基于可供性理論的STEM學習環境設計與應用研究

范福蘭 李韓婷* 黃艷琳 梅 林 江 雪 雷雪英 熊 曳

（1.中南民族大學教育學院，湖北 武漢 430074；2.湖北開放大學導學中心，湖北 武漢 430074；3.華中科技大學附屬小學，湖北 武漢 430074）

1 引言

科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Math)在研究工作中常常被捆綁在一起，STEM教育則是融合這四個學科領域內容和方法的跨學科教育方式，旨在培養全面綜合性人才。正因為順應了未來科技發展對人才的客觀要求，STEM教育迅速興起并掀起熱潮。STEM教育強調學生在真實情景中通過動手實踐解決實際問題或完成真實任務獲取相關知識技能[1]。因此需要更多以學生為中心、交互性更強的環境，便于學生更多地參與學習活動、進行實踐并及時交流反饋。然而傳統的學習環境更多以教師為中心，難以滿足STEM學習需求。在創新課程內容、改進教學方法的同時，研究者不斷嘗試應用信息技術搭建STEM學習環境。信息技術為開展STEM學習提供了有利條件，具有支持教師創設任務或問題情景、提高學生的學習參與度、營造良好的交互環境等優勢[2]。然而在信息技術融合的過程中，需要綜合考慮多個要素進行精心設計才能充分發揮技術在STEM學習中的優勢。

信息化教學以來，已有諸多教學模型輔助教師融合信息技術工具開展教學工作。如：Heinich,Molenda &Russell提出的ASSURE模型，將教學過程分為分析學習者(Analyze learners)、陳述教學目標(State objectives)、選擇媒體和材料(Select media and materials)、應用媒體和材料(Utilize media and materials)、學習者參與(Require learner participation)、評價與反饋(Evaluate and revise)等階段[3]。Mishra & Koehler提出的TPACK模型，分別從學科內容知識、教學法知識和技術知識等方面指導教師開展信息化教學活動[4]。這些模型為教師應用信息技術設計教學活動提供了有效指導。然而STEM學習將面臨更為復雜的問題和需求，傳統的信息化教學設計模型難以適用于STEM學習環境的搭建工作，因此STEM學習環境的設計面臨一定的挑戰，需要我們進一步探究。

本研究在可供性理論的指導下，融合教學法、社會交互和技術工具等元素，匹配STEM學習需求，構建STEM學習環境設計框架。通過實際案例，解析在STEM學習環境設計過程中要素細節與實施過程，同時檢驗該框架的有效性。

2 可供性理論基礎

美國知覺心理學家Gibson首次定義可供性(Affordance)，指事物或環境可提供給用戶對象的可操作屬性。例如：如果一塊地表面接近水平、堅硬并能夠充分延伸，那么它具有水平、延伸的物理屬性。地面可以支持動物或人行走或跑動，那么它對于動物或人類而言具有支撐可供性[5]。Norman延伸Affordance的定義為物體可被感知到的、實際的屬性，主要取決于事物怎樣被使用以及使用者的知識與技能。他認為同樣的物體在不同知識背景的人眼中具有不同的可供性[6]。為匹配學習任務和需求，研究者對信息技術在教育教學中的可供性進行分類。其中應用最廣的是Kirschner的PST理論模型，將信息技術工具在教育中的可供性劃分為教學法可供性(Educational/Pedagogical Affordances)、社會交互可供性(Social Affordances)、技術可供性(Technological Affordances)[7]，如圖1所示。

圖1 PST模型[7]

教學法可供性：教學法通常也被稱為教學策略或技術，是教師為了實現一定的教學目標，在教學過程中運用的方式與手段。信息技術工具的教學法可供性是指，工具在特定的教學環境中決定如何開展一個教學活動的能力。在實際教學活動中，信息技術工具能支持多種教學法的實現，如：在基于問題的教學中，教師可利用視頻或短片呈現問題情景，學生通過網絡搜索信息并利用交流工具探討問題[8,9]。社會交互可供性：社會交互可供性是指信息技術工具能支持用戶之間進行相互交流的能力，它能夠建立、支持和維護多種交互形式。一方面必須能夠支持多種形式的交流：學生之間可通過分享信息、小組合作、探討問題等形式進行交互，教師可以對學生的學習活動進行指導、管理或反饋，能支持學生與教師之間，學生與研究專家之間，教師與研究專家之間，研究專家之間的交流與合作等[10]。另外信息技術工具還需要同時支持同步和異步的交流[15]。技術可供性：信息技術工具的可供性是指它的可用性，它以網絡環境為先決條件，為設計者或管理者高效率有效工作提供技術支持。主要關注在“易學”“易用”和“美觀”上。如：一個網絡平臺的技術可供性必須實用、容易進入并且快捷方便，才能吸納更多的用戶使用它。一個較好的信息技術工具應該能夠允許用戶個性化定制自己的界面。隨著教育信息化的不斷發展，技術可供性在構建信息化學習環境中越來越重要[11]。

3 基于可供性理論的STEM學習環境設計框架

STEM學習具有跨學科、趣味性和實踐性等特征，提倡引導學生圍繞探究性主題融合多學科知識在真實的情景中解決實際問題[12]?；谡鎸崍鏊慕虒W法(Place-based Pedagogy)能提高學生STEM學習參與度和學習成效，促進STEM學習的高效開展[13]。在豐富的信息化工具資源中，多數教師或研究者傾向于選取功能強大、新潮的工具設計STEM學習環境，然而并未取得理想的學習成效。如何在STEM學習中合理選取信息技術工具仍需探究。本研究在可供性理論的指導下，提出基于可供性分析的STEM學習環境設計框架，如圖2所示。

圖2 基于可供性分析的STEM學習環境設計框架

明確STEM學習目標：STEM學習設計的首要任務，綜合學科知識內容明確學習目標，決定了STEM學習活動的總體意圖。

設計合理的STEM學習任務：基于擬定的學習目標，結合教師的教學經驗，設計合理的學習任務以完成既定的目標?；陧椖炕蚧趩栴}的學習(PBL)兩種新型學習方式的理念與STEM學習最為契合，是目前STEM教學中運用最多、最有效的教學方法[14]。本框架結合PBL學習過程，將STEM學習任務劃分為五大環節：探索立項/發現問題(Discover)、定義課題(Define)、研發項目/解決問題(Develop)、創新拓展(Innovate)、匯報評價(Evaluate)。通過各環節學習任務，引導學生圍繞一定的主題通過項目實踐或問題解決的方式建構知識與技能。

搜集可用的信息化學習工具：搜集可供STEM學習任務使用的信息技術工具。

分析STEM學習的需求：依據可供性理論分析在STEM學習活動中所需要的可供性，如：情景鋪設、案例陳述、資源需求、互動層次、小組合作等。

分析信息化學習工具在教學中的可供性：基于設計者搜集到的信息技術資源，依據PST模型分析信息技術工具在STEM學習中的可供性，同時分析工具可被拓展的可供性。根據學習需求分析和可供性分析結果，為STEM學習任務合理匹配信息化學習工具。

搭建STEM學習環境：基于前期分析結果，擬合信息化學習工具的可供性與STEM學習任務的可供性需求，選擇合適的信息化學習工具搭建STEM學習環境。

設計STEM學習活動：在搭建的STEM學習環境下設計學習活動。

4 基于可供性理論的STEM學習環境設計案例

本研究以武漢某高校教育技術學專業必修課程教學系統設計為例，依托本校在線課程學習中心、移動學習軟件等信息技術工具，搭建了主題為“設計‘制作降落傘游戲’教學活動”的STEM學習環境，并在此環境下開展學習活動。參與對象為教育技術學專業2017級26名本科生。培養學生跨學科創新學習理念及STEM教學設計實踐能力，另一方面通過實踐檢驗STEM學習環境設計框架的效果。

表1 STEM學習任務

4.1 STEM學習環境設計

明確學習目標：學生能體驗新型的學習環境并領會跨學科學習理念；學生初步掌握綜合設計STEM教學活動的能力；學生逐步打破傳統教學思維，創新教學理念與方法；學生能初步培養其自身的創新學習思維意識和實踐能力。

設計學習任務：本次學習活動采用基于項目的小組合作探究式學習方法，全班26名同學以4~6人為單位劃分為6個小組，在校園范圍內開展了本次跨學科學習活動。為達到既定的學習目標，設計的STEM學習任務如表1所示。

搜集信息化學習工具：本次教學選用智能手機為硬件設備。軟件資源為：本校在線課程學習中心“超星學習通”，該軟件是面向移動終端的融資源、課程、學習、評測、交互一體的移動學習平臺，教師可自主建立、編輯課程，實現即時共享資料、發布作業、發送通知、課堂討論、數據統計、項目學習（PBL）等多種功能，學生可創建小組、成員管理、接收信息、查看作業或任務、上傳資料等活動。同時選擇常用的社交軟件騰訊QQ作為輔助工具。

分析學習需求：學習內容較復雜，需要大量材料支撐。本次STEM學習活動內容涉及小學科學制作降落傘游戲課程內容、大學教學系統設計課程內容等，涉及工程、數學幾何、科學實驗、技術寫作等基礎知識，包括降落傘的設計、制作與試飛等活動；同時包括STEM教學理念、教學設計模式、教學設計步驟與方法、教學實踐技巧等內容，如表2所示。學習空間相對分散，需要技術貫通連接；本次STEM學習活動不局限于教室中，引導學生以小組為單位，依據主題分布在操場、圖書館、實驗樓等場所。相對分散的學習空間，需要技術工具在師生、學生之間貫通連接。學習過程需要較強的互動性，需要及時開放的交互環境；本次學習活動強調學生的協作學習，因此小組成員間需要進行及時的溝通交流共同完成學習任務，同時需要教師對學生的學習進度緊密追蹤并進行指導。本次STEM學習過程需要開放舒適、及時反饋的交互環境做支撐。

表2 STEM學習內容結構

表3 信息技術工具在STEM學習中的可供性

分析信息化學習工具可供性：依據PST可供性分析模型，分別對超星學習通、騰訊社交軟件QQ在STEM學習中的可供性進行分析，如表3所示。

搭建STEM學習環境：本研究的學習環境主要包括項目式學習任務環境、資源共享環境、實時討論環境、學習評價環境，如圖3所示。項目式學習任務環境主要應用超星學習通中的“作業”和“分組”功能進行搭建，教師建立“制作降落傘游戲”作業庫，按照項目式學習任務設置每一步活動內容，并設定該任務的完成時限。應用分組功能引導學生按照相關要求進行小組劃分，以小組為單位逐步完成學習任務。資源共享環境主要應用超星學習通中的“資料”功能和QQ中的“文件”功能進行搭建，QQ中的“文件”功能主要支持各小組實時記錄和上傳相關資料數據，整理完善后以小組為單位上傳至“資料”平臺共享。實時討論環境主要由超星學習通中的“討論”功能和QQ的“聊天”功能搭建完成，超星學習通中的“討論”部分主要由教師發起討論主題或學生發起反饋問題進行深入探討，QQ的“聊天”功能具有實時交互性，配合人員之間的討論。學習評價環境主要應用超星學習通的“作業”和“評分”功能，在任務進展和小組匯報評價過程中，小組之間進行相互評價，并提出相應的問題。

開展STEM學習活動:本課程學生以小組為單位，在校園范圍內實施了“設計制作降落傘”教學活動。

圖3 STEM學習環境

4.2 實施效果分析

學習活動結束后，教師要求學生撰寫并提交學習反思報告，報告中主要匯報學生使用此學習環境的方法及體驗感受。通過對反思報告的質性分析檢驗該學習環境的實施情況及效果。

在教學法設計上，學生認為在此學習環境下能更輕松地選擇和定位研究主題。當小組確定項目研究主題后，教師能及時發現各小組選題是否存在過于簡單或復雜、是否偏離主題等問題，并給予相應的指導，有助于小組明確定位。真實項目任務情景的模擬有助于學生快速有效地進入學習，通過此類體驗式的學習也更有助于學生深化對知識技能的學習。學生也認為明確詳細的學習任務設置在此學習環境中非常重要，可減少在學習過程中的盲目性。另外，學習環境中的資源實時記錄與共享設計，有助于在教師給予材料的基礎上進一步擴充資源的豐富性，學生通過網絡搜集、自制等方式積累了大量的補充資源，如：降落傘大賽、降落傘的簡易種折法等教學引入視頻資源。在社會交互設計上，學生在此類學習環境下的參與度得到一定的提升。在此環境下，學生非?；钴S地提問或回答問題，與教師的交流明顯增多。究其原因，在線的學習討論環境更為自由、輕松，能夠給學生提供更多的思考空間。同樣是小組協作學習，學生在傳統環境下的合作學習效果并不理想，在此學習環境下小組內的合作與交流得到明顯改善，在各小組的討論空間中可看出學生之間圍繞任務主題的交流非常頻繁。在技術設計上，搭建此學習環境所應用的兩款軟件簡單易用，是保障學生有效開展學習活動的基礎。相對而言，超星學習通軟件在學習作業的上傳、資料的共享、小組之間的互相評價等功能上較為易用，學生應用較多。而在實時消息接收、問題討論及反饋上，QQ的即時性較好，學生更愿意通過QQ與教師或學伴進行討論。

綜上，此學習環境有助于學生更好地通過體驗式學習理解新知識并掌握實踐技能，在一定程度上提高了學生的自主學習能力。較高的交互性在一定程度上提高了學生的學習參與度，從而提高學生的學習效果。然而此學習環境下，教師的工作量明顯增多，除課前大量的準備工作外，需通過遠程的方式嚴密觀察學生學習動態，追蹤學生學習動態并及時反饋學生的學習問題。而學生也需要實時關注動態信息，大量的學習任務常常會導致一定的學習倦怠。

5 總結與討論

本研究在可供性理論的指導下構建了STEM學習環境設計框架，通過教學實踐發現基于在線學習平臺和即時通訊軟件的移動式STEM學習方式受到學生的歡迎。它能有效解放師生空間，使教師和學生以相對自由的方式開展教學活動。為學生提供較為真實的學習環境，使學生通過體驗式學習深入掌握知識技能。然而，此種教學方式對網絡環境要求較高。由于整個教學活動都是在線同步進行，因此教師和學生需保持暢通的網絡環境。若網絡環境達不到要求，則會出現學習過程卡斷、無法實時追蹤和反饋學習動態等問題。另外要求學生有較高的自制力。由于學生是在不受教師密切關注的空間內開展學習，學生反饋：“在教師提醒我時，我會集中注意力，精神高度緊張，但如果不受關注時，就容易查看無關內容”。

本次課程容量較少，對象為自制力較強的大學二年級學生，教師能夠較容易地管理課堂。但如果開展大容量課堂教學時，還應調整教學策略。另外，本次研究只采用反思報告、訪談等定性研究法檢驗此次學習效果，缺乏一定的定量研究。在未來的研究中，嘗試融合定量分析方法進一步探索此種教學方式對學生產生了哪些影響。