù)學(xué)科。除了基本的活動單元分析、設(shè)計、開發(fā)、實施、評價外，根據(jù)具體課程分析，還有展示、幫助、指導(dǎo)三個學(xué)習(xí)活動（如表4）。

表4 小學(xué)高年級的STEM課程內(nèi)容分析

通過對小學(xué)高年級STEM課程分析，可以發(fā)現(xiàn)這是一節(jié)實踐的STEAM課程，以懸臂的設(shè)計與制作為項目，將本節(jié)課劃分為多個相互銜接的學(xué)習(xí)活動，在教學(xué)活動上除了基本的分析、設(shè)計、開發(fā)、實施、評價外，還突出了分享、幫助、指導(dǎo)三個活動，在學(xué)科內(nèi)容上，除了數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程，還有與藝術(shù)學(xué)科的融合。通過對這節(jié)課程進(jìn)行學(xué)科內(nèi)容及學(xué)習(xí)活動分析，可以發(fā)現(xiàn)，該小學(xué)高年級的STEM課程，沒有將藝術(shù)學(xué)科融進(jìn)STEM課程中，同時在學(xué)習(xí)活動中，沒有較好地將數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程等學(xué)科的內(nèi)容放進(jìn)學(xué)習(xí)活動中去，因此，在對主題的把握以及圍繞該主題的知識學(xué)習(xí)的選取上，還需要更多的設(shè)計。

五、結(jié)束語

本研究對中小學(xué)STEM課程內(nèi)容的分析，回應(yīng)了中小學(xué)STEM課程存在的問題，通過探討中小學(xué)STEM課程基于項目的學(xué)習(xí)和基于問題的學(xué)習(xí)方式，與STEM課程的學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行分析，提出了可擴(kuò)展的學(xué)科內(nèi)容的分析方法，并對兩個中小學(xué)STEM課程進(jìn)行分析。通過對中小學(xué)STEM的課程內(nèi)容分析進(jìn)而對學(xué)科和內(nèi)容，即中小學(xué)STEM課程的“空間線”與“時間線”進(jìn)行探討，最后，對中小學(xué)STEM課程的學(xué)科融合與學(xué)習(xí)活動的展開進(jìn)行分析，獲取了中小學(xué)STEM課程的基本進(jìn)展情況與STEM課程和活動的融合情況。

[1]趙興龍,許林.STEM教育的五大爭議及回應(yīng)[J].中國電化教育,2016(10):62-65.

[2]石寅霞,喬愛玲.基于內(nèi)容分析視角的國內(nèi)STEM教育研究概況綜述[J].中國教育技術(shù)裝備,2017(16):16-19.

[3]Consortium of Social Science Associations-COSSA.Enhanc?ing diversity in science:A leadership retreat on the role of professional associations and scientific societies:A summary re?port[M].Washington,DC:COSSA.200A.

[4]Kuenzi J J.Science,Technology,Engineering,and Mathematics(STEM)Education:Background,Federal Policy.and Legislative Action[J].Congressional Research Service Reports,2008:1-17.

[5]朱學(xué)彥,孔寒冰.科技人力資源開發(fā)探究——美國STEM學(xué)科集成戰(zhàn)略解讀[J].高等工程教育研究,2008(02):21-25.

[6]逄亞南.青少年校外STEM教育活動的探索與實踐[A].創(chuàng)新科學(xué)教育內(nèi)容的實踐探索[C],2013:5.

[7]中華人民共和國教育部,教育部關(guān)于印發(fā)《教育信息化“十三五”規(guī)劃》的通知.[EB/OL],http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201606/t20160622_269367.html.

[8]吳俊杰,李卓,梁森山.Ledong Scratch互動教學(xué)平臺的應(yīng)用與研究(十一)——光敏電阻與照度關(guān)系研究[J].教學(xué)儀器與實驗,2011,27(11):11-13.

[9]吳俊杰,王勤,梁森山.Ledong Scratch互動教學(xué)平臺的應(yīng)用與研究(十)——用Ledong板測電阻談STEM教育[J].教學(xué)儀器與實驗,2011,27(10):9-11.

[10]吳俊杰,梁森山.Ledong Scratch互動教學(xué)平臺的應(yīng)用與研究(八)——用滑桿自制卡尺例談信息技術(shù)實驗和STEM教育[J].教學(xué)儀器與實驗,2011,27(08):12-14.

[11]STEM～+研究中心主任王懋功:從國家高度思考STEM教育[J].上海教育,2016(03):39.

[12]王殿軍.新高考背景下的STEM教育——清華大學(xué)附屬中學(xué)科技教育的探索與實踐[J].現(xiàn)代教育,2017(07):20-22.

[13]劉黨生,謝建.學(xué)科課程可以這樣成長[J].中國信息技術(shù)教育,2014(05):59-60.

[14]楊亞平.美國、德國與日本中小學(xué)STEM教育比較研究[J].外國中小學(xué)教育,2015(08):23-30.

[15]張紅洋,楊艷妮.美國中小學(xué)STEM教育對我國基礎(chǔ)教育的啟示[J].新課程研究(下旬刊),2014(08):15-17.

[16]傅騫,劉鵬飛.從驗證到創(chuàng)造——中小學(xué)STEM教育應(yīng)用模式研究[J].中國電化教育,2016(04):71-78,105.

[17]吳昱寰.中小學(xué)STEM教育本土化策略探討[J].課程教育研究,2016(26):241.

[18]董澤華.試論我國中小學(xué)實施STEM課程的困境與對策[J].全球教育展望,2016,45(12):36-42,62.

[19]江育奇.對在中小學(xué)推廣STEM教育模式之我見[J].中國教育技術(shù)裝備,2017(13):71-72,77.

[20]余勝泉,胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開放教育研究,2015,21(04):13-22.

[21]Grant M.(2002).Meridian:A middle school computer Tech?nologies Journal,5,1.

[22]Barrows H S.Problem-based learning in medicine and be?yond:A brief overview[J].New Directions for Teaching&Learning,1996,1996(68):3-12.

[23]Anette Kolmos.Change Strategies from Vision to Action plan[PPT].In IIDEA Workshop Session,Beijing:Tsinghua Uni?versity,2011.

[24]Yakman,G.(2010).What is the point of STE@M?-A Brief Overview.Steam:A Frameworkfor Teaching Across the Disci?plines.STEAMEducation,7,3-7.