學科知識整合取向下STEM教學應用模式的構建

趙康寧 周璞 韓美琪

摘 要 STEM教育旨在培養學生創新精神和實踐能力，是當今世界教育改革的一個新領域。文獻分析結果表明目前國內的研究主要集中在內涵辨析、課程設計研究、教學模式、教學支持設計和實施案例分析等方面，本文以STEM教育跨學科整合下學科知識整合取向和STEM素養為理論基礎，設計了關注學生知識的意義建構與STEM素養培養的教學應用模式，并從STEM素養和學科知識整合取向對該模式的價值進行分析。

關鍵詞 STEM教育 學科知識整合 STEM素養 應用模式

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

我國教育部2017年發布的《全日制義務教育小學科學課程標準》中指出：科學教育與小學其他學科關系密切，提倡跨學科式學習，即融合科學、技術、工程、數學為一體的STEM教育，是一種以項目學習、問題解決為取向的課程組織方式。《教育信息化“十三五”規劃》也倡導：將信息技術與教育融合，探索STEM教育和創客教育等新的教育模式，提高學生的探究能力、創新意識和創新能力。本文致力于將STEM教育的理論與思想更好融入實際教學，重新構建STEM教學應用模式，以期為領域內教師的STEM教育教學設計提供參考模式。

1 STEM教育概述

1.1概念

STEM教育是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）教育的簡稱，強調將多學科知識進行有機整合，在解決實際問題的驅動下使學生獲得知識、應用知識，培養學生創新精神和問題解決的能力。STEM教育具有跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性、技術增強性的特點。

1.2研究現狀

目前，國內STEM教育的理論研究大致是從內涵辨析、教學模式設計、教學支持設計和實施案例分析等方面進行。傅騫等認為，STEM是基于設計、基于項目和探究的具體自主學習的方式，將STEM教育應用模式分為驗證、探究、制造和創造四類，通過案例對每個模式進行說明。祝智庭等在優秀STEM課程的六大特征的基礎上得出，STEM教育著力于培養學生應用所學知識解決實際問題的能力、團隊合作能力、工程思維和科學探究精神。余勝泉等提出跨學科整合的項目設計模式，包括教學分析、設計項目或問題、工具資源與學習活動設計、學習支架、學習評價設計，強調學生知識的強化與遷移。蔡慧英通過分析新興學習技術與STEM課堂教學的整合，意圖為學習者建構科學探究的學習體驗，解決教師為中心的問題。張瑾指出，STEM學習支架分為情境型、策略型、資源型、交流型、評價型支架，并構建了STEM教育學習支架的設計流程及其學習活動的關系框架，為有效實施STEM教育提供指導。

當前教學模式的設計大部分關注整體設計，注重項目或問題的設計，而對于設計何種教學活動以保證學生能獲得系統化、結構化的知識的探索較少。秦瑾若等人提出教學活動要以問題為中心，進行“激活舊知”“展示新知”“應用新知”到“整合貫通”四個階段的循環學習，但并未具體說明如何開展教學活動促進知識的融合貫通。因此，本研究以培養學生STEM素養和促進學生知識的意義建構為指向構建STEM教學應用模式，以提升學生將跨學科知識應用于實際的能力。

2理論基礎

2.1 STEM素養

2007年，美國州長協會（National Governors Association，NGA）擬定了一項題為“創新美國：擬定科學、技術、工程與數學議程（InnovationAmerica：BuildingaScience，Technology，EngineeringandMathAgenda）”的共同綱領，從四個方面闡述了STEM 素養：

（1）科學素養（Scientific literacy），即運用科學知識和過程理解自然世界，并參與制定影響自然界的有關決策的能力。

（2）技術素養：（Technological literacy），指使用、管理、理解與評估技術的能力。

（3）工程素養（Engineering literacy），即在工程設計中系統地、創造性地將數學和科學知識應用于生活的實踐能力。

（4）數學素養（Mathematical literacy），指學生在提出、表達、和解釋多種情境下數學問題的解決方案時，能夠進行準確地分析、推理和交流思想的能力。

由上可知，STEM素養是關于個人在科學、技術、工程和數學領域及其交織領域中使用其關于世界運行方式的知識的能力。

2.2 STEM教育學科知識整合取向

余勝泉等認為STEM教育是通過整合的教學方式讓學生掌握知識與技能，并運用技能解決真實問題，并提出三種STEM教育跨學科整合取向。

2.2.1生活經驗整合取向

注重知識的社會功能，以第三次工業革命代表的知識經濟社會要求掌握的知識與技能與多學科知識整合，通過項目設計，將學術性的理論知識轉化為解決實際問題的生活性知識。

2.2.2學習者中心整合取向

這種模式強調問題或項目是由學習者或小組調查發現提出的，因此，同時培養了問題解決能力與發現問題的能力。強調以學習者為中心，從學習者生活經驗出發探尋各學科整合的切入點。

2.2.3學科知識整合取向

分析各學科最基本的知識結構，以求找到多學科知識點之間的連接點與整合點。通過這些連接點將分散的課程知識按跨學科的問題邏輯結構化，使得課程要素有機聯系，形成有機結構。

學科知識整合取向采用基于問題的學習模式，設計有意義的問題情境，讓學生通過合作解決情境中的問題，從而習得隱藏于問題中的知識，并促進學生對知識的應用、理解與建構，提高自主學習與解決問題的能力。

3模式構建

本模式從學科知識整合取向出發，將科學、技術、工程與數學素養囊括的學科知識、思維、方法、能力融入教學過程。學生自主學習獲得概念知識，通過小組協作探究、解決問題，并在工程設計的過程中應用知識，通過總結知識、試題練習，完善認知結構（如圖1所示）。

3.1創設情境

STEM教育注重問題情境下的學習，通過問題情境的創設為學生應用知識解決問題提供情境支架。同時，為避免多學科知識間的劣構化，教師需要對涉及到的學科知識進行分析與重組，使知識間產生聯系，并確定核心知識。情境創設從分析學生認知結構、生活經驗和所處的社會環境入手，篩選與知識契合的事件、場景和現象，使知識與情境自然融合。對情境進行加工，使問題融于情境，將知識學習通過問題引出來，讓學生把問題作為情境來思考，保證問題的劣構性和情境的趣味性、綜合性和探究性。

3.2明確問題

整個STEM學習過程以問題解決為導向，因此學生需要明確待解決的問題。對情境進行回憶，聯系原有的知識與自身經驗提煉出情境中的問題，并且明確問題解決的需求和限制條件。對問題有了初步認識后，明確下一步的學習計劃，即認知結構是否有與問題相關的概念、原理等，如果問題不能與原有認知結構產生聯系，那么學生就需要制定學習新知的計劃。

3.3學習新知

學習新知階段教師需為學生自主學習提供課件、微課視頻、學習網站等多種學習資源。學生通過自主學習掌握基礎知識，形成支撐問題解決的基本原理，為有針對性的調查探究提供指引。學習結束后，需完成測試來檢驗新知的掌握情況。當然，如果學生已有認知結構能夠進行同化，可以直接進行理論知識支持下的問題探究活動。

3.4調查探究

調查探究階段學生通過小組合作，圍繞問題展開討論，確定探究計劃，并分工進行實際調查。小組成員對搜集的信息進行探討，篩選相關有效的內容，形成問題解決的觀點。教師引導學生對問題進行分解和深層次分析，通過具體小問題的探究，最終實現總問題的解決。根據不同的探索內容，為學生提供相應的調查途徑和方法，教師要充當好引導者和協助者的角色，及時了解學生的問題并給予反饋。

3.5方案設計

在調查探究結果基礎上，設計解決問題的方案，并制作必要的草圖。方案設計是工程設計思維潛移默化形成的過程，是學生觀點展示的過程。設計方案時，教師要提醒學生回顧問題解決的限制條件，比如：時間、地點、資金、現有資源等因素，保證方案的可實現性。對于基礎薄弱的學生，教師可以提供設計框架，為學生攀登提供必要的腳手架。

3.6實操建模

該階段學生根據設計的方案進行實際操作，建造出解決問題的作品或實物。成果呈現形式并不都是物質化的，比如實驗數據與結論。實際操作之前，學生通過觀看視頻掌握工具的使用方法，教師則要提醒和監督學生正確使用工具。設計好的方案在動手實踐時并不是一成不變的，建模和實驗操作的過程中可能會遇到阻礙，這就需要小組成員對方案進行修改。

3.7測試優化

工程測試是工程設計檢驗產品常用的方法，測試時可以還原問題發生的情境，模仿特定情境下問題的解決。測試過程中要真實地測量和記錄數據、問題和結果，為改進優化工作提供依據。此外，還要對作品進行多次測驗，避免不相關因素的干擾與測試結果的偶然性。同樣建造完成的作品也不一定是解決問題的最優選擇，學生要在不斷修改、優化的過程中體驗工程設計的重復、遞進的迭代過程。

3.8交流評價

完成作品后，每個小組依次展示作品，對設計思路、作品創意等情況進行介紹，介紹完畢后同學和老師對作品做出評價。通過分享交流，培養學生的溝通表達能力與批判性思維。評價環節除了作品評價還要對學生評價，主要從知識掌握、能力、STEM素養方面進行。具體實施就需要教師依據學習目標、學習內容和學生的表現制作小組互評、學生自評的量規，說明評價的標準，保證評價量表的實用性和評價的多元性、有效性。

3.9總結反思

此階段教師幫助學生對涉及的知識進行總結，將現實問題解決方法延伸到抽象知識層面，是跨學科知識提升的環節。抽象知識可以從分析問題所用的知識、指引調查探究的知識、輔助學習的工具與技術方面的知識、作品建造應用的知識等學習過程中總結。對于重點知識和學生普遍存在的薄弱知識，教師要編寫練習題，糾正學生可能存在的片面認識，強化學生掌握的知識。反思環節包括學生對自身學習過程的回顧與反思，還有教師對自己教學組織能力、教學設計能力的反思。師生通過反思，總結優點改正不足，為以后的學習與教學提供指導。

4教學模式的價值探析

本模式建構過程中注重培養學生解決問題的能力、團隊合作能力、工程思維和科學探究精神等，可以作為在學科知識整合取向下STEM素養實現的有效途徑。

一方面，有利于STEM素養的培養。第一，科學素養的培養。學生在科學探究的過程，以科學知識為指引發現問題、認識問題、解決問題，在科學思維的影響下分析問題、明確問題，逐漸形成科學素養。第二，技術素養的培養。通過探究、設計和建造過程中的技術選擇與使用來培養學生技術管理、理解與評估能力，實現技術素養的培養。第三，工程素養的培養。本模式主要是讓學生在方案設計和實操建模的過程中形成工程設計思維與能力、工程建造的動手實踐能力，收獲工程素養。第四，數學素養。數學是學生進行STEM學習的基礎。因此在科學探究、技術使用、工程設計和科學建模過程中，學生應用數學知識和數學思維進行數據的測量、分析與推理，提出問題解決方案，形成數學素養。交流評價和總結反思環節指導學生回顧整個的探索和建造過程，總結科學知識，使STEM素養外顯化，實現素養真正的提高。

另一方面，有利于學科知識整合下STEM教育的實現。該模式在創設情境時強調教師要對多學科知識進行分析，將知識進行重組，使各學科知識產生聯系，確保學生獲得良構知識。問題情境通過分析學科知識和學生生活經驗提出，保證了學科知識的全面與均衡，并與學生的認知結構相適應。該模式設計了學習新知環節，確保學生有可以利用良構的知識。在總結反思環節中，學生總結學習過程中的知識，相互分享，獲得系統化、結構化的知識。

5結語

STEM教育作為新型的教育范式，以培養學生創新思維、實踐能力、問題解決能力為目的，促進了教育創新。本文僅在學科知識整合取向下對STEM教學應用模式進行了構建和價值分析，接下來要做的工作是對特定課程進行STEM教學模式的實踐探索，并在教學過程中不斷對教學模式進行修正，以使學生的學習能力和STEM素養實現最大程度的提高。

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