圍繞“大概念”設計STEM課程

葉兆寧 周建中 楊元魁

編者按：隨著信息技術的迅猛發展，人們越來越認識到科學素養、創新思維、科學態度與精神是21世紀人才所必備的素質，因而迫切需要與之相適應的以創新人才培養為本質的教育理念與方法。STEM教育順應了這一時代要求，在眾多孤立的學科中建立一個新的橋梁，為學生提供整體認識世界的機會，培養其綜合解決問題的能力，促進其創新和批判性思維能力的提升。

本刊將陸續刊發系列文章，結合我國近年來STEM教育的研究與實踐，圍繞STEM教育中的核心問題，從課程設計、教師專業發展、教學模式、評價策略等方面展開研討與分析，并運用教學實例說明如何通過STEM教育提升學生的綜合素質。

英國科學教育學者Wynne Harlen在《科學教育的原則與大概念》中指出，能夠用于解釋和預測較大范圍自然界現象的概念被定義為大概念（big ideas），她認為K-12年級學生應該掌握基本的科學概念以及與科學有關的概念。[1]隨著美國《新一代科學教育標準》（2013年）的頒布與實施，圍繞“大概念”開展科學教育以及將工程教育與科學教育結合成為國際科學教育的前沿和新理念。

“大概念”與STEM教育的關聯

STEM教育并非簡單地將科學與工程組合，而是將學生學到的零碎知識與機械過程轉變成一個探究世界相互之間聯系的不同側面的過程。隨著STEM教育的發展，“集成式STEM”（Integrated STEM）的概念逐漸明晰，它更加強調在STEM教育中四個領域之間有目的、有方法、有系統的整合。“集成式STEM”課程關注STEM素養、21世紀技能、STEM的工作愿景、興趣和參與性、連接STEM學科的能力等五個方面。[2]通過STEM素養和21世紀技能兩項目標的達成，培養學生三個方面的基本素養：（1）理解科學、技術、工程和數學對當代社會的重要意義；（2）至少熟悉每個領域涉及的基本概念，并能較為熟練地運用這些概念與原理；（3）發展學生的認知（批判思維、創造性）、人際交往（溝通、合作）和個性特征（靈活性、主動性、元認知）等。

著眼于STEM教育的目標，不難發現“大概念”與STEM教育之間有如下關聯：

首先，STEM素養的培養是STEM教育的首要目標，其中每個領域的素養都涉及學生對該領域的核心概念，即對大概念的理解和掌握。因此，“大概念”是STEM教育的重要目標之一。

其次，STEM教育倡導科學、技術、工程與數學四個領域的集成與融合，各個領域的認識基礎是融合的關鍵。STEM教育給學生提供了發現問題和解決問題的機會，在解決問題的過程中學生需要將已學到的知識和技能用于實際，僅靠記憶而非理解不能幫助學生遷移和運用知識與技能，因而理解“大概念”成為STEM教育的必然要求。

再次，“連接STEM學科的能力”是學生跨學科的基本能力，具體包括：識別和運用一些在不同學科領域中具有不同含義和用處的概念；在STEM實踐中使用不同學科的知識；通過在兩個或更多學科間的連接，解決一個問題或完成一個項目；當一個概念或實踐以綜合的方式展現時，能夠識別各個領域的內容；利用學科知識支持關聯的學習經驗，并知道在何時使用。

可見，STEM教育的本質是在眾多孤立的學科中建立一個新的橋梁，從而為學生提供整體認識世界的機會。建立跨學科的聯系并不容易，如果沒有單一學科基礎的核心認知，沒有整體的把握，較難提升連接STEM學科的能力。因此，只有習得“大概念”，才能具備培養“連接STEM學科能力”的基礎。

“大概念”下的STEM課程設計

STEM教育通過創設多維的課程空間，為學生提供一系列具有一定程度關聯性的學習經歷，既要求學生學習每個領域的知識和技能，也要求學生學習如何將這些知識和技能融會貫通到其他領域中，或者將一個領域的方法和技能用于解決另一個領域的問題，從而實現跨學科、跨領域人才培養。因此，STEM課程更強調以學習者為中心，強調學習經歷和結果的開放性，強調對學生設計能力和解決問題能力的培養。[3]

由于STEM教育的目標是多方面、多層次、跨領域的，課程的開發與實踐比單一學科課程困難很多，在STEM教育中圍繞“大概念”設計課程成為實現各領域融合的重要方法。

1.“大概念”有哪些？

對“大概念”具體內容的解讀須從STEM素養開始。雖然至今學者們仍沒有對STEM素養有一個統一的定義，但至少可借鑒相關各個領域對學科素養的界定。

以科學領域為例，美國《新一代科學教育標準》、我國《小學科學課程標準》、國際科學院聯盟《科學教育的原則和大概念》中都給出了學生需要理解和掌握的科學學科領域的“大概念”，雖然在分類和描述上略有不同（見表1），但其本質是相近和可參考的，都圍繞“物質”“力的作用與運動”“能量”三個方面展開。

2.“大概念”下的課程設計是怎樣的？

有了“大概念”的指導，課程設計該如何圍繞“大概念”開展呢？根據STEM活動中基于任務和項目的學習，開展課程教學設計的過程中，在“問題引入”“知識建構”和“問題解決”等環節都需要對“大概念”進行考察與分析，以確保課程能沿著“大概念”的指向和學生發展的有效路徑前進。

問題引入——大概念的初現。課程的問題引入，旨在體現課程與實際生活的關聯，選取日常生活中學生常見的生活問題或工程上的實際問題創設具體的任務或項目。由于實際問題具有復雜性，用單一學科知識難以解決，這為STEM學習提供了可能。通過對這些任務或項目的分析，學生可以了解與之相關聯的科學、技術和數學等領域的各類問題，并思考如何將這些問題連接起來。其實，在這些問題的背后隱藏著各個領域的“大概念”。

在設計問題引人時，課程設計者應密切聯系STEM課程的教學目標以及“大概念”的選擇，要考慮以下問題：課程內容在科學、技術、工程與數學各領域需要達到的目標有哪些，尤其是科學與數學兩方面需要學生理解和運用的概念有哪些，它們分別指向哪些“大概念”怎樣的實際問題情境能夠與這些“大概念”相聯系，或這些“大概念”需要創設怎樣的實際問題情境。

知識建構——圍繞大概念開展教學。知識建構是STEM課程中的探究活動集，旨在幫助學生學習和積累解決問題所需要的知識與技能。有了問題引人的基礎，教師已可以充分了解學生需要掌握的概念和技能有哪些，學生的基礎怎樣。這時，教學要以完成相關任務為基礎，通過互相聯系的探究活動和技能訓練幫助學生逐一解決具體問題，幫助學生理解與完成任務相關的科學、技術和數學方面的知識與技能，并學會如何在解決問題中運用這些知識與技能。因此，探究活動需要圍繞活動所涉及的“大概念”進行，促進學生將情境中的具體現象與研究結果上升為科學概念，再從小概念上升為大概念，最后獲得將大概念運用于解決實際問題的方法。

這部分的教與學并不容易，教師需要通過形成性評價了解學生的基礎，并在學生原有的基礎上選擇和實施探究活動。在這些問題的導引下，學生很自然地了解學習的目的在于解決問題，由此激發其學習動機。

這時的課程設計需要考慮：學生可以通過怎樣的探究活動學習這些科學、技術與數學的概念；這些科學、技術與數學的概念能幫助學生解決哪些實際問題以及哪些與課程情境相關的實際問題。

問題解決——運用概念與原理。問題解決的重點在于幫助學生在知識建構與經驗積累的基礎上，嘗試運用工程設計的方法與環節解決在問題引人環節提出的問題。這是學生將已經建構好的知識運用到實際問題的良好契機，并通過工程設計模式培養學生的工程素養。

課程設計需要考慮：學生已經建構的科學概念和技能可以怎樣被運用到解決問題或工程設計的過程中；在學生交流、質疑、反思時，教師該如何引導學生對“大概念”進行思考。

如何將工程設計中問題解決的過程與知識建構中科學探究的過程有機結合在統一的課程設計之中，在圍繞“大概念”的設計與教學中顯得尤為突出和重要，且能自然而然產生。問題提出和知識建構可以幫助學生思考、理解解決一個真實問題需要具備哪些學科知識，并開展真實的學習。學習產生的知識基礎和經驗，將幫助學生重新思考需要解決的問題和如何設計解決方案，促使學生在解決問題的環節自主完成學科知識的學習和運用，以達成STEM教育的整體目標。

STEM課程實例——“LED可穿戴產品”

將電學的基本知識與實際產品設計結合而形成的教學模塊“LED可穿戴產品”是一個為小學生設計的基于“大概念”的STEM課程，以“設計參加‘六一表演秀時需要的會發光、可穿戴在身上的產品”為任務。該教學模塊涉及科學、技術、工程與數學四個方面的教學目標（見表2）。

由表2可見，該課程涉及電學與電路、材料與工具的選擇和使用、工程設計過程、數字計算等大概念。課程由若干科學探究活動與工程實踐活動組成，如活動“認識身邊的電光源”和“水果電池”幫助學生了解光源與電源；活動“你能點亮它嗎”“燈的亮度可調嗎”圍繞簡單電路和串并聯電路展開；活動“能做決定的電路”則引導學生研究復合電路。由表3可見，這些概念的學習、理解和運用貫穿在整個學習過程中，無論是教師的“教”還是學生的“學”，都是圍繞“大概念”能量中的電能問題進行。

在“LED可穿戴產品”教學過程中，“問題提出”部分幫助學生了解各種各樣發光的可穿戴產品，使學生認識到可以用電學器材和原理完成任務。

“知識建構”部分涉及光源、電源、簡單電路、串并聯電路、光與顏色、復合電路設計等內容，涉及基本電學和電路技術的知識建構，圍繞電學的“大概念”開展教學，通過科學探究的方法進行學習。

“解決問題”部分幫助學生回到最初提出的工程問題上。在建立了基本的科學與技術知識之后，幫助學生重新思考和設計、繪制設計圖、依據設計圖制作產品、測試和改進產品，最后展示產品并進行交流。該部分體現了工程過程的基本要點，促進學生學習與工程設計相關的知識并解決實際問題，達成對工程設計基本概念的理解。

綜上所述，STEM課程如何設計與實施是一個更為重要、更加實際的教育問題。通過近年來對STEM課程的研究與實踐，筆者發現開展STEM教育與課程設計時需要基于“大概念”，而且要充分考慮“大概念”對教育和課程的指向作用。同時，由于探究活動與工程設計活動組成的課程體系較大，所需要的課時較長，對教師的要求也相對較高，需要教師根據學生的實際水平進行靈活的調整。

注釋：

[1]Wynne，H.（2010）.Principles and Big Ideas of Science Education . Ashford Colour Press Ltd.

[2]Margarent，H.，GregP .，&Heidi;，S.（2014）.STEM Integrated in K-12 Education：Status，Prospects，and an Agenda for Research. Washington，DC：The National Academies Press.

[3]鐘柏昌、張麗芳.美國STEM教育變革中“變革方程”的作用及其啟示.中國電化教育，2014，4（327）：18-24