跨學科整合型STEM課程開發案例研究及啟示

楊彥軍 饒菲菲

[摘? ?要] 隨著STEM教育理念的不斷發展，開發跨學科整合型STEM課程已成為當務之急。為促進我國整合型STEM課程開發，本研究以美國亞利桑那州立大學火星教育項目的跨學科整合型STEM課程為例進行案例研究，在詳細介紹其課程整體結構、課程教學活動實施流程的基礎上，從教學策略和課程開發策略兩個方面出發來分析總結該STEM課程的特點。研究發現：該課程在教學策略方面，具有基于5E教學模式注重學生活動體驗、以真實問題為載體實現跨學科整合、采用基于問題和項目的學習方式、提供豐富的學習支架促進深度學習、將STEM素養培養目標落實到具體教學活動中的特點;在課程開發策略方面，具有高校與社會科研機構合作開發、學習成果與國家課程標準和21世紀技能相對應、基于安德森教育目標分類學確定教學目標、課程教學活動設計方案翔實可操作、整合多種真實科研資源支持課程實施等特點。在此基礎上，提出對我國推進跨學科整合型STEM課程建設的發展建議，即加強國家頂層設計以構建STEM課程建設共同體、完善STEM課程標準體系以落實STEM素養培養、加強STEM課程開發理論研究以指導課程開發實踐、開發典型課程案例以普及整合型STEM課程理念以及革新STEM課程教學模式以培養創新創業型人才。

[關鍵詞] STEM教育; STEM課程; 跨學科整合; 5E教學模式

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 楊彥軍（1981—），男，甘肅天水人。副教授，博士，主要從事信息技術與教育等方面的研究。E-mail：ts.yyj@126.com。

一、引? ?言

隨著人類社會進入“互聯網+”時代，人工智能、大數據、物聯網、區塊鏈等現代信息技術快速發展并在社會各領域得到廣泛應用，傳統社會中大量勞動密集型的常規任務早已由各種自動化機器完成，部分常規型認知任務也正逐漸被人工智能取代。在高度智能化的社會中需要由人完成的認知任務日益復雜多變，這就對未來社會勞動力提出了新的要求。為此，許多國家和國際組織紛紛制定并發布了面向未來的關鍵能力框架。例如：聯合國教科文組織逐漸完善形成的終身學習“五大支柱”核心素養框架、經濟合作組織提出的DeSeCo核心素養框架、歐盟提出的終身學習核心素養框架、美國21世紀技能合作組織發布的“21世紀技能框架”[1]、北京師范大學發布的中華人民共和國教育部委托研究課題成果《中國學生發展核心素養》等。這些核心素養框架大都強調學生批判性思維、溝通協作、創新創業、信息技術等能力的培養。研究表明，有“元學科”之稱的STEM教育能夠在夯實科學、技術、工程和數學等多學科知識的基礎上，提高學生以跨學科的新思維、新方法解決復雜問題的綜合能力[2]，這與21世紀技能和核心素養教育的訴求不謀而合。因此，世界各國將STEM教育作為推進課程教學改革和創新型人才培養的重要戰略。STEM已經由最初代表科學、技術、工程和數學四個獨立學科領域的術語，發展到一種基于多學科交叉融合方式培養復合創新型人才的教育理念，由側重數學和科學教育整合，逐漸轉向重視科學、技術、工程、數學、藝術和計算機等學科的融合教育。在STEM課程實施模式方面，美國馬里蘭州立大學的赫希巴奇（Herschbach D. R.）將STEM課程的實施模式分為關聯課程模式（The Correlated Curriculum）和廣域課程模式（The Broad Fields Curriculum）[3]。其中，廣域課程模式打破學科界限，將科學、技術、工程和數學等內容整合到一起，形成一個結構化的課程結構[4]。廣域課程也經常稱為跨學科整合型課程，是目前廣泛研究和應用的一種課程模式。我國近幾年頒布的一些教育政策也強調了STEM教育跨學科整合的重要性。因此，開發跨學科整合型STEM課程已成為深入推進STEM教育研究與實踐的當務之急。

二、我國整合型STEM課程開發研究現狀

目前，我國整合型STEM課程開發大都集中在3D打印、機器人、可視化編程、科學小制作、小發明等方面，主要以綜合實踐課或創客活動的形式實施，在一定程度上注重學生的主動參與和體驗，強調了學生的主體地位以及多學科知識的學習和運用，但也存在不少問題。由于目前沒有形成系統健全的課程標準、課程期望不明確，在課程目標的設置上缺乏科學的理論依據，可能導致教師在具體的教學過程中呈現教學目標隨意且教學效果難以評價的問題;對STEM理念的認識不足，現有的STEM課程設計只重視外在教學形式上的整合，而忽略跨學科知識、核心概念和能力的滲透，難以促進學生深度學習、實現高階思維能力發展;STEM課程開發呈現零散狀態，缺少社會多方面力量的合作與支持，各個學校使用或開發的STEM 課程大多是校本課程，內容各不相同，還沒有形成一套系統銜接各個學段的中小學STEM課程體系。

美國亞利桑那州立大學（ASU）和美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）合作開發的火星教育項目——基于《下一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards）的STEM課程（以下簡稱“火星教育項目STEM課程”）是在教育實踐中取得巨大成功的整合型課程經典案例。因此，本研究以該項目STEM課程為例，對其課程整體結構、課程教學活動實施流程、課程教學策略和課程開發策略進行詳細分析，以期為我國開發跨學科整合型STEM課程提供借鑒和啟發。

三、火星教育項目STEM課程介紹

為了深入了解火星教育項目STEM課程的特點，需要對其課程結構及教學活動設計進行細致地分析。這是因為課程結構反映著課程知識的組織及其相互關系[5]，是教育目標轉化為教育服務的紐帶，是課程開發者教育理念的載體[6]。教學活動設計是對課堂教學過程中師生教與學活動的預設和安排，是課堂教學活動實施的藍圖，能夠體現課程開發者的教學思想。

（一）火星教育項目STEM課程結構

火星教育項目致力于開發系統的STEM教育解決方案，鼓勵教育工作者和學生在現實或模擬的環境中參與體驗美國宇航局（NASA）專業的科學研究和工程技術活動，是一種真實的、實踐的、探究式的課程。根據NASA真實火星探測項目過程中需要開展的科學研究和工程實踐活動，火星教育項目STEM課程內容劃分為“概念建模”“工程”“我們如何探索”“科學研究”四個領域，每個領域由一系列主題課程組成，形成了一個覆蓋 K-12年級的課程計劃，見表1。整個課程圍繞學科核心概念進行跨學科整合設計，根據學生的認知水平呈現逐漸深入、螺旋上升的框架結構，每門課程針對不同的教學對象設定了不同的教學目標并開發了相應的教學活動方案。

（二）火星教育項目STEM課程教學活動設計

火星教育項目STEM課程的教學活動是基于5E教學模式設計的，包括參與、探索、解釋、遷移、評估和拓展環節。下面以火星教育項目STEM課程中 “在太陽系中尋找生命”這一代表性的專題課程為例，介紹其面向中學（MS）的課程教學活動具體實施流程。

1. 參與環節

本環節的主要目標是創設任務規劃的情境。教師首先通過提供墻報或閱讀材料的方式，向學生簡要解釋類似系統、系統模型、科學本質等跨學科概念的內涵和工程實踐的常規工作。其次，通過朗讀指導語的方式為學生創設在太陽系中尋找生命的任務情境。接著，通過討論“我們在太空中尋找什么”“我們的探索活動需要回答什么主要問題”等問題引發學生思考，明確項目目標與任務。然后，引導學生討論“如何對生物與非生物進行界定”“生命體的特征是什么”等問題，并讓學生在延伸學習“它是生命嗎？”這一微課程的過程中體驗通過探索研究發現生物特征的歷程。最后，教師向學生解釋接下來將采用玩牌模擬的方式來設計一個在太陽系中尋找生命的任務，并讓學生填寫前概念調查單以確認學生當前對任務規劃和工程限制的理解，作為后續教學效果評價的依據。

2. 探索環節

本環節的主要目標是確定一個需要進行技術設計的目標。第一個活動是了解NASA天體生物學研究所的工作。首先，教師與學生圍繞“生命是如何開始和進化的”等幾個基本問題的討論，了解NASA天體生物學研究所的研究目標。接著和學生討論一些關鍵詞（如能量、生命信號）的含義以輔助學生后續學習。最后，讓學生在完成“極端微生物”微課程的過程中了解通過探索研究發現各類生物體及其分布的過程。第二個活動是區分科學的任務目標和技術解決方案。首先，教師告訴學生科學家經常會為任務選擇一個科學目標，然后讓學生小組討論他們可能的科學目標并最終確定一個合適的技術設計任務目標，進而調查研究什么是生物特征以及選擇駕駛哪種航天器執行尋找生命的任務。第三個活動是設計一個技術解決方案。學生小組合作設計用于完成火星探索任務的實用航天器，航天器的設計可以采用卡片模擬的方式進行。該教育項目提供的交易卡上展示了每一個航天器的典型系統，并且每張卡片上都提供了有關這一特定硬件的使用功能及其本身所存在的缺陷的相關信息，學生可以根據他們的科學目標選擇合適的卡片來組裝、設計航天器。

3. 解釋環節

本環節的主要目標是分析技術設計過程中的約束條件。第一個活動關注的是工程約束的概念。首先，讓學生確定他們在進行工程設計時具體經歷了工程設計周期的哪些環節，同時舉例說明，并把每個例子寫在“工程設計周期”學習任務單上。接著，讓學生思考以下問題：影響任務完成的限制條件、團隊如何解決問題以及如何測試解決方案。第二個活動是學生分享他們在工程設計過程中遇到的約束事項以及相應的調整方案。首先，學生批判性地傾聽同伴的解釋，匯報他們自己的解決方案，并質疑其他人的解釋。然后，在班級共享后，花幾分鐘時間討論并重申他們可能提到的一些約束事項并突出強調那些被忽視的約束事項。第三個活動是把學生分組開展討論。首先，分發關于科學和工程實踐、跨學科概念、科學的本質的相關材料，小組討論10～15分鐘。接著，小組與全班分享他們對科學本質和實踐的理解并陳述理由，由教師在黑板上記錄每個組的討論結果。

4. 遷移環節

本環節的主要目標是促使學生將技術設計技能應用于新的問題解決過程。從兩個任務中任選其一完成：任務一是讓團隊之間交換任務方案進行互評，即每個任務組將自己的任務方案與另外一個小組交換，由對方作為評估組對任務組方案中的科學目標、工程目的、約束條件等進行評估，并給出改進建議;任務二是重新運行模擬并設計一個火星取樣返回任務，任務可以是地表取樣返回或軌道取樣返回。

5. 評估環節

本環節的主要目標是評價學生解決工程問題的能力變化情況。評估活動主要通過調查學生學習后對相關科學概念的理解情況，如回答諸如“你認為尋找生命任務計劃最困難的部分？解釋你這么認為的原因。”等問題，或者讓學生對照前科學概念調查結果，比較其對相關概念理解的前后變化情況，并分析其原因。評估活動也可能采用基于《下一代科學標準》的評價量規進行形成性和總結性評估，允許學生在教學過程中發現并改進他們學習中的錯誤。

6. 拓展環節

本環節的主要目標是讓學生繼續進行遷移訓練或完成項目的后續科學探索工作。任務一是讓學生完成前面遷移環節中的另外一個任務;任務二是讓學生提交一份正式的項目申報書，為他們的任務方案爭取額外的資助，并提供了申報書樣例。

四、火星教育項目STEM課程的特點

通過上面對課程結構和教學活動設計的詳細分析可以發現，火星教育項目STEM課程有許多值得學習借鑒的地方，可以從其教學策略和課程開發策略兩個方面來分析其特點。

（一）火星教育項目STEM課程的教學策略分析

教學策略是為完成教學目標和適應學生認知規律而制定的教學程序和采取的教學實踐措施。通過對火星教育項目STEM課程結構及教學活動的細致分析可以發現，該課程的主要教學策略包括基于5E教學模式注重學生活動體驗、以真實問題為載體實現跨學科整合、采用基于問題或基于項目的學習方式、提供豐富的學習支架以促進深度學習和將STEM素養培養目標落實到具體教學活動中等。

1. 基于5E教學模式注重學生活動體驗

火星教育項目STEM課程每堂課的教學都采用基于概念轉變理論的5E教學模式。5E教學模式最初是為美國生物學課程教學開發的，目前是科學教育中常用的一種教學模式，它將教與學的過程劃分為五個環節：參與、探索、解釋、遷移和評估。參與環節是一種傳統的熱身活動，由教師提出一些現實生活中的問題，創設問題情境，以激發學生學習動機、了解學生的先驗知識。在探索環節，教師起指導和推動作用，利用各種學習支架輔助學生自主探究，加深理解，挑戰現有的偏見和誤解，提供替代性解釋幫助學生形成新圖式。在解釋環節，學生交流分享學到的東西，用自己的理解闡釋他們對概念的認知，說明最初的概念轉變。在遷移環節，給學生提供機會將他們新發現的知識應用到新的情境中，并支持新圖式的強化或轉移。最后，在評估階段，學生可以利用反思表等對自身進行形成性和總結性評估，教師可以利用相關評價量規評估學生的學習效果和自身的教學效果。在這種教學模式中，學生全程參與探究過程，通過體驗不同環節的學習活動完成相應的任務和問題來全面理解和掌握科學和工程實踐、學科核心概念、科學方法和科學本質[8]。

2. 以真實問題為載體實現跨學科整合

在火星教育項目STEM課程體系中，每個教學計劃的開頭都有依據《下一代科學標準》設計的該課程所要解決的核心問題和基本組成問題，這些問題都是基于物理科學、生命科學、地球與太空科學以及工程四大領域具體的學科核心概念設置的。學生通過學習這些學科核心概念，可以逐漸掌握科學領域中其他的知識和技能[9]。這些核心問題和基本組成問題貫穿整個教學過程，并在課程實施過程中將其轉化為一系列特定情境下的學習任務以及更加具體的問題。火星教育項目的STEM課程是以真實問題為載體圍繞學科核心概念，通過開展一系列動手實踐、動腦思考的學習活動任務，促使學生在真實情境中將科學、技術、工程和數學等多學科知識和技能進行整合，即把分學科的知識按問題邏輯融合在具體的實踐活動中，從而實現跨學科重組。

3. 采用基于問題和基于項目的學習方式

火星教育項目STEM課程主要采用基于問題和項目兩種學習方式。基于問題的學習是指把學生置于復雜、有意義的問題情境中，學生合作解決真實問題，學習隱含于問題背后的學科知識，形成問題解決技能和自主學習能力[10]。基于項目的學習是為學生提供真實的情境和特定的目標，讓學生為項目負責，制定計劃，綜合運用所學的多學科知識和技能，有效利用各種資源，解決一系列相互關聯的現實問題，最終以產品或研究報告的形式結束。這兩種學習模式之間有很多共同點，并且項目包括問題，一些問題在有些時間上也會變為項目。但是基于項目的學習強調在活動過程和活動結束之后產生人工制品，這是其與基于問題的學習的最大區別 [11]。火星教育項目STEM課程的教學是由基于問題的學習逐漸轉向基于項目的學習的。例如：為6—12年級設立的火星成像學生項目（The Mars Student Imaging Project，簡稱MSIP），是一個全國性教育項目，它不僅強化了傳統學科知識的教學，還融入了21世紀技能的培養。火星成像學生項目通過一種沉浸式和變革性的方式，為學生進行科學實踐提供了現實的支持平臺，學生可以沉浸到真實的科學研究中，承擔具有挑戰性的任務，提出假設、確定研究問題、開展調查研究、收集分析數據、解決問題，并且可以與火星科學家交流、展示他們的發現，發布團隊研究結果并獲得真實的反饋。

4. 提供豐富的學習支架促進深度學習

STEM教育強調協作探究式的學習方式，注重復雜性學習過程中深度學習的發生。根據學生學習過程中的實際需求提供相應的學習支架，有利于學生解決問題、反思學習活動，促進其對新知識的深入理解并能夠在新情境中進行知識遷移。通過分析可以發現，該STEM課程教學中綜合運用了多種類型的學習支架。在課堂教學參與環節，教師通過提出問題、展示圖片和視頻等多媒體素材的形式為學生提供情境型支架，幫助學生引發思考、促進新舊知識的碰撞，快速進入學習狀態。在探究環節，教師為學生自主協作學習提供策略型支架和資源型支架，有利于學生協作交流確定學習目標、建立學習任務，利用所獲得的詳細知識和操作技能來設計問題解決方案并進行操作驗證。在解釋環節，主要提供交流型支架來促進師生以及學生之間的信息交流和共享，加深學生對新概念的理解，修改已有的錯誤觀念，發展學生的批判性思維。在遷移環節，教師提供交流型支架引導學生利用所學知識和技能進行協作交流來完成新的活動任務以增強學生對所學知識的理解和運用，拓展概念和技能，培養學生使用新知識解決新情境、新問題的能力。在評價環節，提供評價型支架來評估學生學習成果，引導學生在學習過程中對自己所掌握的知識和技能進行反思和改進。例如：教師提供包含開放性問題的反思表、前概念調查表和后概念調查表來對比學生的概念認知轉變，了解學生對知識和技能的掌握程度。

5. 將STEM素養培養目標落實到具體教學活動中

STEM教育的核心目標是培養具備STEM素養的、能夠適應未來社會創新工作的人才，但是如何在STEM課程教學中將STEM素養的培養落到實處是困擾國內STEM教育實踐者的難題。美國州長協會將STEM素養界定為個體在科學、技術、工程和數學領域以及相關交叉領域中運用個人關于現實世界運行方式的知識的能力，是科學素養、技術素養、工程素養和數學素養的綜合[12]。據此，可以將STEM素養的結構在縱向上劃分為以下兩個層次：下層是STEM各相關學科知識、技能和態度的綜合，上層是基于STEM具體學科知識、技能和態度基礎之上的學科核心素養或21世紀技能。整合型STEM課程教學不但要實現STEM學科知識與技能的掌握，還要促進學生學科核心素養和21世紀技能的發展。火星教育項目STEM課程巧妙地將STEM素養培養目標落實到了具體的教學活動中，將科學概念的學習嵌入問題解決或項目設計實踐工程中，將學科核心素養整合到科學探索和技術設計的實踐活動中，將21世紀技能的發展滲透在教學過程的每次思考、討論等活動中。結合前面對課程教學活動設計的介紹，可以通過對不同環節教學活動的設計意圖以及各教學環節涉及的部分STEM學科知識和核心素養的分析，更深入地了解這一特點，見表2。

（二）火星教育項目STEM課程的開發策略分析

課程開發策略是在課程開發過程中為保證課程開發質量而采取的關鍵措施。通過對課程結構及教學活動設計的細致分析，可以發現該課程主要的開發策略包括：高校與社會科研結構合作開發、學習成果與國家課程標準和21世紀技能相對應、基于安德森教育目標分類學確定教學目標、課程教學活動設計方案翔實可操作、整合多種真實科研資源支持課程實施等。

1. 高校與社會科研機構合作開發

火星教育項目STEM課程是亞利桑那州立大學與美國宇航局噴氣推進實驗室合作開發的，旨在為教育工作者、學生和公眾提供參與到先進的STEM專業發展培訓中的機會。高校與社會科研機構的支持與合作，使得STEM課程的開發與實施有了堅實的保障。一是，社會科研機構可以為STEM教育開展提供模擬實驗室、相關科研設備、最新的科研成果等豐富的教學資源，學生可體驗從設計到開發應用的全過程，在真實的實驗環境中參與科學實踐。二是，高校與社會科研機構通過開展STEM教育相關的學術研討會、科學家主題演講會、專業發展研討會以及成立STEM課程教育項目等方式，將科學家、高校教師與K-12年級的教師和學生聯系起來。同時，高校教育團隊通過虛擬辦公時間向K-12年級的教師提供STEM課程內容的在線培訓，培養教師把火星教育融入STEM課堂教學的能力。

2. 學習成果與國家課程標準和21世紀技能相對應

火星教育項目的STEM課程是依據《共同核心標準》《國家科學教育標準》《下一代科學標準》《21世紀技能框架》開發的，并且四個領域下的每一門課程在不同年級或階段都有一個總體性的教學目標和系列具體、可操作、可衡量的學習成果來幫助教學目標的達成。總體教學目標是基于上述課程標準和21世紀技能確定的，這些標準提供了學生在各年級、各階段的不同能力要求和表現期望，并以具體的學習成果體現出來，因此，學習成果與相關課程標準和21世紀技能是相對應的，具體教學活動的設計也是在這些課程標準和技能的指導下進行的，并且多個標準和技能之間存在相互重疊交叉的部分。例如：在“地球、月球和火星模型”這門課中，其學習成果（LO1c）“使用模型來預測周長和距離”既涉及《下一代科學標準》，又涉及《共同核心標準》;學習成果（LO1a）“比較地球、月球和火星的相對大小和距離”;學習成果（LO1b）“使用標準（1st-4th）或非標準（K）的測量來交流相對大小和距離”以及學習成果（LO1d）“解釋科學過程（比例、模型的使用）”就涉及《下一代科學標準》《共同核心標準》《21世紀技能框架》三個標準的內容要求，如圖1所示。

21世紀技能連接圖[13]

將每門課程的學習成果與國家課程標準和21世紀技能相對應，不但可以有效保證課程開發過程中教育目標的落實，還為教學效果評價提供了有效參考。該STEM課程依據《下一代科學標準》《共同核心標準》《21世紀技能框架》開發評價量規，根據學生學習過程中的不同活動表現綜合評價學生達到預期學習結果的程度，考察學生的學習理解遷移能力以及STEM素養。

3. 基于安德森教育目標分類學確定教學目標

火星教育項目的STEM課程利用安德森和克拉斯沃爾（Anderson&Krathwohl）的分類法作為四個領域中系列課程在不同階段、不同年級教學目標和學習成果制定的理論依據，以確保教學目標和學習成果與學生應獲得的知識和認知過程水平相匹配。該分類法從認知過程和知識兩個維度出發，提供了一個框架來幫助組織協調教學目標、教學活動和教學評估，允許教育工作者將教學目標和對學習成果的評估與框架中的適當水平保持一致，使得教學目標更加明確和具體化，教師可以更好地理解教學目標和學習成果的構建，有利于教師在教學過程中始終圍繞教學目標全面開展教學活動，不至于偏離方向。例如：在“地球、月球和火星模型”這門課中，教學目標（LO1）是“構建一個簡單的地球、月球、火星模型”，在認知過程維度上處于高階思維“創造”層次，在知識維度上屬于概念性知識。學習成果（LO1a）“比較地球、地球的月球和火星的相對大小和距離”，在認知過程維度上屬于“理解”層次，在知識維度上屬于概念性知識;學習成果（LO1b）“使用標準（1st-4th）或非標準（K）的測量來交流相對大小和距離”，在認知過程維度上屬于“應用”層次，在知識維度上屬于程序性知識;學習成果（LO1c） “用模型來預測”，在認知過程維度上屬于“創造”層次，在知識維度上屬于概念性知識;學習成果（LO1d）“解釋科學過程（比例、模型的使用）”，在認知過程維度上屬于“理解”層次，在知識維度上屬于元認知層次，如圖2所示。

4. 課程教學活動設計方案翔實可操作

火星教育項目STEM課程提供了K-12年級完整的教學計劃。其教學計劃對教師如何開展教學提供了詳細的活動方案及使用指南，每個教師都可以利用這些教學計劃直接開展教學，可操作性強。這就極大地降低了教師利用該課程材料進行教學的難度，可以讓更多的教師在教學實踐中了解STEM教育理念。每門STEM課程的教學計劃方案包含以下幾個部分：（1）“學生需要做什么”呈現在教學計劃的開頭，明確學習這門課程所需完成的任務。（2）NGSS核心問題、組成問題和總體教學目標。其中的NGSS問題主要是基于學科核心概念提出的。例如：圍繞定義和限制工程問題這一學科核心概念提出“什么是設計？成功解決方案的標準和約束條件是什么？”。（3）上課所需準備的材料。主要包括動手實踐的材料，來自學生指南的各種學習任務單、反思表以及教師指南提供的評價量規等。（4）這門課程需要學生理解掌握的核心概念。（5）完整的課堂教學實施步驟及時間安排，包括課前準備、課上參與、探索、解釋、遷移、評價以及拓展。各個環節都對教師和學生的行為活動提出了詳細的要求。（6）活動方案指導語。一方面指的是用于提示教師在備課環節所需打印和準備的教學材料;另一方面是教師開展課堂教學時使用什么樣的語言來創設問題情境，如何提出問題來引導學生思考，需要講解哪些知識概念，在每個教學環節分發或提供什么樣的學習支架以及教師在組織學生開展活動時列出的提示建議等。

5. 整合多種真實科研資源支持課程實施

課程資源是 STEM課程實施的重要載體[14]。NASA為火星教育項目STEM課程開發和實施提供了真實的科學研究數據、研究工具等資源，并通過恰當的方式與STEM課程整合，更能激發學生學習探究的熱情，也有利于學習成果的遠遷移。這些資源主要包括：（1）基于網絡平臺的紅色星球報告和NASA的火星探測計劃視頻資源;（2）JMARS，提供NASA收集到的所有火星軌道數據;（3）為火星學生項目設計的論壇，供學生在研究項目的持續時間內共享資源、進行連接和協作;（4）來自火星科學實驗室“好奇號”探測器的媒體資源;（5）教育機器人資源;（6）通過Twitter獲取最新的火星新聞消息;（7）教師和學生活動指導手冊、各種形式的學習支架、國家課程標準和21世紀技能圖、教學目標分類表、評價量規等。

五、對我國跨學科整合型STEM課程建設的啟發

通過前面的分析發現，火星教育項目STEM課程在教學策略和開發策略方面有很多值得我們借鑒的地方，下面結合我國STEM教育現狀及跨學科整合型STEM課程建設現狀，就我國跨學科整合型STEM課程開發提出以下建議：

（一）加強國家頂層設計以構建STEM課程建設共同體

美國在發展STEM教育的過程中充分發揮政府的引領作用，頒布了一系列STEM教育政策對其進行頂層設計，引導教育機構與其他社會組織機構協同推進STEM教育。火星教育項目STEM課程就是高校與科研機構協同創新的成果。高校可以為課程開發提供理論和技術支持，并為中小學教師提供STEM教育專業培訓;科研機構則為課程開發提供真實的探究任務情境和教學資源支持，并為課程后續實施提供實驗設備等平臺支撐。近年來，STEM教育已被納入我國教育發展戰略相關政策文件。2016年，教育部在《教育信息化“十三五”規劃》中明確提出，有條件的地區要積極探索融合信息技術的跨學科學習（STEAM教育）;2017年印發的《義務教育小學科學課程標準》倡導科學教師開展跨學科STEM教育實踐;2017年，中國教育科學研究院下設的STEM教育研究中心發布了《中國STEM教育白皮書》，并提出了“中國STEM教育2029行動計劃”;2018年，設立首批STEM教育協同創新中心，搭起STEM教育協同創新網絡。可以說，我國已經開始布局STEM教育頂層設計，并為STEM教育發展繪制了藍圖，但整體來看依然缺少富有影響力和執行剛性的國家層面的系統政策引領。因此，我國亟須加強STEM教育國家級頂層設計，以切實調動政府部門、高等學校、科研機構、高新企業、公共服務機構（科技館、圖書館、博物館、展覽館等）和中小學校參與STEM教育的積極性，打破部門之間體制機制壁壘，整合多方力量共建優勢互補、分工明確、有機聯動、權責對等的STEM教育生態系統。相應地，STEM課程開發也需要跳出傳統學校范圍內分科課程的思維局限，打造多方協同的跨學科整合型STEM課程建設共同體，充分利用社會各部門資源支持整合型STEM課程的設計、開發與實施。

（二）完善STEM課程標準體系以落實STEM素養培養

STEM教育的目標是培養學生的STEM素養，STEM課程建設要將STEM素養培養落到實處。火星教育項目STEM課程是基于《下一代科學標準》《共同核心標準》《21世紀技能框架》等相關學科標準和技能框架進行整合設計開發的，課程設計將學習成果與國家課程標準和21世紀技能相對應，并且按照安德森教育目標分類學準確描述每節課的教學目標，這樣就很好地將STEM素養培養落到了具體的教學活動中。我國長期以來采取分科螺旋式為主的課程實施模式，因此，在STEM分科課程開發及實施方面并不缺乏有效的經驗，恰恰在跨學科整合型課程開發和實施方面缺乏系統深入地探索。2016年發布的《中國學生發展核心素養》和2017年教育部印發的《義務教育小學科學課程標準》《普通高中物理課程標準》《普通高中化學課程標準》等文件，為STEM課程建設和課程實施過程中落實學科核心素養教育方面發揮了重要引領作用。但依然存在STEM教育小學階段和中學階段課程實施模式過渡不夠自然、中學階段整合型STEM課程建設實施缺乏理論支撐、全學段課程結構中對技術和工程領域關注不夠等問題。因此，亟須完善現有STEM課程標準體系、貫通小初高各學段STEM教育內容設計、推動跨學科整合型STEM課程開發實施，從而將學生STEM素養和21世紀核心素養培養落到實處。

（三）加強STEM課程開發理論研究以指導課程開發實踐

STEM課程是落實STEM教育理念的關鍵載體，開發系統化的優質跨學科整合型STEM課程是改革我國科學教育現有模式、推動STEM教育深入發展的當務之急。我國新世紀初啟動的課程改革就已經在學科教學中倡導自主、協作、探究的學習方式，并在部分學段開設了獨立的綜合性課程，近年來也積極探索機器人教育、創客教育、STEM教育等創新課程模式，在整合型課程建設方面積累了不少經驗，但依然缺乏系統性整合型課程開發經驗和跨學科整合型STEM課程建設理論研究。因此，在部分創新型課程教學中存在表面熱鬧但深度不夠的現狀，尤其是在課程實施中融入項目、探究、合作等學習方式后如何才能不降低學術標準方面缺乏成功經驗。其根本原因在于，我國在跨學科整合型STEM課程開發理論方面缺乏深入研究，課程開發與實施缺乏理論指導。因此，我國亟須加強STEM課程開發理論研究，形成操作性較強的跨學科整合型STEM開發模式以指導課程開發實踐。火星教育項目STEM課程以富有挑戰性的火星探測任務為載體，實現了STEM學科知識的有意義整合、將學習結果與國家課程標準和21世紀技能相對應、采用安德森教育目標分類學描述教學目標等做法，為我們開發整合型STEM課程提供了很好的借鑒。此外，近年來興起的多種面向復雜學習的教學系統設計模式，如自然學習設計、建構主義學習環境設計、四要素教學設計等模式也可以為整合型STEM課程設計開發提供理論支撐。

（四）開發典型課程案例以普及整合型STEM課程理念

火星教育項目STEM課程為教師提供了一整套系統完整的課程計劃、教學活動方案和教學資源，這樣美國各地的中小學教師就可以直接利用課程資源低門檻地在自己的學校實施跨學科整合型STEM教學實踐，讓更多的教師有機會接觸和了解STEM課程理念。此外，該項目還通過組織召開研討會等多種方式，為全美范圍內的STEM教育工作者提供經驗交流和專業培訓的機會，讓有深入探索愿望的教師獲得持續的專業支持。這樣，火星教育項目STEM課程就很好地將課程建設、資源開發、教學實踐和教師培訓結合起來。目前，我國STEM課程開發主要是以試點學校為單位的小規模校本課程開發，課程開發人員水平參差不齊，課程質量難以保證;大部分STEM教師缺乏系統專業的培訓，在教學實施過程中難以把握STEM教育理念精髓，課堂教學效果欠佳。因此，我國有必要組建全國范圍的跨學科整合型STEM課程開發團隊，集結優秀的STEM教師、STEM教育專家、高新企業技術人員等研發能夠起到示范引領作用的典型課程案例，為一線中小學教師提供操作性強的STEM課程計劃和教學實施方案，在典型課程案例試點推廣的過程中普及整合型STEM課程理念，將STEM課程建設、STEM教學資源開發、STEM教學實踐和STEM教師培訓有機結合起來。

（五）革新STEM課程教學模式以培養創新創業型人才

火星教育項目的STEM課程采用5E教學模式、以真實問題為載體、采取基于問題和項目的學習方式、注重學生活動參與和經驗獲得，在整個教學過程中學生可以像科學家和工程師一樣思考和解決問題;各種教學活動的設計注重學生的前科學概念或已有經驗作用，并通過一系列的自主探究活動讓學生主動建構新知識和技能，促進深度學習發生和學習結果有效遷移。我國開展跨學科整合型STEM課程教學需要對原有的課程教學模式進行深入變革。首先，要轉變以教師講授為主的傳輸型課堂教學模式，突出學生的主體地位，強調學生的合作探究和協作知識建構;其次，要大力探索基于復雜真實問題和21世紀主題的整合型STEM課程建設，把科學、技術、工程和數學等多學科知識充分融入課程教學中;最后，要跳出學校教育和課程實施局限，逐漸形成中小學校、科研機構、高等學校、高新企業、公共服務機構和其他社會力量協同教育教學的STEM教育生態系統，創新學校STEM教育模式和人們接受STEM教育的方式，將學生創新能力培養和創業精神培育融入日常教學活動中，加快創新創業型人才培養，助力我國創新型國家建設總戰略。

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