STEM教育深度融入科學課程教學的實踐路徑*

黃 樺

（嶺南師范學院 物理科學與技術學院，廣東湛江 524048）

一 STEM教育深度融入科學課程教學的必要性

我國新頒布的《義務教育小學科學課程標準（2017版）》新增技術與工程內容，首次明確了STEM教育在科學課程中的重要地位，標志著我國將全面展開基于STEM教育的小學科學課程教學改革。但是，國內的STEM教育研究起步較晚，存在以下不足：①大多從信息技術（如3D打印、開源軟硬件、機器人等）的角度展開，對STEM教育融入學科教學缺乏系統考察，整合于科學課程的實踐案例并不多；②研究成果比較零散，且多為思辯性的闡述和討論，表現出一定的隨意性，導致相關的理論、模式在實踐中難以落實；③缺乏融入STEM思想的國家課程標準的指導，未能界定工程設計的大概念、核心概念和跨學科概念；④缺乏具體、統一的 STEM教育框架體系、學習進階、評價標準和有效的教學指導；⑤由于教師專業發展的滯后，STEM教育并未在中小學基礎教育課程中得到廣泛推行。

STEM 教育的獨特價值在于，通過為學生提供接近真實、富有現實意義的教學情境，引導學生運用STEM知識解決真實世界的問題，幫助學生發展高階思維，提升學生跨學科知識整合的能力，從而獲得STEM領域的就業能力和21世紀公民所應具備的核心素養。因此，STEM教育常被視為當前教育培養學生的就業技能和核心素養的重要路徑。打造跨學科知識整合的STEM課程，已成為當前科學課程發展的重要趨勢。因此，基于我國現有的課程體系，探索STEM教育深度融入科學課程教學的實踐路徑，對于提升科學課程的教學效果、培養學生的就業技能和核心素養意義重大。

二 STEM教育深度融入科學課程教學的實踐路徑

我國基礎教育的科學課程與數學學科的整合基礎良好，但與科技、工程學科的整合存在明顯不足[1]。從科技教育的本質來看，科技是工程設計的產出。因此，STEM教育導向下的科學課程教學應以工程設計為基礎，通過工程設計導向的科學課程教學，幫助學生針對個人和社會科技的發展需求，應用相關的科學概念和數學知識，進行科學探究和數學分析，以發展獨立思考和問題解決的能力。以工程設計為導向的“工程引路計劃（Project Lead the Way）”是在美國處于全國性領導地位的STEM教育課程，其組織形式是通過專題導向活動，引導學生整合各科知識，解決基于真實情景的問題。Kelley[2]認為，STEM課程應以“情景學習”為驅動的齒輪，通過“工程設計”提供系統化的問題解決模式，運用“科學探究”來解決真實世界的問題，三者的關系如圖1所示。因此，創設工程設計情景，驅動工程設計和科學探究學習，是STEM課程的核心思想。考慮到評量在課程體系中的不可或缺，故本研究將教學評量補充進來，將教學情境、整合“科學探究”和“工程設計”的教學模式、教學評量確定為STEM教育深度融入科學課程教學的三條主要實踐路徑。

圖1 情景學習、工程設計與科學探究的關系圖

表1 STEM教學情景

1 教學情景

國際學生評估項目（Program for International Student Assessment，PISA）、國際數學和科學趨勢測評（The Trends in International Mathematics and Science Study，TIMSS）和美國國家教育進展評估（The National Assessment of Educational Progress，NAEP）等大型學生評測項目均提倡學生運用科學思維和推理，解決基于真實情景、結構不良的科學問題，這與STEM教育的理念是一致的。PISA 2006框架建議，STEM教育可以把能源效率、氣候變化等科學議題作為教學情景，讓學生開展深入探究，這是一種情景化的STEM教育。STEM教學情境如表1所示，可知真實的情景或STEM挑戰性主題來源于健康問題、能源問題、自然資源、環境問題、危害防護、新知等個人、社會或全球普遍關注的議題[3]。

2 整合“科學探究”和“工程設計”的教學模式

科學探究是我國新一輪課程改革的重要內容，強調對科學過程和方法的掌握，而STEM教育強調過程與方法在真實科學和工程實踐中的應用。工程設計注重應用材料、工具、技術、科學和數學知識的統整，透過設計的歷程發展科技產物，以合適的方法解決問題或滿足人類的需求。科學探究與工程設計的整合，有利于STEM教育的深度融合和實施。基于此，科學課程的教學實踐可以以挑戰性任務或者問題為開端，幫助學生深入探究，獲得對STEM教育的整合性理解，并得出解決方案。目前，5E教學模式——吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）和評價（Evaluation）得到了廣泛的應用[4]。而從科學探究與工程設計的整合角度出發，國際技術與工程教育家協會（International Technology and Engineering Educators Association，ITEEA）提出了工程設計的6E教學模式，包括吸引（Engage）、探索（Explore）、解釋（Explain）、工程（Engineer）、延伸（Enrich）和評價（Evaluate）；該教學模式將工程的概念融入 5E教學模式之中，并從科學本質、技術素養和工程設計等方面體現STEM課程的教學內涵，強調設計與模型在STEM教育中的核心地位[5]。6E教學模式以學習者為中心，以建構主義學習理論為依托，整合了工程設計與科學探究，提出了設計（Design）、建模（Modeling）、系統（Systems）、資源（Resources）、人類價值（Human Values）等5個以工程設計為基礎的STEM教育核心概念，并將這些核心概念的學習融入食物、能源、健康與安全、避難、交通和水等個人或者社會關注的議題。

3 教學評量

美國國家工程院（National Academy of Engineering）提供了針對學生在數學、科學與工程方面應用STEM知識時的表現進行評估的標準。如數學方面的評估標準是：了解并致力于解決問題、構建有效的論證并對他人的推理進行批判、有技巧地使用合適的工具、在反復推理中尋找并顯示規律；科學與工程方面的評估標準是：根據證據進行論證、設計，使用模型、設計進行探索，分析并解釋數據[6]。香港“常識百搭”創新科學與環境探究活動利用 STEM 框架評估學生在探究活動中學習科學、技術、工程和數學的經驗，對于評估學生在STEM活動的學習經歷具有極好的借鑒意義[7]。我國科學課程的探究性教學具有廣泛的討論基礎，基于此，結合能力、知識和態度的評量架構，制定STEM科學課程的評價指標，應該更具有可操作性。為此，本研究從科學、技術、工程和數學四個維度出發，且每個維度都從能力、知識和態度三個角度考量，構建了STEM教育融入科學課程教學的評量指標，如表2所示。這些評量指標對于教師檢測學生的STEM素養水平、評價課程的教學成效和教學實踐的具體設計都有一定的參考價值。

表2 教學評量指標

三 “轉不停的陀螺”教學案例分析

“電動機原理”是人教版《高中物理（選修 3-1）》第三章“磁場”中的內容，教材局限于電磁相關科學知識的介紹，學生未能深入了解電動機模型背后的技術和工程原理。此外，電動機的主要元件包括電極、永久磁鐵和導入電流的碳刷，而碳刷和電極之間的摩擦會降低電動機轉動的效率，還會產生熱量。為提升教學效果，本研究應用STEM教育深度融入科學課程教學的三條路徑進行了案例分析——以L中學的45名高二學生為研究對象，當他們學完“磁場”這一章內容之后，以“電動機的改進”為教學情境，依托6E教學模式設計教學過程，讓學生動手制作一個特殊的陀螺——“轉不停的陀螺”，并進行了教學評量，如表3所示。

“轉不停的陀螺”轉換了教學思路：用其它方式替代碳刷，轉動的是永久磁鐵而不是電極，并將內轉電極電動機轉換為外傳永久磁鐵電動機。這一思路，不僅包括了提高電動機轉動效率的技術思想，更蘊含了優秀的工程設計思想——而這，正是融入了STEM教育的科學課程與傳統STEM課程的最大不同。值得一提的是，為了增強項目的可行性，本案例還對學生進行了組內分工和角色設計，以吸引學生積極參與其中，從而引導學生在解決現實科學與工程問題的實踐中達成學習目標。

表3 “轉不停的陀螺”教學案例

四 小結

重視STEM教育深度融入科學課程的教學情境、教學模式和教學評量，創設整合的、情景化的、可評量的不良結構任務，將工程與設計的內容與科學課程進行統整，并與物質科學、生命科學、地球和空間科學等學科知識融為一體，將有助于拓展工程設計理念，并提升科學與工程實踐的教學效果。教學情境、整合“科學探究”和“工程設計”教學模式（主要是6E教學模式）和教學評量這三條STEM教育深度融入科學課程教學的實踐路徑，將有助于學生在基于真實情景的科學與工程實踐過程中應用工程設計理念和先進的技術，實現知識掌握、問題解決并進行創造性設計，從而培養就業技能和核心素養。

[1]唐小為,王唯真.整合STEM發展我國基礎科學教育的有效路徑分析[J].教育研究,2014,(9):61-68.

[2]Kelley T R. Staking the claim for the ‘T’ in STEM[J]. The Journal of Technology Studies, 2010,(1):2-11.

[3]OECD. Assessing scientific, reading and mathematical literacy: A framework for PISA 2006[R]. Paris: OECD, 2006:25.

[4]Bybee R W, Taylor J A, Gardner A, et al. The BSCS 5E instructional model: Origins and effectiveness[R]. Colorado Springs,CO: BSCS, 2006:1-10.

[5]Burke B N. The ITEEA 6E learning by designTMmodel, maximizing informed design and inquiry in the integrative STEM classroom[J]. Technology and Engineering Teacher, 2014,(6):14-19.

[6]Honey M, Pearson G, Schweingruber H. STEM integration in K-12 education: Status, prospects, and an agenda for research[M]. Washington, DC: The National Academies Press, 2014:5.

[7]蘇詠梅,梁致輝.第十九屆“常識百搭”創新科學與環境探究[M].香港:香港教育局課程發展處資優教育組,2016:4-5.