學(xué)科知識(shí)整合取向下STEM教學(xué)應(yīng)用模式的構(gòu)建

趙康寧 周璞 韓美琪

摘 要 STEM教育旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，是當(dāng)今世界教育改革的一個(gè)新領(lǐng)域。文獻(xiàn)分析結(jié)果表明目前國內(nèi)的研究主要集中在內(nèi)涵辨析、課程設(shè)計(jì)研究、教學(xué)模式、教學(xué)支持設(shè)計(jì)和實(shí)施案例分析等方面，本文以STEM教育跨學(xué)科整合下學(xué)科知識(shí)整合取向和STEM素養(yǎng)為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了關(guān)注學(xué)生知識(shí)的意義建構(gòu)與STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的教學(xué)應(yīng)用模式，并從STEM素養(yǎng)和學(xué)科知識(shí)整合取向?qū)υ撃Ｊ降膬r(jià)值進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞 STEM教育 學(xué)科知識(shí)整合 STEM素養(yǎng) 應(yīng)用模式

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

我國教育部2017年發(fā)布的《全日制義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出：科學(xué)教育與小學(xué)其他學(xué)科關(guān)系密切，提倡跨學(xué)科式學(xué)習(xí)，即融合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)為一體的STEM教育，是一種以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問題解決為取向的課程組織方式。《教育信息化“十三五”規(guī)劃》也倡導(dǎo)：將信息技術(shù)與教育融合，探索STEM教育和創(chuàng)客教育等新的教育模式，提高學(xué)生的探究能力、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。本文致力于將STEM教育的理論與思想更好融入實(shí)際教學(xué)，重新構(gòu)建STEM教學(xué)應(yīng)用模式，以期為領(lǐng)域內(nèi)教師的STEM教育教學(xué)設(shè)計(jì)提供參考模式。

1 STEM教育概述

1.1概念

STEM教育是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）教育的簡稱，強(qiáng)調(diào)將多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行有機(jī)整合，在解決實(shí)際問題的驅(qū)動(dòng)下使學(xué)生獲得知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和問題解決的能力。STEM教育具有跨學(xué)科、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計(jì)性、藝術(shù)性、實(shí)證性、技術(shù)增強(qiáng)性的特點(diǎn)。

1.2研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)STEM教育的理論研究大致是從內(nèi)涵辨析、教學(xué)模式設(shè)計(jì)、教學(xué)支持設(shè)計(jì)和實(shí)施案例分析等方面進(jìn)行。傅騫等認(rèn)為，STEM是基于設(shè)計(jì)、基于項(xiàng)目和探究的具體自主學(xué)習(xí)的方式，將STEM教育應(yīng)用模式分為驗(yàn)證、探究、制造和創(chuàng)造四類，通過案例對(duì)每個(gè)模式進(jìn)行說明。祝智庭等在優(yōu)秀STEM課程的六大特征的基礎(chǔ)上得出，STEM教育著力于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、工程思維和科學(xué)探究精神。余勝泉等提出跨學(xué)科整合的項(xiàng)目設(shè)計(jì)模式，包括教學(xué)分析、設(shè)計(jì)項(xiàng)目或問題、工具資源與學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)支架、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生知識(shí)的強(qiáng)化與遷移。蔡慧英通過分析新興學(xué)習(xí)技術(shù)與STEM課堂教學(xué)的整合，意圖為學(xué)習(xí)者建構(gòu)科學(xué)探究的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，解決教師為中心的問題。張瑾指出，STEM學(xué)習(xí)支架分為情境型、策略型、資源型、交流型、評(píng)價(jià)型支架，并構(gòu)建了STEM教育學(xué)習(xí)支架的設(shè)計(jì)流程及其學(xué)習(xí)活動(dòng)的關(guān)系框架，為有效實(shí)施STEM教育提供指導(dǎo)。

當(dāng)前教學(xué)模式的設(shè)計(jì)大部分關(guān)注整體設(shè)計(jì)，注重項(xiàng)目或問題的設(shè)計(jì)，而對(duì)于設(shè)計(jì)何種教學(xué)活動(dòng)以保證學(xué)生能獲得系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的知識(shí)的探索較少。秦瑾若等人提出教學(xué)活動(dòng)要以問題為中心，進(jìn)行“激活舊知”“展示新知”“應(yīng)用新知”到“整合貫通”四個(gè)階段的循環(huán)學(xué)習(xí)，但并未具體說明如何開展教學(xué)活動(dòng)促進(jìn)知識(shí)的融合貫通。因此，本研究以培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)和促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的意義建構(gòu)為指向構(gòu)建STEM教學(xué)應(yīng)用模式，以提升學(xué)生將跨學(xué)科知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的能力。

2理論基礎(chǔ)

2.1 STEM素養(yǎng)

2007年，美國州長協(xié)會(huì)（National Governors Association，NGA）擬定了一項(xiàng)題為“創(chuàng)新美國：擬定科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)議程（InnovationAmerica：BuildingaScience，Technology，EngineeringandMathAgenda）”的共同綱領(lǐng)，從四個(gè)方面闡述了STEM 素養(yǎng)：

（1）科學(xué)素養(yǎng)（Scientific literacy），即運(yùn)用科學(xué)知識(shí)和過程理解自然世界，并參與制定影響自然界的有關(guān)決策的能力。

（2）技術(shù)素養(yǎng)：（Technological literacy），指使用、管理、理解與評(píng)估技術(shù)的能力。

（3）工程素養(yǎng)（Engineering literacy），即在工程設(shè)計(jì)中系統(tǒng)地、創(chuàng)造性地將數(shù)學(xué)和科學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生活的實(shí)踐能力。

（4）數(shù)學(xué)素養(yǎng)（Mathematical literacy），指學(xué)生在提出、表達(dá)、和解釋多種情境下數(shù)學(xué)問題的解決方案時(shí)，能夠進(jìn)行準(zhǔn)確地分析、推理和交流思想的能力。

由上可知，STEM素養(yǎng)是關(guān)于個(gè)人在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域及其交織領(lǐng)域中使用其關(guān)于世界運(yùn)行方式的知識(shí)的能力。

2.2 STEM教育學(xué)科知識(shí)整合取向

余勝泉等認(rèn)為STEM教育是通過整合的教學(xué)方式讓學(xué)生掌握知識(shí)與技能，并運(yùn)用技能解決真實(shí)問題，并提出三種STEM教育跨學(xué)科整合取向。

2.2.1生活經(jīng)驗(yàn)整合取向

注重知識(shí)的社會(huì)功能，以第三次工業(yè)革命代表的知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)要求掌握的知識(shí)與技能與多學(xué)科知識(shí)整合，通過項(xiàng)目設(shè)計(jì)，將學(xué)術(shù)性的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的生活性知識(shí)。

2.2.2學(xué)習(xí)者中心整合取向

這種模式強(qiáng)調(diào)問題或項(xiàng)目是由學(xué)習(xí)者或小組調(diào)查發(fā)現(xiàn)提出的，因此，同時(shí)培養(yǎng)了問題解決能力與發(fā)現(xiàn)問題的能力。強(qiáng)調(diào)以學(xué)習(xí)者為中心，從學(xué)習(xí)者生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)探尋各學(xué)科整合的切入點(diǎn)。

2.2.3學(xué)科知識(shí)整合取向

分析各學(xué)科最基本的知識(shí)結(jié)構(gòu)，以求找到多學(xué)科知識(shí)點(diǎn)之間的連接點(diǎn)與整合點(diǎn)。通過這些連接點(diǎn)將分散的課程知識(shí)按跨學(xué)科的問題邏輯結(jié)構(gòu)化，使得課程要素有機(jī)聯(lián)系，形成有機(jī)結(jié)構(gòu)。

學(xué)科知識(shí)整合取向采用基于問題的學(xué)習(xí)模式，設(shè)計(jì)有意義的問題情境，讓學(xué)生通過合作解決情境中的問題，從而習(xí)得隱藏于問題中的知識(shí)，并促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用、理解與建構(gòu)，提高自主學(xué)習(xí)與解決問題的能力。

3模式構(gòu)建

本模式從學(xué)科知識(shí)整合取向出發(fā)，將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)素養(yǎng)囊括的學(xué)科知識(shí)、思維、方法、能力融入教學(xué)過程。學(xué)生自主學(xué)習(xí)獲得概念知識(shí)，通過小組協(xié)作探究、解決問題，并在工程設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)用知識(shí)，通過總結(jié)知識(shí)、試題練習(xí)，完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。

3.1創(chuàng)設(shè)情境

STEM教育注重問題情境下的學(xué)習(xí)，通過問題情境的創(chuàng)設(shè)為學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決問題提供情境支架。同時(shí)，為避免多學(xué)科知識(shí)間的劣構(gòu)化，教師需要對(duì)涉及到的學(xué)科知識(shí)進(jìn)行分析與重組，使知識(shí)間產(chǎn)生聯(lián)系，并確定核心知識(shí)。情境創(chuàng)設(shè)從分析學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)、生活經(jīng)驗(yàn)和所處的社會(huì)環(huán)境入手，篩選與知識(shí)契合的事件、場景和現(xiàn)象，使知識(shí)與情境自然融合。對(duì)情境進(jìn)行加工，使問題融于情境，將知識(shí)學(xué)習(xí)通過問題引出來，讓學(xué)生把問題作為情境來思考，保證問題的劣構(gòu)性和情境的趣味性、綜合性和探究性。

3.2明確問題

整個(gè)STEM學(xué)習(xí)過程以問題解決為導(dǎo)向，因此學(xué)生需要明確待解決的問題。對(duì)情境進(jìn)行回憶，聯(lián)系原有的知識(shí)與自身經(jīng)驗(yàn)提煉出情境中的問題，并且明確問題解決的需求和限制條件。對(duì)問題有了初步認(rèn)識(shí)后，明確下一步的學(xué)習(xí)計(jì)劃，即認(rèn)知結(jié)構(gòu)是否有與問題相關(guān)的概念、原理等，如果問題不能與原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)產(chǎn)生聯(lián)系，那么學(xué)生就需要制定學(xué)習(xí)新知的計(jì)劃。

3.3學(xué)習(xí)新知

學(xué)習(xí)新知階段教師需為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供課件、微課視頻、學(xué)習(xí)網(wǎng)站等多種學(xué)習(xí)資源。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)掌握基礎(chǔ)知識(shí)，形成支撐問題解決的基本原理，為有針對(duì)性的調(diào)查探究提供指引。學(xué)習(xí)結(jié)束后，需完成測試來檢驗(yàn)新知的掌握情況。當(dāng)然，如果學(xué)生已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行同化，可以直接進(jìn)行理論知識(shí)支持下的問題探究活動(dòng)。

3.4調(diào)查探究

調(diào)查探究階段學(xué)生通過小組合作，圍繞問題展開討論，確定探究計(jì)劃，并分工進(jìn)行實(shí)際調(diào)查。小組成員對(duì)搜集的信息進(jìn)行探討，篩選相關(guān)有效的內(nèi)容，形成問題解決的觀點(diǎn)。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行分解和深層次分析，通過具體小問題的探究，最終實(shí)現(xiàn)總問題的解決。根據(jù)不同的探索內(nèi)容，為學(xué)生提供相應(yīng)的調(diào)查途徑和方法，教師要充當(dāng)好引導(dǎo)者和協(xié)助者的角色，及時(shí)了解學(xué)生的問題并給予反饋。

3.5方案設(shè)計(jì)

在調(diào)查探究結(jié)果基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)解決問題的方案，并制作必要的草圖。方案設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)思維潛移默化形成的過程，是學(xué)生觀點(diǎn)展示的過程。設(shè)計(jì)方案時(shí)，教師要提醒學(xué)生回顧問題解決的限制條件，比如：時(shí)間、地點(diǎn)、資金、現(xiàn)有資源等因素，保證方案的可實(shí)現(xiàn)性。對(duì)于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，教師可以提供設(shè)計(jì)框架，為學(xué)生攀登提供必要的腳手架。

3.6實(shí)操建模

該階段學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行實(shí)際操作，建造出解決問題的作品或?qū)嵨铩３晒尸F(xiàn)形式并不都是物質(zhì)化的，比如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)論。實(shí)際操作之前，學(xué)生通過觀看視頻掌握工具的使用方法，教師則要提醒和監(jiān)督學(xué)生正確使用工具。設(shè)計(jì)好的方案在動(dòng)手實(shí)踐時(shí)并不是一成不變的，建模和實(shí)驗(yàn)操作的過程中可能會(huì)遇到阻礙，這就需要小組成員對(duì)方案進(jìn)行修改。

3.7測試優(yōu)化

工程測試是工程設(shè)計(jì)檢驗(yàn)產(chǎn)品常用的方法，測試時(shí)可以還原問題發(fā)生的情境，模仿特定情境下問題的解決。測試過程中要真實(shí)地測量和記錄數(shù)據(jù)、問題和結(jié)果，為改進(jìn)優(yōu)化工作提供依據(jù)。此外，還要對(duì)作品進(jìn)行多次測驗(yàn)，避免不相關(guān)因素的干擾與測試結(jié)果的偶然性。同樣建造完成的作品也不一定是解決問題的最優(yōu)選擇，學(xué)生要在不斷修改、優(yōu)化的過程中體驗(yàn)工程設(shè)計(jì)的重復(fù)、遞進(jìn)的迭代過程。

3.8交流評(píng)價(jià)

完成作品后，每個(gè)小組依次展示作品，對(duì)設(shè)計(jì)思路、作品創(chuàng)意等情況進(jìn)行介紹，介紹完畢后同學(xué)和老師對(duì)作品做出評(píng)價(jià)。通過分享交流，培養(yǎng)學(xué)生的溝通表達(dá)能力與批判性思維。評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)除了作品評(píng)價(jià)還要對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)，主要從知識(shí)掌握、能力、STEM素養(yǎng)方面進(jìn)行。具體實(shí)施就需要教師依據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)生的表現(xiàn)制作小組互評(píng)、學(xué)生自評(píng)的量規(guī)，說明評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，保證評(píng)價(jià)量表的實(shí)用性和評(píng)價(jià)的多元性、有效性。

3.9總結(jié)反思

此階段教師幫助學(xué)生對(duì)涉及的知識(shí)進(jìn)行總結(jié)，將現(xiàn)實(shí)問題解決方法延伸到抽象知識(shí)層面，是跨學(xué)科知識(shí)提升的環(huán)節(jié)。抽象知識(shí)可以從分析問題所用的知識(shí)、指引調(diào)查探究的知識(shí)、輔助學(xué)習(xí)的工具與技術(shù)方面的知識(shí)、作品建造應(yīng)用的知識(shí)等學(xué)習(xí)過程中總結(jié)。對(duì)于重點(diǎn)知識(shí)和學(xué)生普遍存在的薄弱知識(shí)，教師要編寫練習(xí)題，糾正學(xué)生可能存在的片面認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生掌握的知識(shí)。反思環(huán)節(jié)包括學(xué)生對(duì)自身學(xué)習(xí)過程的回顧與反思，還有教師對(duì)自己教學(xué)組織能力、教學(xué)設(shè)計(jì)能力的反思。師生通過反思，總結(jié)優(yōu)點(diǎn)改正不足，為以后的學(xué)習(xí)與教學(xué)提供指導(dǎo)。

4教學(xué)模式的價(jià)值探析

本模式建構(gòu)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、工程思維和科學(xué)探究精神等，可以作為在學(xué)科知識(shí)整合取向下STEM素養(yǎng)實(shí)現(xiàn)的有效途徑。

一方面，有利于STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)。第一，科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。學(xué)生在科學(xué)探究的過程，以科學(xué)知識(shí)為指引發(fā)現(xiàn)問題、認(rèn)識(shí)問題、解決問題，在科學(xué)思維的影響下分析問題、明確問題，逐漸形成科學(xué)素養(yǎng)。第二，技術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)。通過探究、設(shè)計(jì)和建造過程中的技術(shù)選擇與使用來培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)管理、理解與評(píng)估能力，實(shí)現(xiàn)技術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)。第三，工程素養(yǎng)的培養(yǎng)。本模式主要是讓學(xué)生在方案設(shè)計(jì)和實(shí)操建模的過程中形成工程設(shè)計(jì)思維與能力、工程建造的動(dòng)手實(shí)踐能力，收獲工程素養(yǎng)。第四，數(shù)學(xué)素養(yǎng)。數(shù)學(xué)是學(xué)生進(jìn)行STEM學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。因此在科學(xué)探究、技術(shù)使用、工程設(shè)計(jì)和科學(xué)建模過程中，學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)和數(shù)學(xué)思維進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量、分析與推理，提出問題解決方案，形成數(shù)學(xué)素養(yǎng)。交流評(píng)價(jià)和總結(jié)反思環(huán)節(jié)指導(dǎo)學(xué)生回顧整個(gè)的探索和建造過程，總結(jié)科學(xué)知識(shí)，使STEM素養(yǎng)外顯化，實(shí)現(xiàn)素養(yǎng)真正的提高。

另一方面，有利于學(xué)科知識(shí)整合下STEM教育的實(shí)現(xiàn)。該模式在創(chuàng)設(shè)情境時(shí)強(qiáng)調(diào)教師要對(duì)多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行分析，將知識(shí)進(jìn)行重組，使各學(xué)科知識(shí)產(chǎn)生聯(lián)系，確保學(xué)生獲得良構(gòu)知識(shí)。問題情境通過分析學(xué)科知識(shí)和學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)提出，保證了學(xué)科知識(shí)的全面與均衡，并與學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。該模式設(shè)計(jì)了學(xué)習(xí)新知環(huán)節(jié)，確保學(xué)生有可以利用良構(gòu)的知識(shí)。在總結(jié)反思環(huán)節(jié)中，學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí)過程中的知識(shí)，相互分享，獲得系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的知識(shí)。

5結(jié)語

STEM教育作為新型的教育范式，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力、問題解決能力為目的，促進(jìn)了教育創(chuàng)新。本文僅在學(xué)科知識(shí)整合取向下對(duì)STEM教學(xué)應(yīng)用模式進(jìn)行了構(gòu)建和價(jià)值分析，接下來要做的工作是對(duì)特定課程進(jìn)行STEM教學(xué)模式的實(shí)踐探索，并在教學(xué)過程中不斷對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行修正，以使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和STEM素養(yǎng)實(shí)現(xiàn)最大程度的提高。

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