基于TPACK的STEM教育優化研究

林曉凡 胡欽太 梁中梅

摘要：十八大、十九大確立我國全面部署的戰略首位是創新驅動，創新是引領發展的第一動力。STEM教育作為近幾年國際培養科技創新人才、技術教育跨學科多領域整合新興研究領域和實踐范式，受到各級教育領域的廣泛關注和積極實踐。國內對STEM課程的設計研究還處于起步階段，存在教師開展STEM缺乏統一的課程標準、過分重視技術效果和師資力量不夠等問題。因此，該文從TPACK視角闡述如何優化STEM教育課程與實踐活動，構建了基于TPACK的STEM教育優化設計模式：建立開放共享的跨學科融合優質STEM課程體系及資源，基于設計型學習促進師生參與STEM實踐，基于“真實問題解決一項目探究設計”為中心的教法持續優化，基于TPACK要素引進次序優化STEM設計路徑。

關鍵詞：STEM； TPACK；教學設計；優化設計

中圖分類號：CJ434

文獻標識碼：A

一、問題提出與研究背景

STEM課程是以科學、技術、T程和數學（Science Technology Engineering Mathematics，簡稱STEM）為核心的課程，并在2010年再次修訂成為美國正式的教育政策。該政策強調了STEM領域的教育統整，對培養美國未來的經濟領域競爭所必備的人才儲備的重要性（Kahn&Ginther，2015）[1]。十八大、十九大確立我國全面部署創新驅動發展戰略，創新是引領發展的第一動力。創新驅動的本質是創新人才驅動，而人才靠教育培養。因此，從培養高精尖、科技創新型人才的根本目的出發，STEM教育作為近幾年國際科學與技術教育跨學科多領域整合新興研究領域和實踐范式，受到各級教育領域的廣泛關注和積極實踐。

不少研究表明，教師在技術整合學科教學的理論與實踐層面均面臨較大的挑戰與困難（Tsai&Chai， 2012）[2]。整合技術的學科教學知識（Technological Pedagogical Content KnoWledge，簡稱TPACK）理論框架在教學實踐應用中取得良好的效果（Chai et al.2013）[3]，為教師發展特定的知識與技能，以支持教師開展有效融合ICT的學科教學活動。同樣的，TPACK為STEM教育的有效實踐提供了一個可操作的理論與設計框架，尤其是在技術融合學科知識、教學法和優化教學設計層面，如果教師能夠具有這方面的知識，在STEM教學實踐中的困難將會減少。因此，本研究建構了基于TPACK的STEM教育優化設計模式，闡述了基于TPACK的STEM教育實現路徑，以推動STEM教育與技術、學科教學的深度融合，為STEM教育實踐提供了一種操作模式。

二、國內外研究現狀述評

國內外同類研究主要是集中教學應用與改革領域，如STEM教育理念與跨學科內容整合研究（余勝泉和胡翔，2015[4]；趙慧臣等，2017[5]； Cuzeyet al.， 2016[6]； Waratuke&Kling， 2016[7]）； STEM課堂教育教學改革（蔡慧英和顧小清，2016 [8]；Carret al.2012[9]； 5chmidt&Fulton，2016[10]）；提升學生核心素養與創新能力（趙慧臣，陸曉婷和馬悅，2017[11]； Root-Bernstein，2015[12]）；STEM教育政策研究（祝智庭和雷云鶴，2018[13]；Connors-Kellgrenet a1.2016[14]）等等。

國內對STEM課程的設計研究處于起步階段，由于忽視標準的制定和教學設計模式的創新，STEM教育實踐日益顯現出泡沫化與空心化傾向。不少研究者指出STEM教育實踐的快速推廣也同時存在著不少問題：1.趙興龍和許林指出，STEM教育空心化嚴重，比如盲目大量采購3D打印、讓學生去學習開源電路板、機器人等，甚至3D打印一度成為STEM教育的代名詞[15]。2.余勝泉認為，當前STEM存在過多關注技術效果的問題，對融合基礎的學科知識的教育設計缺乏合理的教學設計，這造成了STEM教育變成各種設備和丁具的展覽，而教育的發展沒有依據教育規律等[16]，并從問題、學習者、和生活經驗的跨學科整合角度提出STEM、STEAM到STEM+的發展取向。3.江豐光等學者認為目前從事STEM教育的教師從來沒有系統地學習過STEM教育課程，都是依靠自己的興趣愛好，邊自學邊指導學生開展STEM教育[17]。4.Lin等指出，在亞洲華人地區推廣STEM教育首先面臨實際問題之一就是： “教師不知道如何開展STEM教育”[18]。因為在STEM教學過程中，知識講授非常靈活，并且沒有規定的標準，課程大綱和課程標準也不固定。學生在進行探索學習時，很可能遇到教師都不熟悉的問題，教師也有可能無法直接解答學生的困惑。所以傳統的教師角色受到挑戰，STEM對教師提出新的要求。

綜上，STEM教育亟需教學設計模式的創新，針對以上問題，本研究以TPACK、教學系統設計等理論為指導，構建基于TPACK的STEM教育優化設計模式，闡述如何提供優質高效的STEM教育課程設計與實踐活動，有助于指引教師在設計STEM教育教學時，有效地將技術融人到STEM相關學科和教學內容中，最終提升STEM教育水平。

三、基于TPACK的STEM教育優化路徑

TPACK架構主要是延伸Shulman的教學內容知識（PC K）[19]并加入了科技知識（TK）成為TPACK理論模式。TPACK主要由三種基本部分組成，即技術知識（Technological Knowledge，TK）、教學知識（Pedagogical Knowledge，PK）、學科知識（Content Knowledge，CK）。TPACK研究者認為除了以上三者，教師還需要發展技術內容知識（TechnologicalContent Knowledge，TCK）、技術教學知識（Technological Pedagogical Knowledge， TPK）、教學內容知識（Pedagogical Content Knowledge，TCK）和TPACK （Koehler&Mishra， 2009）[20]。同時，強調了唯有技術、教學、內容知識間的有效融合，才能將信息技術融入教育的效益發揮到極致，這七種成分的操作性定義如右表所示。

為了提升STEM教育教學質量，教師需要特定的PCK支持STEM教育（PCK-STEM），可將其定義為用于實現STEM教育所需具備的教學知識。同樣的，STEM教育中涉及多元化的信息技術和工程技術（TK），TPACK作為一種重視技術在學科教學整合的理論框架，可以作為STEM教育融入日常學科教育教學的一種具體實現方式。因此，教師設計STEM教學活動的素養也可看作是一種TPACK。本研究界定的“TPACK-STEM教育”是教師需要根據學生的特征與需求、現有的STEM硬件設置與技術環境、學校文化與體制、STEM相關學科的內容等實際因素來調整或完善其自身的整合技術的學科教學法知識，以達到最優化的STEM教學效果。

從TPACK理論框架來看，當前STEM教育實踐中過分推崇的3D打印、電路板等，屬于TK的內涵，只是七個成分之一。為了避免STEM教育的過度強調技術導向，促進STEM教育的科學和持續發展，TPACK理論框架在肯定技術重要性的同時，從本質上注重STEM教育實踐的過程思維、T程思維、探究思維的培養等，實現對探索性、研究性、參與性學習，設計型學習、案例教學、問題為中心等教學方法在STEM教育訓練和學習過程的綜合應用。

（一）基于TK的優化路徑：從一般化技術到STEM特定學科內容的技術或軟件

不少學者總結了STEM教育實踐的相關技術，如智能機器人設計制作、3D打印技術應用和Scratch與機器人融合，所涉及的硬件資源包括智慧教室、各種機器人、3D打印機、3D掃描儀、組合工具、工作臺、展示臺、競技場地（王同聚，2016）[21]。而信息技術為STEM教育提供了便捷的搭建環境，表現為四個方面：硬件（計算機、數字傳感、移動設備等），軟件（資源搜索、開源軟件、CAD平臺等），集成器件（開源硬件平臺等）和加丁機具（CNC機床、3D打印等）（祝智庭，孫妍妍，2015）[22]。綜合國內外研究，目前STEM教育所談的技術以一般化的技術為主，如基于網絡的學習平臺、開源軟硬件平臺和觸控互動電子白板等。而專門適用于STEM特定學科內容的技術或軟件相對較少。根據表1的定義，后者其實更接近于TCK的范疇。但是，不管對于STEM教師，還是支持STEM教育的廠商來說，未來應更重視STEM特定學科內容的技術或軟件。因為在具體STEM項目和問題開展過程中，師生均需要和學科內容相關的技術支持，如STEM涉及工程、數學和科學中常需要情境模擬（如GeoCehra和Applets）、空間構圖（如幾何構圖平板）。

（二）基于CK的優化角度：從學科體系到真實問題導向的跨學科知識

當前教學采取的學科體系依然占據主流位置，然而，在科技創新與真實問題情境中，開展STEM教育必備的知識是跨學科整合的CK，這與當前教育的認識和實踐有著較大的差距。因此，如果不對STEM教育改革、關鍵性跨學科內容和教育范式轉型帶來的意義與艱巨性做出深入思考和細致工作，那么，STEM教育將很快遇到發展瓶頸。已有研究者提出將STEM作為建構于真實問題的單獨發展的學科綜合體，美國維尼亞地區高中（Vineyard HighSchool）的五名學生全部不具有制作卡丁車的經驗，他們也不會使用相關的制作工具。這個課題有兩個指導教師，學生們通過利用課后時間，使用電池、木板、焊接板、電鋸、電線等工具獨立拼裝，最終完成了電動卡丁車的制作[23]。這些實踐中，迫切需要教師和研究者基于真實問題來重構和整合STEM的學科知識結構。因此，以真實問題為導向，而不是學科內容導向進行STEM課程的標準制定、內容設計、開發與實施，決定了STEM教育與學科教育相互融合、彼此滲透的深度和廣度。這些需要跨學科的STEM學術研究社群、一線教師和課程開發人員協同努力。

（三）基于PK的優化路徑：從教師主導到以設計導向的STEM創新教學法

李小濤等人通過對比分析發現STEAM課程因其具有與創客共通的創新、靈活、開放和項目導向等特點[24]，能讓學生在利用前沿技術“玩創新”和自主探究的過程中提升創造能力和跨學科綜合素養。楊現民和李冀紅形象直接地將創客教育和STEAM教育作為創新教育不可或缺的兩翼[25]。Adams等指出跨學科學習方式也能突顯出STEM知識在學習者生活中的有用性和相關性，從而刺激他們對STEM學習的興趣（Adams et al. 2014）[26]。可見，大部分學者認同STEM教育強調課程的融合性，注重學生創新能力的培養。而從教學法角度出發，為了支撐STEM創新教學，須將探究教學中“教師主導一學生按部就班探究”的教學方式，轉變為設計導向的STEM教學法。設計導向學習運用在STEM教學法上，在過去許多的實征研究也指出，當學生透過親自動手操作的學習經驗和設計成品的活動，由設計的過程來建構科學知識，并促使學生使用適當的設計經驗進行問題解決（Alimisis& Moro，2016）[27]。同時這一轉變需要STEM依據學習者的認知風格對教學資源設計、資源重組、生成性資源整合共享，才能更好支持學習者以設計導向STEM學習過程。即STEM教學設計團隊要正確認識學習者不同的認知風格和學習習慣，同一知識點要設計出不同認知風格下的不同呈現方式。在此基礎上，根據不同認知風格和呈現方式制定各種教學策略，考察各種STEM教學策略與不同認知風格的適應程度。進而使各類資源呈現形式與學習者認知風格都能自成體系，又支持靈活重組，學習者可以獲取符合自己認知風格的個性化教學服務[28]。

四、基于TPACK的STEM教育優化模式

STEM教育是一項系統工程，需要從STEM環境、STEM課程、STEM文化、STEM開源社區、STEM教師隊伍、STEM教育組織、STEM教育計劃等多個方面協同推進。基于以上三條優化路徑，本研究構建了基于TPACK的STEM教育優化設計模式（如下頁圖所示）。

（一）基于慕課、私播課、微課等開放在線資源資料形成以跨學科融合的優質STEM課程體系及資源

STEM課程不是一門課程，而是由低階到高階的一系列課程組合，又如小學、中學和大學，不同學段的STEM教育承載不同的教育功能，需要將STEM貫穿于整個教育體系，形成跨越各種學段，以及社會教育領域的STEM教育系統。因此，必須結合國家與經濟社會對人才的戰略需求與創新人才的成長規律，建立多元化拔尖創新人才培養目標系統，并基于慕課、微課、私播課（SPOC）等開放在線課程形成以跨學科融合為特色的優質STEM課程體系及資源，創建高水平課程、專業和人才培養基地與多類型的教育改革建設專項，為各學科拔尖學生的培養提供高水平的條件支撐。進而，在教育課程與專業教學改革建設方面，有必要建設國家級、省級精品資源共享課、精品視頻公開課，建設專業綜合改革試點項目、人才培養模式創新實驗區。同時，目前國內的基于開源社區的STEM教育空間建設仍遠落后于國外。開源社區不僅僅是開源軟硬件、經驗創意的開放，更多的是體現了一種創新理念的開放。重視開源社區在構建優質STEM資源的作用，才能使STEM教育資源得到更大程度的共享、應用和開放，以及資源從參與STEM實踐者的迭代生成與匯聚教育自愿。因此，真正地實現STEM教育，基于開源社區的合作社群的構建是關鍵，也是基礎，有利于形成一種分享、設計、合作的文化氛圍和文化規范。

（二）基于設計型學習促進師生參與的STEM教育實踐模式

基于設計的學習（Design-Based Learning），強調教師基于設計思維的項目促進學生進行有意義學習[29]，激發學生自主學習，當學生透過親自動手操作的學習經驗，對科學知識的理解與學習有很大的幫助，有助于提升學習動機。基于設計的學習既是一種對學生有用的教學T具，又是促進教師改進教學實踐的設計方法論，具有聚焦問題學習、基于案例的推理、實踐過程迭代推進等特點。Anderson和Shattuck （2012）以“水的凈化系統設計”項目為例，指出基于STEAM設計型學習具有例如理解、觀察、觀點萃取、想法形成，原型設計和測試等環節[30]，并發現了融合科學、技術、工程和數學等知識的基于設計的學習對學生學習科學有積極作用研究，其中，那些承擔項目任務設計的粒度更小和操作性更強的學生能夠取得更積極的學習效果。相比傳統學習，學習除了要運用已有的多學科知識和技能，還需激活多種形式的認知技能，如批判性和創造性思維、解決問題的能力、管理社會關系的能力（需要小組協作的項目）。因此，在基于設計型學習的STEM教育實踐模式中，教師的項目建模、情境設計、學習環境的創設和腳手架的提供對學生是至關重要的，這些有利于激發和引導學生制定和實施有效方案，有效應用知識和技能，學習項目所需新知，不斷迭代，改進已有產品，直至設計出實物或模型。

（三）基于“真實問題解決一項目探究設計”為中心形成STEM教法持續優化機制

如何將知識與能力有效遷移應用并解決實際問題，才是STEM教育的根本目的。因此，STEM教育的教學法應當以STEM實踐過程可能面臨的一系列真實問題與情境為線索，依據問題解決與項目探究的流程進行設計。然而，基施納等也發現基于真實問題的教學對初學者而言，可能會造成認知負載，特別是當缺乏有效的教學策略來引導學習，初學者在面對問題時容易迷失，不知從何下手來解決問題而導致學習成效不佳（Kirschner et al.，2006）[31]。因此，對于學生，問題的分解粒度應形成基于問題一項目探究重構STEM學科知識結構，作為腳手架支持學生開展STEM實踐。近二十年來腦神經科學的發展提供了更多的角度來幫助我們了解人的信息編碼及知識建構。腦神經認知科學家也發展一些方法來表征知識架構。許多研究已經一再地顯示學習者的認知結構與學習者的科學學習方式及學習者如何有意義地使用科學知識有動態的關聯。不管研究者采用哪個角度來看待知識結構，我們可以合理地假設學習者的知識是環繞在一個“核心”概念進行組織建構（但不一定是以階層的形式存在），此“核心”概念與該領域知識的次等概念進行鏈接。如果有學生錯失了這些重點概念，他們的知識架構將變為松散的信息片段。根據最新的認知研究，缺乏良好知識架構的學生將視所有的信息是同等的重要，并把每一個概念視為同等的獨特與顯著。因此STEM教法的持續優化，應當圍繞問題相關的“核心”概念，在項目探究過程強化學習者的知識結構，不僅強調差異性事件的使用，更進一步著重于運用關鍵性評判事件或解釋及相關的感知與概念來化解學生潛在的迷思概念及科學概念間整個概念架構的沖突。

（四）從TPACK構成要素的引進次序優化STEM教學設計的路徑

實證研究表明，絕大多數的研究者主要傾向于探討Koehler與Mishra（2009）的“通過設計學習”的策略對教師TPACK的改變的影響[32]。總體而言，這些研究要求教師計劃與設計整合技術的課程，并報導較正面的研究結果。這些研究的主要區別在于TPACK的不同成分被引進的先后次序。有部分研究主張先讓教師接觸TPACK框架中的四個衍生成分，即PCK、TCK、TPK和TPACK。譬如，分析國外STEM研究案例發現，在STEM教育實踐中，他們多是先讓教師討論TPACK理論框架，進而讓他們搜尋一些不太適合用傳統方法的教學主題（PCK），再幫助教師理解如何有效地使用交互性電子白板進行這些主題的教學（TPK）。而另一些研究則提倡先讓教師著手TPACK的三個核心成分，即TK、PK和CK。雖然上頁圖中給出一個TPACK成分的引進次序，但本研究建議TPACK成分的引進次序可結合具體的教學情境（如現有的技術條件、教師對技術的熟悉程度與教師的教學能力等）來決定。不同研究間并不排斥，只是側重點不同。其中前者較多關注“整體”而后者更多關注“部分”。在研究實踐中，研究者可先了解教師在哪個“部分”比較欠缺，再采用適當的策略來“對癥下藥”。這樣可能比在兩種觀點孰優孰劣問題上的爭論來得更有實際意義。

五、結語

為了推進STEM教學研究改革，2016年10月成立了“粵港澳促進STEM教育聯盟”，推動香港、澳門、廣州、深圳、佛山、東莞、肇慶等地的優秀學校合作，建立示范基地，開展STEM教育實踐。經過近兩年的實踐，針對所遇到的教學設計缺乏指引、師資力量不夠、學生如何指導及何時指導等問題，本研究團隊提出基于TPACK視角下優化已有STEM實踐存在的問題。首先，搭建“培用研”一體的跨學科開放共享STEM課程體系及資源平臺，結合“設計、執行和推廣”三個階段的STEM骨干教師工作坊，提升教師STEM教學設計能力，培育潛在師資力量。其次， “設計階段”以骨干教師培訓和校本實驗材料研發的活動設計為主，STEM教學活動與材料的研發落實基于設計型學習、真實問題解決和項目探究設計的教學法持續優化， “執行階段”教材試驗、修正與完成教學模塊到合作學校進行STEM課程的實施與完善， “推廣階段”研討會議或課程實施分享與交流會議，包含課程體驗、教案設計和教學試教等部分。最后，鼓勵多方參與，在課程推廣和經驗分享過程激勵已經參與的骨干教師持續行動，并吸引更多新的教師加入STEM教育實踐，根據實際需求優化調整TPACK七個成分的引進次序，透過體驗和觀摩進行準備，藉由課程設計和試教獲得回饋，最后再透過線上線下結合的跨領域社群研討，強化TPACK-STEM的專業發展能力。

STEM具備的跨學科綜合與情境性較高特點，因此對于教師優化教學提出更高要求，教師應當依據情境特征和需求設計出有效的STEM課程。本研究從TPACK視角闡述如何提供優質高效的STEM教育課程設計與實踐活動，以提升基于STEM教育效果與水平。未來研究可以從“知識創建”“設計能力”和“實證驗證”的角度切入，進一步來詮釋與發展教師的TPACK-STEM維度的教學知識和素養。

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