基于STEM教育的跨學科學習形式與教學支架

吳慧平

STEM教育是一種融合科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的知識和技能，培養學生跨界（即跨越學科邊界）解決現實問題的教育方式。我國十分重視STEM教育的推廣，2017年《中國STEM教育白皮書》的發布推動STEM教育進入蓬勃發展階段，國內一些城市的中小學開始嘗試利用校內外教育資源開設STEM課程，學界對STEM教育理念如何落實的研究日益增多。本文基于對STEM課程整合的思考，探析跨學科學習形式與教學支架，以便在STEM教育理念與教學實踐之間架設一座橋梁，為教師設計、組織STEM跨學科教學活動提供借鑒。

一、STEM課程整合的類型

STEM課程的整合過程實際上是一個從單學科到多學科、學科交叉，再到跨學科的逐步深化的過程。在單學科層面（Disciplinary），學生可以在相互獨立的課程中學習不同學科的知識與技能，這一層面的整合程度較低；在多學科層面（Multidisciplinary），學生雖然在不同學科分別習得知識與技能，但可以圍繞一個共同的主題運用這些知識與技能；在學科交叉層面（Interdisciplinary），學生從兩個或多個學科中習得知識與技能，達到拓展認知和加強交流的目的；在跨學科層面（Trans-disciplinary，亦稱超學科），學生從兩個或多個學科中習得知識與技能，將之用于解決真實問題或完成某個項目，從而形成學習經驗。

當前，在課堂實踐中推行STEM教育面臨的困難是，學習者在跨越STEM學科的知識領域時會遭遇認知沖突，不知如何通過跨界媒介進行信息與觀點的交流和構建新的認知圖式。因此，2016年，澳大利亞學者琳恩在《STEM教育整合的觀點》一文中明確表示，STEM整合式教育首先要解決的問題就是探索跨界學習（Boundary Crossing），即探索跨越學科邊界的學習，以實現知識技能的遷移與轉換。

二、STEM跨學科學習形式

2020年，香港浸會大學的艾倫·梁借鑒荷蘭學者桑尼·阿克曼和亞瑟·貝克在《跨界與邊界對象》中的觀點，認為跨學科學習形式可以分成認同、協商、反思與轉換四類。

認同，指學習者從不同學科領域對真實問題進行界定，描述不同領域對這個問題的理解，即從各學科視角分別解讀問題，并將不同學科的界定聯系起來，做出新的界定。這樣既能充分發揮不同學科的優勢，又能體現跨學科綜合的優勢。比如，在設計游泳池旁邊的救生員椅子時，學習者需要從科學、數學、工程技術的角度考慮問題的解決方案：從科學角度，他要考慮椅子的受力問題；從數學角度，他要考慮椅子的角度設計；從工程技術角度，他要考慮制圖、椅子尺寸與材料問題等。

協商，指通過對問題的研討實現不同學科領域的溝通與聯系，這是跨學科學習的重要方式。協商的目的是努力達成不同視角的意義理解，強化學科之間的相互滲透，構建跨學科學習的運行機制，促進知識在學習者之間有序而密集地流動、轉化，從而催生知識創新。真實問題的解決需要學習者持續不斷地協商對話，如此才能找出最佳的解決方案。比如，探討救生員椅子設計問題時，學習者需要共同討論如何運用科學、數學的知識分析椅子的受力情況，解決椅子的承重問題，以及運用何種技術工具使椅子各部件接合更牢固等。

反思，指學習者要意識到不同學科領域知識結構與思維方式的差異，加深對研究問題的理解，并充分利用多學科的資源優勢，在學科邊界間實現知識與信息的相互補充、彼此借鑒，進而形成一種獨特的解決問題思路。STEM跨學科學習中的反思性對話可以理解為不斷完善設計方案，提出迭代改進意見，使產品特性符合顧客需求。

轉換，指實現舊知向新知的轉化，這既是一種學習方式，又是STEM跨學科學習的目的所在。不同學科間概念理解與思維方式的差異為現實問題的解決創造了一個共同的、多元的信息分享空間，不同領域的思想觀點在此融合交鋒，形成新的文化形式。這些混合而來的思想觀點用于實踐活動之中，就會帶來真實情境的變化，這也意味著形成了一套新的路徑或程序來引導學習或創造過程的發生。轉換意味著學習者通過交流、分享、反思，掌握了新的科學、技術、工程和數學等領域的知識。

以上四種學習形式可將STEM跨學科學習過程具體化，使跨學科學習不再是抽象的概念表述，而轉化為切實可行的操作過程。

三、STEM跨學科教學支架

諸多STEM課堂教學經驗表明，學習者不會自發地開啟跨學科學習的對話過程，問題闡述與知識技能的運用也不會必然地發生。因此，跨學科學習的對話過程需要教師激發與引導。這凸顯了設計STEM跨學科學習教學支架的重要性。2016年，美國學者凱莉與諾爾斯為STEM教育整合設計了一個教學支架，他們將其比喻為“滑輪組合”，即四個滑輪代表四門學科，共同舉起一個承重物體，由此形成的“滑輪系統”由實踐共同體（教師與學生）驅動，他們共同探究不同的STEM主題，學習STEM技能與思維。

“滑輪一”是工程設計與實踐。教師引導學生參與工程設計活動，加深對科學概念的理解與運用。工程設計發揮著整合器的作用，它推動著STEM課程內容更好地整合，為STEM整合式教學提供一個理想的切入點；工程實踐可以貫穿STEM教學活動的始終，將學習情境與學習內容連接起來。

“滑輪二”是科學探究。教師要引導學生在真實情境下開展科學探究活動，培養學生將科學知識轉化成解決現實問題的技能。這是學生真正掌握知識的關鍵。科學探究注重從學生已有的生活經驗、知識基礎出發，讓學生親身經歷科學研究的過程，在獲得科學理解的同時提升問題解決能力。

“滑輪三”是技術素養。技術是科學的運用與具體化。技術素養指學生掌握、運用、評價和創新技術的能力。在STEM跨學科學習中，教師不僅要培養學生運用技術的能力，還要鼓勵學生對技術的運用進行批判性思考，思考其對政治、經濟、文化產生的積極與消極的影響。也就是說，STEM跨學科學習中的技術素養培養目標不僅包括基于工具視角熟練運用技術知識，還包括基于人文視角合理運用技術知識。

“滑輪四”是數學思維。美國賓夕法尼亞大學教授迪沙·威廉姆斯指出，STEM跨學科教學中的數學知識運用能彰顯數學的現實意義，學生想知道的不僅是如何完成數學任務，還有為什么學習數學、數學如何與生活相聯系。在STEM跨學科學習中，教師要引導學生運用數學知識分析、評價所設計的方案，了解學習數學的重要性，理解從學校學習的數學知識與STEM職業技能之間的聯系。

“滑輪系統”教學支架為學習者提供了啟動跨學科對話的牽引機制，師生作為實踐共同體利用“滑輪系統”教學支架提供的思維圖式，了解不同學科知識體系的聯結點，綜合每種思維方式的優勢，融會貫通地運用知識技能解決真實情境中的問題。

（作者單位：武漢大學）

責任編輯? 嚴芳