理科師范生STEM素養(yǎng)發(fā)展的實(shí)證研究

黃 曉, 駱康康, 包程程

(1.浙江師范大學(xué)教育學(xué)院，浙江金華 321004； 2. 上海齊齊哈爾路第一小學(xué)，上海 200082)

STEM(科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué))教育作為培養(yǎng)創(chuàng)新能力的新興途徑[1]，近年來成為政府、學(xué)者、機(jī)構(gòu)等共同關(guān)注的話題。STEM教育得以凸顯，STEM素養(yǎng)、STEM教師能力等得以關(guān)注，也表現(xiàn)在中國《STEM教師能力等級標(biāo)準(zhǔn)(試行)》等的出臺。從國際STEM教育的相關(guān)研究看，呈現(xiàn)研究內(nèi)容逐漸從意義建構(gòu)走向課程實(shí)踐的探索以及STEM教師的培養(yǎng)[2]。針對STEM教師培養(yǎng)，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)教師的學(xué)科背景、性別會對教師的STEM態(tài)度、學(xué)生STEM學(xué)習(xí)產(chǎn)生影響[3]。理科師范生作為未來STEM教師的主要力量，STEM素養(yǎng)現(xiàn)狀如何？在專業(yè)、性別、年級方面是否存在差異？需要立足于理科師范生的STEM素養(yǎng)現(xiàn)實(shí)，探索存在的問題、成因，結(jié)合當(dāng)前理科師范教育的課程與教學(xué)提出提升路徑。

一、研究設(shè)計(jì)

(一)研究工具的編制

調(diào)研主要采用問卷與訪談法。論文對STEM素養(yǎng)采用Alan Zollman的理解，即STEM素養(yǎng)是基于科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)整合之上的素養(yǎng)[4]。一名具備STEM素養(yǎng)的教師應(yīng)同時具備：理解STEM學(xué)科概念，綜合運(yùn)用四門學(xué)科解決生活問題的能力并有積極的STEM態(tài)度。學(xué)科概念理解包括科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)學(xué)科概念理解四個指標(biāo)SK(Scientific Knowledge)、TK(Technological Knowledge)、EK(Engineering Knowledge)、MK(Mathematical Knowledge)；綜合運(yùn)用四門學(xué)科解決問題能力PSA(Problem-Solving-Ability)具體為綜合運(yùn)用科學(xué)探究、技術(shù)運(yùn)用、工程設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)建模等解決社會生活問題；STEM態(tài)度包括STEM對個人與社會影響的認(rèn)識(AE)、STEM職業(yè)的興趣(CI)、STEM學(xué)科之間關(guān)系(ATC)三個指標(biāo)。

問卷包括STEM學(xué)科概念理解、問題解決能力、STEM態(tài)度三個維度，題型分為選擇題與開放題。選擇題共61題，采用李克特量表，即每題從“贊同-5”到“不贊同-1”的五級積分法，分?jǐn)?shù)越高，對該題認(rèn)同度越高，主要考察學(xué)科概念理解與STEM態(tài)度，如“工程類知識在生活中并不實(shí)用”等，信度α系數(shù)為0.931(如表1)，說明信度較高；開放題以工程和技術(shù)內(nèi)容為主題，主要考察理科師范生綜合問題解決的能力，采用0-2計(jì)分制。若考察要點(diǎn)與原因闡述均正確，得2分；只答出考察要點(diǎn)，給1分。如在橋梁設(shè)計(jì)時對橋墩填埋深度選擇所需考慮的因素中，回答“橋梁重量、水流大小、土質(zhì)結(jié)構(gòu)等”涉及考察要點(diǎn)，但未進(jìn)一步闡述原因，記1分。訪談提綱編制是基于STEM素養(yǎng)問卷，內(nèi)容涉及工程設(shè)計(jì)、技術(shù)應(yīng)用、問題解決能力、對STEM教育的認(rèn)識、態(tài)度以及所學(xué)課程對認(rèn)識STEM作用等，試圖更準(zhǔn)確獲得理科師范生的理解及可能原因。

表1 總量表信度

(二)研究對象

調(diào)研對象選擇了浙江高師院校理科師范生，專業(yè)涉及綜合科學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)(以下簡稱“計(jì)師”)，共1221人，去除無效問卷，有效問卷1099份。調(diào)研對象專業(yè)、性別及年級分布情況見圖1，各專業(yè)學(xué)生平均學(xué)分績點(diǎn)(知識水平評價)所分布的比例相當(dāng)。訪談對象從各專業(yè)不同平均學(xué)分績點(diǎn)分布中隨機(jī)選擇了72位同學(xué)，主要采取面對面訪談。

圖1 調(diào)研對象分布情況

二、理科師范生STEM素養(yǎng)存在的問題

掌握STEM相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識與原理是STEM教師開展教學(xué)活動的前提，綜合問題解決能力則為STEM素養(yǎng)的核心表現(xiàn)，STEM態(tài)度是STEM素養(yǎng)提升的關(guān)鍵。通過調(diào)研、訪談，發(fā)現(xiàn)理科師范生學(xué)科概念理解尚存在偏差，綜合問題解決能力亟待提升，STEM態(tài)度與職業(yè)理想還需涵養(yǎng)。

(一)學(xué)科概念理解存在偏差

表2 理科師范生STEM素養(yǎng)差異分析

注：數(shù)學(xué)專業(yè)歸為數(shù)學(xué)類，剩余為科學(xué)類；大一與大二歸為低年級組，剩余為高年級組；*表示p<0.05,**表示p<0.01。

圖2 學(xué)科概念理解專業(yè)差異情況

圖3 學(xué)科概念理解年級差異情況

專業(yè)對學(xué)科概念理解的影響進(jìn)一步從訪談中凸顯，“專業(yè)限制、學(xué)科特性”等成為聚焦點(diǎn)，如“自身專業(yè)屬于科學(xué)，應(yīng)該對科學(xué)有信心”、“工程、技術(shù)更需要開展實(shí)踐，需要動手，我可能還缺乏這些能力”、“我覺得數(shù)學(xué)跟科學(xué)比較有信心。因?yàn)榧夹g(shù)跟工程接觸的確實(shí)不太多”。可見，盡管理科師范生已基本掌握各學(xué)科基礎(chǔ)知識與原理，但由于專業(yè)課程內(nèi)容、設(shè)置等因素致使學(xué)科概念理解“瘸腳”情況的存在，促進(jìn)各專業(yè)、性別、年級的理科師范生學(xué)科概念理解亟需關(guān)注。

(二)綜合問題解決能力亟待提升

綜合問題解決能力作為當(dāng)下社會競爭所必須擁有的技能[5]，是指進(jìn)行認(rèn)知加工理解和解決問題的能力[6]，包含了“面對問題的意識”，“處理問題的方法策略”和“問題解決的好壞”[7]，表現(xiàn)為綜合運(yùn)用科學(xué)探究、技術(shù)應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)建模解決復(fù)雜的社會問題。在日益復(fù)雜的社會環(huán)境下，人們常需面對各式各樣的復(fù)雜問題，理科師范生是否已經(jīng)做好準(zhǔn)備？在針對“如何才能整合多門學(xué)科進(jìn)行教學(xué)”的訪談中，多數(shù)師范生提到“首先主要需要能夠?qū)⑺拈T學(xué)科進(jìn)行整合”、“需要尋找四門學(xué)科的共同點(diǎn)，把它理順”，反映多數(shù)理科師范生已有綜合運(yùn)用學(xué)科知識解決問題的意識。

開放式的問題調(diào)研與訪談的定性分析呈現(xiàn)了理科師范生問題解決策略的缺失，多數(shù)師范生難以獲得解決問題的信息及方法，如針對“如何理解工程設(shè)計(jì)與制作”師范生回答“感覺好像有一張圖紙一樣，在你的實(shí)施工程之前，需要有個對他的初步的構(gòu)畫，以及它的構(gòu)造，材料之類的。”盡管多數(shù)理科師范生具備綜合運(yùn)用知識的意識，但處理問題的策略與結(jié)果有待提升，綜合問題解決能力依舊薄弱。

圖4 綜合運(yùn)用學(xué)科知識解決問題能力專業(yè)差異情況

此外，STEM素養(yǎng)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)理科師范生的問題解決能力(PSA)與學(xué)科概念理解(SK、TK、EK、MK)各指標(biāo)均存在正相關(guān)(p<0.01)，學(xué)科概念的缺失會對問題解決能力產(chǎn)生影響。問題解決能力與STEM態(tài)度各指標(biāo)間也存在非常顯著的相關(guān)性，具體見表3。如何針對性地提升理科師范生對問題解決策略的掌握、學(xué)科概念的認(rèn)識及STEM態(tài)度來培養(yǎng)問題解決能力成為難題。

表3 理科師范生STEM素養(yǎng)相關(guān)性分析

(三)STEM態(tài)度與職業(yè)理想需要涵養(yǎng)

STEM態(tài)度是STEM素養(yǎng)提升的關(guān)鍵，反映了未來從事STEM教育行業(yè)的理想，也影響著STEM教學(xué)的質(zhì)量。關(guān)于理科師范生的STEM態(tài)度，涉及STEM學(xué)科之間關(guān)系、STEM個人與社會影響的認(rèn)識及STEM職業(yè)的興趣三方面。從表2調(diào)研數(shù)據(jù)分析看，理科師范生STEM態(tài)度得分4.04，處中等偏上水平。

表4 理科師范生STEM態(tài)度性別差異

圖5 STEM態(tài)度性別差異情況

圖6 STEM職業(yè)興趣性別差異情況

三、走向綜合、開放、多元的理科師范生STEM素養(yǎng)發(fā)展

STEM素養(yǎng)的不同維度分析，多視角呈現(xiàn)了理科師范生STEM素養(yǎng)存在的問題，STEM學(xué)科概念理解、問題解決能力及STEM態(tài)度具有較強(qiáng)的相關(guān)性，是一個相互制約、促進(jìn)的整體。需要對研究中呈現(xiàn)的問題進(jìn)行歸因分析，進(jìn)而提出對策。

(一)注重教師教育課程的綜合性，加強(qiáng)學(xué)科交叉理解

學(xué)科概念理解存在的偏差源于各專業(yè)課程內(nèi)容突顯自身特色，而缺乏對學(xué)科課程群的結(jié)合與關(guān)聯(lián)性考慮。師范生在學(xué)習(xí)專業(yè)課程時，若課程本身或課程類型涉及較多學(xué)科領(lǐng)域知識，授課教師能夠較好進(jìn)行跨學(xué)科教學(xué)，對其學(xué)科概念理解與綜合解決問題的能力具有較大幫助。如大一跨“專業(yè)”的部分通識課程及大類平臺課程，部分解釋了大一學(xué)生學(xué)科概念理解表現(xiàn)為“U”型的一高端可能歸因。不同專業(yè)的課程對學(xué)科間聯(lián)系的關(guān)注是不同的——物理專業(yè)不僅要學(xué)習(xí)科學(xué)類知識，相對化學(xué)、生物等專業(yè)有更多接觸工程技術(shù)方面知識的機(jī)會。數(shù)學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，與各學(xué)科間聯(lián)系緊密，課程內(nèi)容涉及范圍較廣。相比，化學(xué)和計(jì)師專業(yè)課程內(nèi)容突顯專業(yè)特色，缺少學(xué)科交叉內(nèi)容，限制其對其它學(xué)科概念的理解從而影響了對學(xué)科間關(guān)系的認(rèn)識(如表3、圖2)。這也表現(xiàn)在訪談問題“以前學(xué)習(xí)的課程哪些對解決這些問題有幫助？對哪些知識與素養(yǎng)比較自信？”的回答中，多數(shù)師范生認(rèn)為自身專業(yè)所開設(shè)的課程是有幫助的，但專業(yè)外的課程除數(shù)學(xué)課程外少有涉及。

物理Phys106：高數(shù)肯定有，還有力學(xué)。我覺得工程方面可能與電磁學(xué)熱學(xué)有關(guān)的不是很多。

計(jì)師PC123：因?yàn)樽陨韺I(yè)的緣故，會對數(shù)學(xué)與技術(shù)比較有信心。

生物Bio114：大學(xué)里感覺基本沒有，因?yàn)槲覀儗W(xué)生物的，物理好像基本沒什么接觸。

生活實(shí)踐是學(xué)生理解、運(yùn)用學(xué)科知識的橋梁，也是學(xué)科交叉的原始生態(tài)。由于專業(yè)課程價值觀念的偏差，師范教育課程內(nèi)容陳舊且忽視與生活實(shí)際的聯(lián)系[8]。工程與技術(shù)內(nèi)容盡管與社會生產(chǎn)息息相關(guān)，但在基礎(chǔ)教育階段長期不被重視，數(shù)學(xué)課程過于強(qiáng)調(diào)包含證明推理、定義等的邏輯體系[9]，使得理科師范生對學(xué)科概念的理解效果不佳。盡管高等數(shù)學(xué)是每個理工科專業(yè)必修的通識課，由于教學(xué)中重在定義、證明、推理等，學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)科概念理解亟待提高，如訪談中學(xué)生認(rèn)為“數(shù)學(xué)大多都是理論知識，應(yīng)該加強(qiáng)實(shí)踐方面”。大四年級關(guān)注思想、方法與學(xué)科史的專業(yè)拓展課程(如學(xué)科史、工程與技術(shù)等)與實(shí)踐教學(xué)課程(如學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教師教育實(shí)踐)是對實(shí)踐、綜合應(yīng)用的關(guān)注，部分詮釋了大四學(xué)生學(xué)科概念理解處于“U”型的另一高端的可能歸因。

跨學(xué)科培養(yǎng)是STEM教師培養(yǎng)區(qū)分于傳統(tǒng)教師培養(yǎng)的關(guān)鍵，國內(nèi)當(dāng)下以分科培養(yǎng)模式[10]為主的STEM專業(yè)教師培養(yǎng)模式中，學(xué)科關(guān)系存在的困境勢必阻礙理科師范生STEM素養(yǎng)的發(fā)展，對STEM教師的培養(yǎng)質(zhì)量產(chǎn)生影響。為解決上述問題，需要在呈現(xiàn)各專業(yè)獨(dú)特優(yōu)勢基礎(chǔ)上，注重考慮教師教育課程的綜合性，加強(qiáng)學(xué)科交叉理解。首先，需要調(diào)整必修課程內(nèi)容領(lǐng)域，拓寬理科師范生的專業(yè)基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)、技術(shù)知識的重要性并加強(qiáng)與社會生活、技術(shù)發(fā)展的聯(lián)系激發(fā)學(xué)習(xí)熱情；其次，改變課程內(nèi)容的理論傾向，將教育理論與學(xué)科知識有機(jī)結(jié)合，學(xué)科邏輯與生活經(jīng)驗(yàn)深層次整合。此外，還需促進(jìn)教師教育課程的關(guān)聯(lián)性與綜合性，融入學(xué)科交叉內(nèi)容。這也可以反映在師范生對訪談問題“STEM教育的理解”的回答中(如表5)，高達(dá)87.5%的理科師范生不知道STEM教育的內(nèi)涵或未曾了解過STEM教育，僅少部分認(rèn)識到STEM教育是四門學(xué)科的整合，這對高師院校教師教育課程多元化提出了要求。高校迫切需要豐富選修形式，增設(shè)促進(jìn)綜合思維培養(yǎng)的STEM相關(guān)課程，為有意愿、有興趣了解或從事STEM教育的職前教師提供機(jī)會，實(shí)現(xiàn)課程對象與內(nèi)容的綜合化。在課程實(shí)施方面，還可開設(shè)STEM教育研討工作坊、STEM教育相關(guān)教學(xué)競賽等活動，為師范生創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目式教學(xué)，基于問題解決的教學(xué)，以理解與踐行STEM教學(xué)新范式。

表5 STEM素養(yǎng)理解及對大學(xué)課程的建議

(二)創(chuàng)設(shè)開放的問題解決課堂環(huán)境，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方法的多元

綜合解決問題能力薄弱，不僅與各學(xué)科課程內(nèi)容是否體現(xiàn)綜合性的特征相關(guān)，還歸因于教學(xué)活動開展過程中，高校教師將重心放在教學(xué)內(nèi)容上而對教學(xué)方法缺乏關(guān)注，習(xí)慣于采用傳統(tǒng)的“講授法”[11]，致使師范生在面對真實(shí)問題過程中難以明確問題并制定合適的解決方案。STEM教育理念的踐行與STEM課程實(shí)施，凸顯了基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，問題解決學(xué)習(xí)中對科學(xué)探究、技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)建模的關(guān)注。然而，高校教師傾向于按照學(xué)科邏輯而不是基于未來社會對師范生的素養(yǎng)要求選擇教學(xué)方法，開展教學(xué)活動。單一的講授法阻礙學(xué)生對學(xué)科間交叉關(guān)系的關(guān)注，限制了對學(xué)科間聯(lián)系的發(fā)現(xiàn)與綜合運(yùn)用，這也明顯反映于師范生的訪談中：

數(shù)學(xué)Math126：教了我這些知識之后，它最后的影響就只僅僅是紙上，沒辦法和生活建立起一種正常的聯(lián)系，是腦子中過一遍……然后就是聽老師講，真正的理解還不夠。

技師Tec111：老師常常幾節(jié)課連在一起講授，PPT常常直接點(diǎn)一點(diǎn)過去，缺少思考的時間……

生物Bio231：不能說只是在書本或者PPT照搬照讀，而是要讓學(xué)生能夠體會到它與生活之間的關(guān)系......教師對教學(xué)方法的研究也需要更加的深入。

物理15218：現(xiàn)在的課程我感覺理論的知識學(xué)的太多，可以多關(guān)注一些實(shí)踐與應(yīng)用。

作為STEM教師專業(yè)素養(yǎng)提升的主要場所，高等師范院校須緊跟時代發(fā)展步伐，充分認(rèn)識提升教師STEM素養(yǎng)的重要性，改革師范教育課堂環(huán)境。為提升師范生綜合問題解決能力，需要針對不同的學(xué)科內(nèi)容通過基于項(xiàng)目/問題學(xué)習(xí)方式開展探究活動[12]，關(guān)注問題解決的多元教學(xué)方法，營造開放的多元主體問題解決課堂學(xué)習(xí)環(huán)境，為師生的交流合作、互相學(xué)習(xí)提供契機(jī)，通過發(fā)揮各自優(yōu)勢形成內(nèi)部的“生態(tài)系統(tǒng)”，不僅能夠獲得學(xué)科知識以緩解理科師范生學(xué)科概念理解在年級上出現(xiàn)的“U形”困境，更有助于在真實(shí)的問題解決過程中提升綜合運(yùn)用知識解決問題的能力，突破STEM教師培養(yǎng)教學(xué)的困境。創(chuàng)設(shè)開放的問題解決課堂環(huán)境不僅是教學(xué)所需，更是師范生STEM素養(yǎng)發(fā)展之需。此外，提升高校教師融合STEM理念進(jìn)行教學(xué)的能力也是十分必要的，通過組建多學(xué)科背景的教師協(xié)作團(tuán)隊(duì)，關(guān)注學(xué)科融合，加強(qiáng)生師互動，將課程內(nèi)容與教學(xué)方法改革落實(shí)到高等教育領(lǐng)域。基于“互聯(lián)網(wǎng)+”融技術(shù)于課堂，運(yùn)用混合式教學(xué)等多樣的教學(xué)模式以創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情景來激發(fā)學(xué)習(xí)主體的自主性，保障課堂環(huán)境的開放性。

(三)引領(lǐng)多元化的職業(yè)理想與定位，涵養(yǎng)師范生STEM態(tài)度

理科師范生STEM態(tài)度(特別是STEM職業(yè)興趣方面)不濃厚關(guān)鍵在于師范生專業(yè)定位過于單一。由于我國目前師范專業(yè)設(shè)置常與中學(xué)學(xué)科對應(yīng)，即以中學(xué)所需學(xué)科為基礎(chǔ)，注重培養(yǎng)中學(xué)所需學(xué)科教師。師范生往往也將自身專業(yè)定位為未來教師，不僅導(dǎo)致對自身專業(yè)外的相關(guān)學(xué)科缺乏關(guān)注，也限制其對自身職業(yè)的多元視角理解。這與STEM教育的跨學(xué)科性、綜合性需求脫節(jié)，限制了師范生多元職業(yè)興趣。引領(lǐng)多元化的職業(yè)理想與定位，還需關(guān)注性別差異。男性相比女性在STEM領(lǐng)域往往具有更高的歸屬感，這與他們的人際關(guān)系、自我效能感、興趣等因素相關(guān)。女生的知識記憶能力優(yōu)于男生[13][14]，往往會在知識理解上表現(xiàn)更好，有助于學(xué)科間關(guān)系的認(rèn)識。這表現(xiàn)于“綜合運(yùn)用多學(xué)科知識的能力受哪方面因素的影響？”的訪談問題回答中：

數(shù)學(xué)Math209：我覺得科學(xué)和數(shù)學(xué)方面會比較適合女孩子，相對來說，技術(shù)和工程比較適合男孩子。

計(jì)師Tec111：女生在知識掌握情況往往比男生扎實(shí)，但是在動手能力方面，男生會更加熟練。

生科Bio204：其實(shí)我覺得技術(shù)工程和數(shù)學(xué)我都不行。我覺得我操作能力不好，所以我覺得技術(shù)、工程這一方面不好。我相信其實(shí)很多女生作為以后去當(dāng)理科老師，這幾個方面應(yīng)該都不太行。

基于STEM教育的綜合性、開放性，師范生STEM態(tài)度的涵養(yǎng)需要積極推動高校內(nèi)部的有機(jī)協(xié)調(diào)與合作，通過多學(xué)科視角滲透多元化、開放化的職業(yè)理想導(dǎo)向。還有賴于高校與政府、企業(yè)、中小學(xué)及社會機(jī)構(gòu)的協(xié)同，豐富STEM教師的培養(yǎng)途徑[15]與監(jiān)督保障機(jī)制，積極發(fā)揮STEM崗位實(shí)踐對理科師范生實(shí)踐能力及教育事業(yè)責(zé)任感培養(yǎng)的作用，在真實(shí)的問題解決過程中認(rèn)識技術(shù)與工程的重要性及學(xué)科間的聯(lián)系，從而提高學(xué)科興趣及從事STEM職業(yè)的熱情[16]，引領(lǐng)多元化的職業(yè)理想與定位。