面向科學探究能力的項目式循證STEM教學模式研究

陳逸旻 徐劉杰

（1.紹興市樹人小學，浙江 紹興 312099； 2.浙江工業大學 教育科學與技術學院，浙江 杭州 310023）

STEM教育強調學生在項目實踐中應用跨學科知識，通過“做中學”，體驗科學家的學習方式，培養科學探究能力。2017年教育部在發布的《義務教育小學科學課程標準》中倡導跨學科學習方式，鼓勵教師在教學實踐中嘗試STEM教育。STEM 教育以項目式學習為主，強調體驗式學習和“做中學”，融入綜合實踐課程以培養學生創新思維[1]。但是，目前STEM教育實踐往往將教學重點放在知識學習或者動手實踐上，而忽視了學生科學探究能力的培養。因此，為教師提供開展項目式STEM教育的教學模式，指導在項目式STEM教學中關注學生科學知識建構、科學探究能力培養，對于提高STEM教育效果具有重要意義。本研究從項目式STEM教育視角出發，引入循證理念，在學生完成項目活動過程中通過收集學習數據、分析數據、形成證據并以此提煉結論，指導學生完成項目，達到獲得STEM知識和培養科學探究能力的目的。

一、文獻綜述

（一）項目式STEM教學研究

項目式STEM教學旨在以動手體驗的方式讓學生設計、發現、合作、創造并進行問題解決，培養其批判性思維和問題解決能力，提高學生的學科素養和創造力。為了有效實施項目式STEM教學，學者們提出了項目設計的原則。王巍和袁磊指出，項目式 STEM課程主題設計應遵循兩個原則：一是問題來源于真實世界，項目成果作用于真實世界；二是STEM項目要圍繞核心概念和關鍵技能[2]。有研究者認為在設計STEM項目時需遵循四個原則：內容的可進入性、思維的可視化、幫助學生向他人學習、促進學生自主學習[3]。依據以上原則，教師可以設計STEM教學環境和學習支架，促進學生深度參與STEM項目學習。

項目式STEM教學沒有固定的教學流程，總體上圍繞如何支持學生設計項目和開展項目來實施教學活動。但是在項目實施過程中，教師很容易過度提供支架，造成教師替代性學習，學生的主體性和主動性沒有得到充分發揮；或者造成教師完全放手學生去探究項目，提供的支架和指導過于寬泛，學生得不到具體詳細的指導，很難完成項目學習。我國缺少跨學科教師，導致大部分STEM教師缺乏跨學科教學的專業知識和技能，而且教師在實施項目式教學中缺少教學策略的指導。在項目式STEM教學實踐中，教師主要還是帶領學生實施以工程設計為主的項目學習，項目成果主要以制作作品為主，缺乏對項目的整體設計，沒有明確的研究假設，缺少知識內容的學習和應用，科學性的探究過程不明顯。

（二）STEM教育中學生科學探究能力的培養

STEM 教育可以顯著提高學生搜集、整理信息的能力，獨立思考、探究的能力[4]。在開展項目式科學探究中，首先，明確項目主題，教師指導學生檢索并分析項目資料，界定研究問題。之后，學生開展協作，設計研究方案，明確項目產出，創造項目成果。但是在實驗或者項目實施過程中，會存在“異?，F象”，學生在科學探究中所觀察到的現象與理論預期明顯不同，且這些不同無法用“誤差”解釋清楚[5]。這就需要學生具備良好的科學探究能力，應用邏輯思維，理性解決問題，創新問題解決方案，學會通過科學探究、實驗驗證、觀察調查等方法探索解決方案，學會通過證據去分析問題、解決問題。

在指導學生開展項目式STEM的科學探究時，教師需要具備相應的科學探究指導能力，主要包括科學探究指導理念、發現科學問題的指導能力、探究方案設計的指導能力、設計與獲取探究器材的指導能力、信息收集及處理的指導能力、人際交往指導能力、實驗指導能力、活動的組織與管理能力、活動交流與評價的指導能力[6]。但是，目前有關項目式STEM教學模式和教學策略的研究，大多是從宏觀視角提出項目式STEM教育的教學模式，缺少微觀層面上項目式STEM教育過程中對學生的探究活動給予指導的策略。教師難以把握學生的科學探究能力要素的表現期望，使得科學探究活動形式化、表象化[7]。雖然教師在宏觀上指明學生要做什么，達到什么程度，但是微觀上缺少支持學生“做中學”和“合作中學”的詳細說明與指導，即在“如何做”上為學生提供的指導不充分，導致項目式STEM教學效果不佳。

（三）循證學習理論在STEM教育中的應用

為了培養學生的科學探究能力，許多研究者提出將循證學習理論應用于STEM教育中。循證學習是為解決研究問題，通過采集數據、分析數據、發現結論并得出問題解決方案的一種學習范式。在STEM項目實施或者科學探究過程中，學生觀察、記錄的數據可作為其提出觀點或得出結論的證據。在探究的過程中，學生的每一步操作都有相應的證據作為支撐，或者每一步操作產生的數據都可以支持學生得出結論，形成他們探究的結果。學生在獲取證據、分析證據時需要理解證據背后的學科知識或科學原理。在證據的支撐下，學生開展理性思維，通過數據分析、理論演繹、邏輯推理、驗證假設、得出結論和實踐創新，從而獲得學科知識，鍛煉科學探究能力，提高問題解決能力，體驗獲得知識的真實過程。

循證學習注重培養學生的科學探究能力。教師運用證據有助于診斷教學問題，探索因果關系，尋找有效解決策略，提高教學效率和效益，提高教師的領導力。在STEM教育中，教師通過基于問題或者基于項目的活動，組織學生通過協作開展創新性的科學探究活動。在科學探究中，學生要使用各種技術和方法搜集數據，分析數據，得出結論，形成問題解決方案，通過交流討論分享信息和研究成果。這樣的教學情境，強調對學生的設計能力與問題解決能力的培養。將學生學習過程和結果、教師課堂教學行為和教學干預等作為證據，幫助教師改進教學，指導學生學習，幫助學生實施項目學習活動，能夠明顯降低學生 STEM 學習的失敗率，提高學習自主性和學業成績。

二、面向科學探究能力的項目式循證STEM教學模式構建

（一）項目式循證STEM教學模式的理論依據

項目式循證STEM教學模式以建構主義和活動理論為依據，如圖1所示，以“做中學”和“合作中學”為學習路徑，依據循證學習理念開展項目式學習和探究式學習，在學習中生成證據、收集證據、分析證據、運用證據，實現科學探究能力的培養。建構主義主張以學生為中心的教學，強調自主—探究式教學觀念；主張學生用探究法、發現法去建構知識的意義；學生要主動搜集并分析證據以驗證各種學習問題的假設[8]。活動理論強調學習者在活動系統中及規則約束下通過分工合作，共同作用于客體并完成學習目標，注重學生參與的、實踐性的、項目探究式的活動[9]。STEM教育通過項目式學習，將學生融入活動系統中，要求學生與共同體成員合作，主動探究、協作會話、反思改進、創新創造，鼓勵學生以新的視角和思維方式在活動系統中開展合作學習，在合作中實踐、在實踐中改造客體、在改造客體中學習、在學習中生成新的客體。同時，學生在“做中學”和“合作中學”兩條路徑中產生的學習行為數據和結果（客體）數據成為學生發現學習問題和改進活動實施方案的證據，成為教師評價學生探究能力和改善教學活動的依據。據此構建面向學生科學探究能力的項目式循證STEM教學模式，能夠指導STEM課程教學，推動STEM教育發展。

圖1 面向科學探究能力的項目式循證STEM教學模式設計理論依據

（二）面向科學探究能力的項目式循證STEM教學模式構建

將循證理念應用到項目式STEM教學過程中，設計面向科學探究能力的項目式循證STEM教學模式，見圖2。以項目為依托實施STEM教學活動，學生通過設計與實施項目而獲得知識和技能，培養科學探究能力。在學生設計和實施項目的每一項活動中收集學生的行為數據和結果數據，作為評價學生、改善教學和指導學生學習的證據。

圖2 面向科學探究能力的項目式循證STEM教學模式

在“做中學”路徑中，學生主要按照項目式學習方式開展科學探究活動，包含六個步驟：（1）設計項目主題。由學生發現并提出問題，圍繞問題設計STEM項目主題，設計項目實施計劃。（2）制訂研究方案。學生完成研究背景的調查和梳理工作，設計項目研究的假設、因變量和自變量，明確研究對象，完成研究方案。（3）實施項目研究。學生在項目實施中體驗“做中學”，通過實踐獲得經驗和知識。在項目實施中，學生開展合作探究，讓學生在協同創造中展開深入的研究和創新。（4）分析解釋數據。教師指導學生完成數據分析、解釋和討論工作。（5）展示交流成果。學生撰寫項目研究報告，設計展示報告書，在班級展示研究設計和成果。其他小組或學生對匯報者的研究進行評價和提問，加強學生之間的交流與討論。（6）評價與反饋。教師根據學生表現，評價學生的科學探究能力、實踐操作能力、問題解決能力和協作交流能力等方面的表現。

在“合作中學”學習路徑中，學生主要按照活動學習理論開展探究式學習，包括四個步驟：（1）合作學習新知。學生在小組內合作學習新知識，使用同伴指導策略提高合作學習效果。（2）協作探究活動。小組成員進行角色分工，共同開展探究活動，完成項目任務。（3）討論協商問題。小組成員協作交流、共同協商，達成觀點一致，并實現問題解決。（4）協同建構知識。在學生合作探究中通過學習新知識、應用新知識、協作交流討論以達到共同解決問題和協同建構知識的目的。

在“做中學”和“合作中學”路徑實施過程中，教師收集學生行為數據、學生作品數據、學生測試成績等相關數據，作為評價學生學習效果的證據，并對教師的行為數據進行采集和分析，發現教學問題、教育管理問題，并依據這些數據來調整教學活動。學生在探究活動中收集實驗數據，經過統計分析和推理演繹從而發現規律、提出觀點，作為學生建構新知識的證據。另外，學生根據教師提供的評價反饋以及學生自己對項目結果數據的分析，認識自己的學習狀態和學習進度，并改進學習。

三、面向科學探究能力的項目式循證STEM教學案例設計與實施效果

（一）案例設計

本研究以“創意紙電路”為主題設計STEM教學案例，在某中學開展了8周共10個課時的實驗研究，實驗對象為九年級某班的32名學生，男女生各有16名。“創意紙電路”共包含兩大主題：“設計制作家庭防盜報警裝置”和“設計制作音樂賀卡”。以“設計制作音樂賀卡”為例設計教學方案，項目式循證STEM教學設計案例如表1所示。

表1 項目式循證STEM教學設計案例

續表

（二）評價方法

本研究提出的項目式循證STEM教學模式旨在培養學生的科學探究能力。本研究主要使用“動手實驗型”測評工具，教師和研究者現場觀察，根據學生探究活動的結果界定學生的科學探究能力水平。通過現場觀察采集學生行為數據、項目實施過程數據和項目成果等；使用學習單獲取學生在電路知識、項目設計、項目實施、項目成果評價等方面的掌握情況。依據我國《義務教育初中科學課程標準（2011年版）》中規定的科學探究關鍵要素（包括提出科學問題，進行猜想和假設，設計實驗，獲取事實與證據，解釋、檢驗與評價，表達與交流）對學生的各種證據進行分析，以評價學生的科學探究能力。

（三）實施效果

本研究從學習成績和科學探究能力兩方面對實施項目式循證STEM教學模式的效果進行評價。通過學生前后測成績比較可知，學生的學習成績得到顯著提高，有關電路知識的理解和應用能力得到顯著提升。在實施項目式循證STEM教學模式中，教師開展以學生為中心的教學活動，引導學生圍繞項目開展各種探究，收集數據、分析數據，解釋分析結果。首先，在實施項目式循證STEM教學模式過程中，促進學生理論知識學習與項目實踐相結合，在實踐中去運用知識，強化學生的知識學習，促進學生實現知識的內化。其次，促進學生開展實踐探究，在項目活動中運用理論知識去解決問題，完成項目，并建構新的知識。最后，加強學生的循證運用，讓學生在收集數據、分析數據和解釋數據中培養學生的邏輯推理能力、總結歸納能力和問題解決能力等。

對學生科學探究能力的分析結果如表2所示。經過教學實驗之后學生的科學探究能力獲得了良好的發展。學生在提出科學問題（M=4.67，SD=0.27）、設計實驗（M=4.46，SD=0.44）和表達與交流（M=4.74，SD=0.18）三個維度上表現良好。在獲取事實與證據，解釋、檢驗與評價兩個維度上學生表現弱于其他維度，表明學生在獲取事實與證據（M=4.27，SD=0.44）和解釋檢驗與評價（M=4.33，SD=0.42）等環節還存在一定的提升空間，需要教師給予更多的支持和幫助，助推學生發展數據分析、邏輯推理和評價能力。整體來說，在應用項目式循證STEM教學模式的教育實踐中，學生的科學探究能力能夠獲得良好的發展。在項目式循證STEM教學模式實施過程中，教師鼓勵學生去設計項目方案，提出科學問題，建立研究假設，這是學習者開展科學探究的基礎，這一環節的教學活動能夠培養學生的問題意識、科學探究精神和科學素養。在學生開展項目探究過程中，學生為了尋找證據，解決項目問題，完成項目，開展數據采集、數據分析和數據解釋等活動，這些能夠培養學生的數據意識和數據素養，培養學生的科學實踐能力，使學生在循證中將理論知識與項目探究相結合，達到培養學生科學探究能力的目的。

表2 學生的科學探究能力分析結果

四、總結

STEM教育強調通過跨學科知識的融合來培養具有多元思維與創新能力的人才，通過“做中學”來培養學生的科學探究能力。研究者和教師均強調項目式學習在STEM教育中的應用，讓學生在項目探究中體驗科學家進行科學研究的方式，注重學生在開展項目中獲得真實的學習體驗，獲得知識、應用知識，并鍛煉思維能力。當前，積極探索STEM教育模式、STEM學科的教學策略，使STEM教育與日常教學相融合，與培養學生科學探究能力相融合，已經成為推動 STEM 教育發展的關鍵。本研究從培養學生的科學探究能力出發，依據循證理念，構建了項目式STEM教育的教學模式。通過教學案例說明項目式循證STEM教學模式的應用效果，以期將STEM教育理念扎根于實際教學情境中，助力STEM教育真正實現培養學生科學探究能力的目標，為STEM教育的實踐應用提供有價值的指導作用。