STEM教師知識框架構建研究

石維雪 趙可云

摘 要：STEM教師“應具備何種知識”問題的探討是STEM教師發展基本理論構建的關鍵，在應然視角下，基于教師知識研究經驗，突出STEM教師知識特點，初步形成了STEM教師知識框架。本研究借助德爾菲法進行兩輪修正后，確定STEM教師知識的最終框架，其內容包括元認知知識、文化知識、本體性知識、條件性知識與實踐性知識五類，其中本體性知識內含STEM學科知識與STEM課程知識，條件性知識內含教學法知識、評價知識、組織管理知識、學習者知識與工具資源知識，實踐性知識內含學科教學知識、情境知識、合作知識與設計知識。在此基礎上，對各知識及其關系進行了分析。

關鍵詞：STEM;教師知識框架;德爾菲法

中圖分類號：G4文獻標志碼：A文章編號：2096-0069（2022）01-0001-08

建設一支能夠勝任和引領STEM教學工作的教師團隊是STEM教育發展的重要一環。知識是STEM教師由課程實踐者轉變為課程開發者和設計者的基本要素。STEM教師知識框架的確定能夠有效比較STEM教師原有的知識及其發展目標，有助于完善相關專業師范生培養與STEM教師培訓的理論基礎，是STEM教育領域需要進一步探索的話題。

一、 STEM教師知識框架初步構建

（一）教師知識構成分析

20世紀80年代，有學者首先對教師知識構成要素進行了闡述，將其劃分為學科知識、課程知識、教學知識、教學環境知識與教師自身知識[1] 。之后，在一些學者的大力推動之下，教師知識構成要素逐漸細化，向個體化、專門化的方向發展，雖未形成統一的認識，但經過文獻總結，發現大多數學者均闡述了學科知識、學科教學知識、教學法知識、課程知識、情境知識、評價知識、組織與管理知識、學習者知識或相似意義的知識要素，因此將這八種知識作為教師必備的一般知識要素。

教師知識的分類一般從知識功能出發，結合知識的基本特質進行闡述，教師知識分類使得教師知識本身的交互作用體現出來，促進體系化、形成性研究。衷克定等人從本體性知識、條件性知識和實踐性知識三個方面進行解釋。辛濤等人在三分類的基礎上增加了文化知識，體現教師的文化素養[2]。研究以辛濤等人對教師知識的分類為基礎，分析知識要素功能性質，形成教師知識構成的一般框架，如圖1所示。

（二）STEM教師知識特征分析

1.STEM教育的調節性決定了教師知識的反思性

在STEM項目的情境化、問題的非命題性等因素的影響下，STEM教師對STEM教育實施過程的調節作用更為重要。首先，教師根據學生實時學習情況來調節引導方式，降低知識的復雜度或突出關鍵特征來促進學生理解。其次，教師通過形成性評價，認識學習過程與所設計的認知過程之間的差異，及時進行調整。再次，教師根據學生成果展示，思考教學過程、項目設計的不足，進行調整。因此STEM教育調節的過程也是教師的反思與行動過程，需要具備充足的反思性知識。最后，教師應采取提示、合作討論等方式引導學生反思，使學生認識到自身的學習策略、行動需要，進而使思維變得可見，幫助學生進行調整。

2.STEM教育的協作性決定教師知識的合作性

STEM課程設計往往由教師合作完成，在STEM學習活動中，學習者也以協同的形式進行知識的意義建構，彼此幫助、互相啟發。STEM教育評價也包含小組間的相互評價。因此，STEM教育具有協作性，需要以教師的合作性知識為支撐。合作性知識不僅體現在教師之間、教師與其他相關群體的交流協作上，還體現在教師對學生合作的指導中。

3.STEM項目過程的工程性決定了STEM知識的設計性

在STEM教育中，工程學科與學生的學習過程密切相關，學生利用工程設計或工程相關的概念生成學習結果或推進學習進程。工程設計是工程的核心，幫助學生理解項目成果為何設計、怎樣設計。因此，STEM知識組織及其內在邏輯應符合工程過程，具有設計性，STEM教師應該以充分的時間、資源、空間為學生進行工程設計提供合理環境，同時幫助學生進行知識的有意義組織，以符合設計序列。

（三）STEM教師知識框架初步分析

STEM教育屬性下STEM知識及STEM教師知識具有特殊性，需要擴充新的知識要素，以構成完整的STEM教師知識框架。

1.STEM教師知識新增要素分析

根據以上分析，確定合作知識、元認知知識、設計知識與工具資源知識為新增知識要素。合作知識，是教師與大學、企業、其他教師合作交流與指導學生合作交流的知識。元認知知識，是STEM教師對自身思維方式、教學行為、設計過程等反思并修正的知識，是關于指導學生反思并修正個人在學習過程中所處位置、自身知識、個人學習策略、行為導向與需求的知識。設計知識，是項目設計中問題設計、腳手架設計、評價設計等的知識。工具資源知識，是對技術和資源的理解、工具操作、資源設計與建設、利用工具資源解決問題的知識。

2.STEM教師知識初步分類

對STEM教師知識要素進行分類，本體性知識是基礎性知識，應包含STEM學科知識與STEM課程知識。條件性知識除了包含教學法知識、評價知識、組織與管理知識、學習者知識，工具資源知識也是促進知識轉化的重要因素，應包含其中。學科教學知識、情境知識、合作知識、設計知識均具有自我建構性、實踐性，包含在實踐性知識之中。此外，元認知知識是關于認知的知識，與文化知識相同，能夠對其他知識產生影響，具有指導性和總括性，借鑒先行組織者中的“上位組織者”概念，將文化知識和元認知知識歸結為上位知識。以此形成STEM教師知識初步框架，如圖2所示，該框架需要進一步修正。

二、STEM教師知識框架的校正

德爾菲法以形成可靠的研究結論為目標，通過多個輪次的意見征詢，來獲得專家對調查內容的評價與建議。本研究確定意見征詢的專家主要分為兩類：高校STEM教育研究專家及中小學STEM教師。意見征詢問題主要圍繞STEM教師知識分類及STEM教師知識要素兩個方面。問卷主要包括兩個部分：一是專家權威程度的調查;二是專家對STEM教師知識分類的認可程度及意見。其中，專家的認可程度從低到高依次賦值為1.00、2.00、3.00、4.00、5.00。

（一）專家權威程度判斷

研究共選擇10位專家進行意見征詢，其中高校STEM研究專家為7位，中小學STEM教師為3位（含1位專職STEM教師和2位兼職STEM教師）。研究通過自評的方式確定專家的權威性，主要包括專家做出判斷的依據及專家對STEM教育的熟悉程度兩個題項，專家權威性由兩個題項得分的算數平均值表示，即Cr=（Ca+Cs）/ 2。判斷依據題項采用多選的形式，選項分別為“實踐經驗”“理論分析”“同行了解”和“直覺”，賦值分別為0.5、0.3、0.1、0.1;熟悉程度題項為單選題，選項分別為“非常熟悉，形成了STEM教育研究體系”“比較熟悉，進行過專門研究”“一般，查閱過一些STEM教育文獻，但未進行過專門研究”“不熟悉，只聽說過”“非常不熟悉，完全不了解”，賦值分別為1.0、0.8、0.5、0.2、0。自評結果如表1所示。專家權威程度均值為0.765，大于0.70，每位專家的權威系數均大于0.70，處于可以接受的范圍，專家的權威程度符合德爾菲法研究的要求。

（二）第一輪校正

1.專家協調程度判斷

在德爾菲法中將專家對條目意見的一致性程度稱為專家協調程度。專家協調程度用變異系數（Cv）、肯德爾協調系數及協調系數的顯著性進行判斷。STEM教師知識分類指標及知識要素指標的均值、標準差及變異系數如表2（見下頁）所示，第一輪意見征詢變異系數均小于0.250，說明專家協調程度的基礎較好，保證了研究的可靠性。Kendall W α、卡方值、自由度分別是0.189、30.227、16，當α為0.05、自由度為16時卡方臨界值為26.296，小于統計數據，說明協調系數較小，但結果可取，專家一致性程度達到一定水平，但仍需提高。整體而言，第一輪意見征詢專家意見具有一定的協調性，但協調程度不高。此外，在專家對STEM教師知識分類及STEM教師知識要素的認可程度上，除上位知識外，其他類別知識得分均高于4.00，知識要素得分均高于4.00，說明構建的STEM教師知識框架比較合理。

2.專家意見分析

第一輪專家意見征詢中意見可概括為兩個方面：第一，上位知識分類的合理性及依據;第二，知識分類及知識要素描述的規范性。專家對上位知識提出了質疑，首先，指出上位知識的來源與表述不夠清晰，“上位組織者”的概念與知識本身存在較大差別。其次，專家指出元認知知識和文化知識作為一類的標準比較模糊，元認知知識是STEM教師對認知的認知，主要作用于認知調節和教學調節，而文化知識是STEM教師自身修養的重要體現。對于知識分類及知識要素描述的規范性，專家主要對條件性知識、實踐性知識類別界限提出了質疑，這與調查問卷中內涵解釋模糊有很大關系。根據專家意見，須對元認知知識和文化知識重新劃分，通過教師建議及文獻查閱，將STEM教師元認知知識和STEM教師文化知識單獨進行分類，還針對教師知識分類重新整理分析了相關文獻，認為其他知識分類是合理的，因此將STEM教師知識劃分為五類。最后，清晰化STEM教師知識分類及要素的內涵。根據以上STEM教師知識框架的校正結果編制調查問卷，進行第二輪STEM教師知識框架專家意見征詢。

（三）第二輪校正

1.專家協調程度分析

經過第一輪校正后的分類指標及知識要素指標的均值、標準差及變異系數如表3所示，第二輪專家意見征詢變異系數均小于0.250，且對于實踐性知識類別的變異系數達到0.000，專家對STEM教師知識分類的一致性明顯高于第一輪分類指標。對于元認知知識和文化知識分類，專家的認可度和一致性均高于第一輪“上位知識”分類。STEM教師知識要素指標變異系數均低于0.250，對于STEM學科知識、評價知識與情境知識的意見一致性最高。Kendall W α、卡方值、自由度分別是0.211、31.589、15，當α為0.05、自由度為15時卡方臨界值為23.685，小于統計數據。協調系數相對第一輪意見征詢有所提升，且是可信的，說明專家一致性程度達到一定水平。此外，專家對于STEM教師知識分類及STEM知識要素得分均值均高于4.50，說明修改后的STEM教師知識框架得到專家高度認可。

2.專家意見分析

第二輪專家意見征詢中七位專家未進行意見表述，其他專家提出建議包括：第一，將元認知知識和文化知識歸為教師自身發展的知識一類;第二，合作知識還應包括對于提高合作效率、合作溝通等的知識，應注意表述的完整性。針對這兩個建議，筆者在查閱文獻的基礎上提出以下結論：STEM教師元認知知識和文化知識是STEM教師知識整體的重要組成部分，相比于其他知識更具有指導性，對STEM教師知識發展更具直接意義，進行綜合具有一定價值，但這兩者還蘊含著學生認知發展的知識，因此，研究在知識框架中不予修改。對于合作知識相關表述不完整的問題，予以采納。以此確定了STEM教師知識框架，如圖3所示，并將其應用于后續研究中。

三、 STEM教師知識框架分析

（一） STEM教師知識類別及要素分析

確定STEM教師知識發展基本要素后，考慮到STEM教師知識要素意義延伸及其在不同環境下的不同表現，未進行三級指標的嚴格劃分。在當前框架下的STEM教師知識意義闡述如下。

1.STEM教師元認知知識分析

元認知知識是STEM教師元認知的基礎，具體包括個體元認知、任務元認知與策略元認知三類。個體元認知知識包含教師對STEM教育場景中自身和學習者在認知特征方面的認識;任務元認知知識是教師自身關于STEM任務信息的性質、要求及目的的知識和引導學生認識任務的知識;策略元認知知識是教師對于自身及學習者認知策略及其有效運用的知識[3]。STEM教師元認知知識作用對象包括教師自身和學習者，是STEM教師關于認知過程和認知結果認識及其影響因素的知識，是STEM教師反思、調節自身知識與教學活動，推進學生認知發展的基礎[4]。

2.STEM教師文化知識分析

文化知識之間具有區別于其他知識的同化、互斥與互動的特性，同時，文化知識對個體其他知識發展具有潛移默化的影響作用。其內容包括傳統文化知識、人文知識、經濟知識、科技知識等。具有豐富文化知識的STEM教師不僅表現為良好的文化素養和敏銳的文化感知力，還能夠將文化融合在STEM教學活動中，使其成為學生所獲得知識的重要組成部分。

3.STEM教師本體性知識分析

本體性知識是STEM教師進行教學的基礎知識，是融合所有STEM教學內容的統一體[5]。在中外研究中，本體性知識多與學科知識畫等號，表明學科知識對于STEM教師知識構成的基礎性作用。需要說明的是STEM課程知識的定位，因STEM課程不同于其他單科課程，尚缺乏嚴謹、明確的指導性文件或標準對課程目標、內容進行嚴格規定，STEM教師須深入認識、設計與實施STEM課程，STEM課程知識是其基礎。因此，STEM課程知識也是STEM教師本體性知識中的突出要素。

（1）STEM學科知識

STEM學科知識是STEM教師對實際教育情境下STEM的理解與認識。STEM教師所應具備的STEM學科知識應具有以下內涵要素：科學、技術、工程、數學知識及STEM擴展的STEAM或“STEM+”包含的知識的基本概念原理及方法;STEM核心知識的結構化、系統化知識;STEM學科發展及意義知識;等等。

（2）STEM課程知識

當前發展階段的STEM課程制度化傾向較弱，受社會科技、文化、經濟的影響較強，STEM課程知識與其他更為成熟的學科課程或系統課程知識發展階段不同，內容上存在一定差異。STEM課程知識是STEM教師具備的STEM教學科目和教學進程的知識，包括STEM課程理念、STEM課程相關文本認知、STEM教材認知、課程設計與開發的知識。

4.STEM教師條件性知識分析

條件性知識本質上是成就教師專業的知識基礎，內含教師為何教、如何教，學生為何學、怎樣學等知識。STEM教師條件性知識突出STEM教育需求，具體包括教學法知識、評價知識、組織與管理知識、學習者知識和工具資源知識。

（1）教學法知識

研究采用廣義教學法的概念，認為教學法知識是根據需求設計與實施教學活動的知識，即關于教師如何教的知識，教學策略、教學模式等知識均包含在內[6]。STEM教師所應具備的教學法知識除一般性教學法知識外，還包括促使STEM教學目標實現的、專為STEM教育服務的教學法知識，其內涵還延伸至STEM教育要求的工程教育教學法、引導法、促進教學公平的方法等。

（2）評價知識

評價不僅包括教學活動中對課堂及學生的評價，還包括對于社會環境包含的外部評價的判斷及將其運用于學生發展的知識[7]。對不同層次的STEM學習內容進行評價有助于學生實現個性化學習[8]，STEM教學活動開展的方式也要求采用多元評價，不同課程評價的指標存在一定差異，教師應掌握STEM多元評價知識、評價量表的制訂與使用的知識，并在此基礎上能夠將學習活動與社會實際產生聯系，判斷教學目標的達成情況。

（3）組織與管理知識

教育話語體系中的組織與管理一般以班級組織與管理為主體，教師組織與管理往往由領導性質的教師或專任的管理人員負責。在STEM教師團體合作、師生協同發展、學生協作的情境下，組織與管理與傳統教學存在一定程度的差別。STEM教師也常常需要與其他學科教師聯合，教師應掌握學校STEM教師組織架構，具備教師組織與管理、班級組織與管理、教學活動組織與管理的知識。

（4）學習者知識

一般而言，學習者知識是教師具備的關于學習者本質特征、學習者發展的知識，STEM教育更為重視學習者主體地位及師生互動的影響。STEM教師所應具備的學習者知識包括學習者心理知識、學習者認知規律知識、學習者個體特點知識、師生關系知識、根據學習者情況調整教學的知識。

（5）工具資源知識

STEM工具資源在學生“學”的意義上進行了延伸，既是學習手段，也是學習內容。而在STEM教育當前的發展階段，各地工具資源的建設一致性較弱，STEM教師缺乏完全意義上工具、資源研習范本。STEM教師不僅要“會用”，有時還要“會做”“會建設”。研究認為STEM教育場域下，工具資源知識是STEM教師對技術和資源的理解、工具操作、資源設計與建設、利用工具資源解決問題的知識。

5.STEM教師實踐性知識分析

STEM教師實踐性知識是STEM教師在教學實踐中形成，指向一定情境下實踐活動的、具有個體性的關于STEM教育教學的認知，既有微觀課堂情境中得以生成和應用的知識，也有宏觀教育環境映射于STEM教育中的人與人、人與物的實踐性交互中生成和應用的知識。因此，研究中所闡述的STEM教師實踐性知識除包含學科教學知識、情境知識外，還包含合作知識和設計知識。

（1）學科教學知識

學科教學知識將學科知識和學生學習活動進行了聯結，是教師將學科知識轉化為實際教學內容的知識[9]。 STEM教育場景下，跨學科是STEM教育的基本特性，跨學科整合知識是學科教學知識的核心，包括教師知道哪些學科的知識適合整合、適合教授給學生、怎樣整合等的知識，以及以此為背景的知識呈現、材料運用的知識等。

（2）情境知識

一般性教師情境知識強調教師工作的實踐性，包括對情境的基本認知及其實踐應用的相關知識[10]。STEM教師情境知識除以上內涵外，還應將STEM教育的情境性要求體現出來，是STEM教師具備的與STEM教育情境相聯系且服務于STEM教育情境的知識，包括現實環境知識運用、STEM教學環境開發、情境創設與展示、將情境作用于探究與評價的知識。

（3）合作知識

合作是多個個體通過多種組織形式完成共同目標的社會行動方式，在合作過程中個體之間能夠建立平等的互動與連接。STEM教師合作知識是STEM教師為達到教育目的，與大學、企業、其他教師進行相互配合，并指導學習者合作交流的知識。

（4）設計知識

設計知識是教師通過教學環節的層層推進及教學空間的合理化建設實現教學設想的知識，其中主要蘊含教師進行系統化教學設計解決關鍵問題并通過實踐活動優化教學的過程。此外，對于STEM教育，“工程性”不僅體現于教學內容中，也是學生進行探究的條件，要求學生解決問題的過程貼合工程設計的過程。總體而言，STEM教師設計知識是STEM教師在系統思維指導下，在教學設計與工程設計過程中形成的將教學設想通過問題、學習支架等進行表達并優化，通過學習空間促進學習者知識生成的知識。

（二） STEM教師知識關系分析

從STEM教師知識的來源出發，結合知識之間相互聯系的特性進行分析，可以進一步理解STEM教師知識及其特性，故進行以下STEM教師知識關系的闡述，如圖4所示，粗箭頭表示作用更為顯著。

首先，元認知知識促進知識調節。元認知知識是STEM教師元認知體驗、元認知監控發揮作用的基礎，元認知知識增長與提升可促進自身認知與學生認知過程的正向調節，進一步加深對知識結構、內容的了解，使得促使知識正向發展的積極因素發揮作用。其次，文化知識隱性影響其他知識。文化知識在STEM教師知識框架中具有典型的隱性知識的特征，潛移默化地影響著其他知識。文化知識的影響和調節作用相較于元認知知識更為模糊。但文化知識能在非規定路徑下與其他知識產生聯結，促進教師產生新的觀點。再次，STEM教師知識相互轉化。知識分類語境下更需關注知識的相互融合與轉化，不同類別知識及同類知識之間呈現動態轉化的作用。其中，實踐性知識和條件性知識之間的相互作用更為顯著，是經驗性知識和理論性知識的相互調節。最后，實踐是知識的重要來源。實踐是實踐性知識發展的來源，以實踐經驗積累促進實踐性知識動態發展，又在元認知知識、文化知識等的影響下得以去粗取精，向知識整體發展的方向延伸。

參考文獻

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（責任編輯 孫興麗）

Research on the Construction of STEM TeachersKnowledge Frame

SHI Weixue 1，ZHAO Keyun2

（1.Linyi No.1 Middle School，Dezhou，Shandong，China 251500;

2.School of Communication，Qufu Normal University，Rizhao，Shandong，China 276826）

Abstract： The discussion of the question “What kind of knowledge should STEM teachers have？” is the key to the construction of basic theory of STEM teachers development.This research，from the perspective of Sollen，based on the experience of teacher's knowledge study，has highlighted STEM teacher's knowledge features， and formed STEM teacher's knowledge framework fundamentally.After two rounds of modification with the assistance of Delphi method，the author has determined the final frame of STEM teacher's knowledge， the content of which includes meta-cognitive knowledge， cultural knowledge，ontology knowledge，conditional knowledge and practical knowledge，among which，ontology knowledge contains STEM discipline knowledge and STEM curriculum knowledge，conditional knowledge contains pedagogical knowledge，evaluation knowledge，organizational management knowledge，learners knowledge and tool resource knowledge，and practical knowledge contains pedagogical content knowledge，situational knowledge， cooperative knowledge and design knowledge.On such basis， the author has done an analysis of each knowledge and their relations.

Key words： STEM;teachers knowledge frame;Delphi method