STEM教育理念下技術與課程的融合探究

高凱濤 高 杰 賈 嫚

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STEM教育理念下技術與課程的融合探究

高凱濤1高 杰1賈 嫚2

（1．北京理工大學 繼續教育學院，北京 100081；2．北京理工大學，教育研究院，北京 100081）

依照我國教育目標從以知識為中心向以能力為中心轉變的要求，STEM教育可為教育改革在教學環境、教學手段和教學方法上的不斷深入發展提供可行的思路。文章以技術接受模型和技術任務匹配模型為理論基礎，遵循學科融合性、技術匹配性、技術易用性的設計原則，通過對STEM課程的分類研究與技術的需求分析，提出了STEM教育理念下技術與課程融合模式。此外，文章對STEM教育中技術與課程融合的四方面技術需求進行了重點分析，以期為信息技術環境中STEM課程的開展提供一定的指導。

STEM教育；技術與課程的融合；技術接受模型；任務技術匹配模型

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫。STEM教育的本質是培養學生STEM相關學科的知識與能力，讓學生通過綜合利用科學、技術、工程和數學這幾門學科的知識，來解決現實生活中出現的問題——這就為學生提供了打破學科界限、在貼近生活的情境中體驗學習相關知識和技能的可能。學生通過STEM跨學科學習，建立起對真實世界規律的感知，從而對世界和社會產生自己的認知，在知識學習和情感體驗上有豐富的收獲。本研究對STEM教育理念下技術與教學的融合進行了探究，以期推動我國教育改革在教學手段、教學方法和教學環境等方面的不斷發展，并不斷豐富信息化教學理論和學生專業能力培養的相關理論。

一 STEM教育理念下技術與課程融合的理論基礎

1 技術接受模型

技術接受模型（Technology Acceptance Model，TAM）最早由Davis等[1]于1989年對計算機廣泛接受的決定性因素進行解釋說明時提出。TAM運用理性行為理論，提出了模型的外部變量：①有用性感知（Perceived Usefulness），反映一個人認為使用一個具體的系統對其工作業績提高的程度；②易用性感知（Perceived Ease of Use），反映一個人認為使用一個具體系統的難易程度，具體如圖1所示。

圖1 技術接受模型

2 任務技術匹配模型

任務技術匹配（Task-Technology Fit，TTF）由Goodhue等[2]于1995年提出，反映了技術和任務需求之間的邏輯關系。TTF主張，信息系統只有匹配需要完成的任務，此行為才具有高績效。據此，Goodhue等提出的任務技術匹配模型如圖2所示。該模型主要由“任務需求”、“工具功能”和“個人行為”三個核心部分構成，并且首次提出“任務技術匹配”的概念。其中，“任務需求”一般指用戶使用信息系統執行活動時的需求；“工具功能”指信息系統或支持服務為用戶完成任務所提供的工具或幫助；“個人行為”即用戶的計算機使用經驗、能力等；“任務技術匹配”是指個人利用信息系統執行任務的匹配程度；“實際使用”指用戶使用工具時的實際使用情況——“任務需求”、“工具功能”特征共同作用并影響“任務技術匹配”，從而決定用戶使用信息系統的績效。任務技術匹配模型是一種通用性的模型，并沒有對使用任務環境和系統做出具體的要求，可以作為其它研究框架的理論依據，因此適用于信息技術環境中技術與STEM課程知識融合模型的設計[3]。

圖2 任務技術匹配模型

圖3 STEM教育理念下課程與技術融合模式

教育相關的技術層出不窮，在學習中不同技術對知識的相關支持有很大差別。根據技術接受模型和任務技術匹配模型，教師在進行技術輔助教學時，應該首先考慮學生面臨的任務和預計達成的目標；然后對學生的學習任務進行定義和分析，并準確把握學生的技術使用需求；最后針對不同的課程環節和課程知識，使用與之相符的技術進行輔助。

二 STEM教育理念下技術與課程融合模式的設計

1 設計依據

①Bloom知識分類理論。美國著名心理學家Bloom在《教育目標分類學》一書中對認知領域教育目標進行了分類，將人的認知過程從簡單到復雜、由具體到抽象這一規律作為其教育目標分類理論的依據[4]，為逐漸完善教育目標分類理論作出了重要貢獻。目前，教育目標在知識維度主要分為四類：事實性知識、概念性知識、程序性知識和元認知知識，這四類知識在STEM教育中既相互獨立也相互關聯，不同類型的知識會給學生帶來不同程度的能力提升。

②技術接受模型與任務技術匹配模型。根據技術接受模型，在技術支持的STEM課程中，外部因素（如系統特征、用戶特征、任務特征、組織特征等）、技術的有用性和技術的易用性會對學生的學習績效產生影響；而根據任務技術匹配模型，學生的任務需求和工具功能在進行適度匹配的情況下，使用技術支持的學習才是最高效的。基于此，本研究將從任務需求和工具功能這兩個角度，來設計技術與課程融合模式。

2 設計原則

①學科融合性原則。STEM課程的本質是將科學、技術、工程、數學等四門學科的知識進行有機融合，通過開展相關的實踐項目，來提升學生的知識水平并鍛煉學生的問題解決能力。課程設計將秉承學科融合的特征將知識全面融合到項目中，讓學生體驗跨學科的多元學習過程。

②技術匹配性原則。技術在不斷地更新，種類也越來越豐富，如何正確認識技術并根據知識類型做出合適的技術選擇是非常重要的。而將STEM課程單元中的知識進行分類，根據不同種類知識的特性進行學生能力需求分析，將學生需求與技術按照任務技術匹配模型進行匹配，既可充分利用技術輔助課程教學，也可避免不必要的技術和資源浪費。

③技術易用性原則。在設計技術與課程融合模式時，要充分考慮當前學校的信息化環境基礎，即做到：一方面，教師可以順利地利用多媒體和技術手段備課、上課，使用易獲得的技術來提高自己的信息化水平，并在使用技術的過程中進行反思和創新；另一方面，技術的易用性不會對學生的技術認知負擔造成壓力，讓學生可以熟練地使用技術進行知識的探究、獲得多維的學習體驗。

3 模式的構建

根據對STEM課程知識的分類，本研究將不同知識中學生的任務需求進行了歸納，通過與不同的工具功能進行相應的匹配，構建了STEM教育理念下課程與技術融合模式，如圖3所示。

如前文所述，STEM課程中的知識可以分為事實性知識、概念性知識、程序性知識和元認知知識四類。在新知識的學習過程中，事實性知識、概念性知識和程序性知識是一種相互平行而又緊密聯系的關系；元認知知識貫穿于整個學習過程，起調節和改善的作用。在STEM課程中，每一個知識單元都是對以上知識進行不同組合而形成的，因為不同知識對學生能力需求的側重點有所不同：事實性知識側重術語感知，代表學生對世界和自然物質的特征認識和術語表達；概念性知識側重論證求證，代表學生對相關學科概念關系和公式原理等的探究和理解；程序性知識側重思維實踐，代表學生在實驗和實踐過程中的操作和技能等；而元認知知識側重自我體驗反思，代表學生的認知策略和思維。

三 STEM教育中技術與課程融合的技術需求

技術為教育的開展帶來了更加豐富的體驗，但在教學過程中，不同技術對不同知識類型的支持作用有所不同。教育心理學家皮連生[5]提出了以知識分類目標為導向的智育目標、知識分類學習論和知識分類教學論的教學理論，認為教學也應該按照不同的知識類型進行設計。究其原因，主要在于不同類型的知識會給學生帶來不同的學習體驗。基于不同知識類型的分類，本研究對STEM教育中需要的技術進行了以下分析：

1 基于事實性知識的技術需求

在STEM課程中，事實性知識的學習是開展學習任務的基礎，學生通過事實性知識對自然界的事物進行感知和認識。由于STEM教育與生活實際的聯系非常緊密，在事實性知識教學中經常用到的教學策略為多重感知策略——學生在課程中親自動手實踐，多種感官同時參與對事物特征術語的描述和理解，開展個性化學習；而教師在課堂中應用多種技術媒介，為學生創設適合其學習風格的學習環境，并在此環境中利用多種感官體驗的“腳手架”適當引導學生學習，幫助學生獲得對知識的感受和認知。

（1）個性化

STEM課程的開展，將傳統課堂中“以教師為中心”的教學方法轉變為“以學生為中心”的自主學習方式，使學生可以掌控自己學習的進程。在相關技術的支持下，教師可以為學生提供自適應的學習環境，首先了解學生的先行知識背景和學習風格，之后為學生定制與其認知能力相匹配的課程呈現方式，并提供個性化的指導。如在STEM項目開始時，學生進入智能學習系統進行在線學習風格測試；測評結果出來之后，系統根據計算機的深度學習算法，自動針對不同學習風格的學生呈現不同的學習側重點及相關的學習材料和信息，讓學生對事實性知識進行符合自己認知習慣的感知與加工；同時，根據不同學習風格對學生進行智能分組，成立有效的STEM學習小組，讓學生發揮自己的優勢，獲得更好的學習體驗。常見的個性化教學助手有：智能矩陣學習系統（把握知識點的學習進度）、藍墨云班課（智能班級）等。

（2）“腳手架”

在STEM課程中，學生作為解決問題的新手，正確地認識科學世界是成功的第一步。而要想讓學生正確認識事物的特性并對其進行術語界定，就需要搭建恰當的“腳手架”進行指導。在“腳手架”的支持下，學生可以選擇適合自己的工具功能完成學習。此時，“腳手架”可以是一切有助于學生認知的資源庫，為學生提供多樣的可參考素材，讓學生根據自己的學習需要進行知識的獲取和處理。常用的“腳手架”技術有：分析技術（根據用戶行為歷史進行個性化分析和推測）、嵌入技術（將相關的測試和材料嵌入到學習系統）等。常用的資源庫支持工具有：瀏覽器（對所需信息進行關鍵字或圖片搜索）、視頻播放器（通過視覺、聽覺的感官對事物的表征進行了解）、記事本（對感知到的事物特性進行記錄）等。

2 基于概念性知識的技術需求

概念性知識重在闡述事物之間的規律和聯系，據此形成相應的法則和原理。由于概念性知識屬于陳述性知識，它的體現形式是靜態的，主要豐富學生的認知結構。STEM學習過程為學生提供了良好的溝通與合作探究機會，其中概念性知識使用的教學策略多為組織策略和精細加工策略。學生接觸新的定義之后，會與原有的認知結構信息進行聯系和匹配，這一過程中不同學生會對事物形成不同的認識，其相關觀點的交流將會讓學生對事物的認識更加全面，從而形成多元化的認知體驗。在STEM課程的開展過程中，基于概念性知識的技術需求主要強調在思維上的即時反饋與記錄。

（1）思維建模

根據有意義學習理論，在STEM課程學習中最重要的環節是概念轉變，即學生在面臨新的信息時進行概念重組。而幫助、促進學生轉變概念的最佳途徑之一，是幫助學生利用各種建模工具，對他們正在學習的內容進行思維建模——通過建立外化的表征，使思維模型得以成型，以促進理解。建模工具有分析學科領域的數據庫（幫助學生找出所需信息并進行反思性和關聯性的分析）、專家系統（通過專家問答引導進行概念轉變）、動態模擬構建工具（對科學現象進行可視化模擬）、可教代理人工具（發出教學指令并輔助學習遷移）等。

（2）即時記錄

學生學習概念性知識時，需要隨時保持思維的敏捷和思路的清晰，進行有效的“頭腦風暴”。簡單的紙筆記錄既浪費時間又容易損壞，而在課堂中利用技術可以隨時做記錄并將相關的知識聯系起來。常用的文本記錄工具有云筆記（隨時隨地進行記錄和保存，將文檔進行保存后還具有共享的功能）、在線電子表等。在對相關知識進行有意義的連接時，學生通常會采用導圖的形式將自己的想法形象地表達出來，其中操作簡單、效率較高的導圖軟件有XMind（在進行“頭腦風暴”時應用較多）、MindManager（多用于項目管理）、Visio（多用于結構關聯圖）、MindMapper（多用于工作流程圖）等。

（3）溝通求證

概念性知識需要學生對法則和原理進行探索、求證。在此過程中，技術對學生溝通的支持主要體現在打破物理空間的局限，便于學生進行在線交互。這里的在線交互不僅指學生與學生之間的在線交流，也包括學生通過騰訊QQ、微信、貼吧、BBS論壇等與外界進行的交流。如通過創建小組QQ交流群，學生先就概念性知識提出自己的觀點，然后由群內成員對不同觀點進行投票。學生對概念性知識的法則和原理進行求證時，大多采用取樣調查或問卷調查分析等，其中可利用的技術是進行文本編輯的辦公軟件、用于問卷制作的問卷星和用于數據分析的SPSS軟件等工具。

3 基于程序性知識的技術需求

程序性知識要求學生在掌握事實性知識和概念性知識的基礎上，在實踐中對知識進行應用和思考。STEM課程中的程序性知識采用創設新情境策略，讓學生在新的問題情境中對學到的知識進行熟練運用和深入思考，并在實際操作過程中通過不斷練習、實驗，達到對程序性知識的熟練掌握。在課程進行的過程中有部分實驗可能存在危險，如會產生爆炸、存在對身體有害的輻射等，此時學生雖不能在現實物理空間中直接進行實驗，但可以通過利用技術打造的仿真模擬環境，來獲得沉浸式的學習體驗。

（1）模擬仿真

模擬仿真是通過建模和仿真計算，對真實世界事物的等比例外形仿真、操作仿真、視覺感受仿真。實驗者通過操作相關的模擬仿真設備，可以獲得身臨其境般的切身體會。STEM課程為學生提供了模擬仿真的學習環境，給學生提供了充分動手的機會，學生可以自己設置各種參數和模擬環境的條件，嘗試做一些在真實世界中無法進行的實驗。由于STEM學科主要為理工科，很多實驗的操作具有一定的風險，但在模擬仿真中因錯誤操作而產生的安全問題不僅會讓學生提高警惕、尋找避開障礙的技巧，而且也能增強學生的安全意識。在STEM課程中，常見的模擬仿真技術主要有兩種：①針對學習環境的模擬仿真技術，如半虛擬的3D仿真教室、虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術、增強現實（Augmented Reality，AR）技術等；②針對學生設計作品的模擬仿真技術，如MATLAB（數據可視化模擬）、3D Max（三維建模渲染和動畫制作）、3D打印機（直接從計算機圖形數據中生成物體模型）、機器人（編程的具體應用）等。

（2）游戲演練

技術人員通過編程和設計，創造出一些游戲情境，讓學生在創設的情境中完成任務，通過游戲來學習在實際生活中可能會用到的知識和技能。在STEM課程中，程序性知識教學可以體現在游戲操作行為和社會情感認識上[6]。

有些游戲要求學生運用科學的推理和復雜的領導技能去取得成功。如智能花園的設計和園內草木的搭配，需要學生選擇合理的種植步驟和植物的位置，這就要求學生根據實際情境全面思考，運用合理的程序完成任務。將STEM問題嵌入到游戲中，學生會自主地提取所需的信息，在此過程中事實性知識得到了積累和應用。此外，游戲演練也會對學生的情感認知產生很大的影響。如在大型游戲“我的世界”中，學生需要通過選擇恰當的材料和物品來創建自己的家園，在抵御外敵侵害時，學生需要建筑城墻或者通過一系列技能來了解敵軍的裝備情況，以保護自己的家園。STEM游戲能吸引學生很快適應角色，積極進行發現問題并極力解決問題的嘗試，在此過程中學生不僅習得了知識和技能，而且培養了STEM職業興趣。

4 基于元認知知識的技術需求

STEM課程學習過程的元認知知識貫穿于整個課程中，讓學生作為認知主體對思維和認知策略進行加工，從而發現適合自己的學習方法[7]。STEM課程要求學生利用學到的知識去解決生活中的實際問題，但學生作為問題解決的新手，欠缺相關的實踐經驗。而技術提供了專家問題解決案例供新手學生參考，讓學生通過對比、反思，來糾正和改善自己在項目過程中的行為。一般而言，元認知知識與學生的自我效能感有很強的聯系，學生對自己是否有能力完成某一件產品以及產品質量如何的判斷，會直接影響學生的內部動機和STEM學習興趣。

（1）反思改進

在STEM課程中，學生通過回憶項目過程中自己的表現，將自己的表現與專家的表現或者標準表現進行對比時，反思便出現了。在反思的過程中，技術的支持主要體現為專家對照系統和多元智能評價技術的應用：專家對照系統通過記錄學生的每一步操作并與專家的操作進行對比，可以評價學生對知識的吸收情況和對任務的執行情況，這樣的評價結果是客觀且具體的；多元智能評價技術可以記錄學生在整個項目過程中的思維和行為，便于學生觀看自己在項目中的角色并進行自我評價，或觀看專家的操作視頻并進行對比、反思，思考自己下次遇到此種情況時如何做得更好。由此可見，通過技術的嵌入，學生可以進行客觀、具體的自我評價，從而對自身的學習情況形成清晰的認識。

（2）發布分享

作為信息時代的“數字土著”，學生可以快捷地利用網絡技術將自己的STEM作品發布出去，以公開展示自己的作品并表達自己的觀點[8]。來自外界對作品的認可，能增強學生的STEM學習動機；而他人的評價和建議可供學生參考，并促使學生對作品進行修改完善、甚至產生新思路，故在一定程度上促進了學生的創造力。對此過程進行支持的技術有：①作品展示多媒體工具，如PPT、音頻制作軟件（會聲會影、Adobe Audition、Flash等）、制圖軟件（Photoshop、美圖秀秀、CAD制圖等）等；②作品發布平臺，如高校論壇、貼吧、YouTube等。

四 小結

本研究基于技術接受模型和技術任務匹配模型，從知識分類角度對STEM課程知識與學生體驗需求進行匹配，通過技術為提高學生的STEM知識與能力提供支持。但是，由于技術豐富多樣且不斷發展，因此需要教育工作者能因地、因時制宜地根據實際需要進行技術與課程的合理匹配，以達到最優的技術支持、實現最佳的學習效果。期待通過STEM教育理念下技術與課程的深度融合，可以提升21世紀學生的綜合能力。

[1]Davis F D, Bagozzi R P, Warshaw P R. User acceptance of computer technology: A comparison of two theoretical models[J]. Management Science, 1989,(8):982-1003.

[2]Goodhue D L, Thompson R L. Task-technology fit and individual performance[J]. Mis Quarterly, 1995,(2):213-236.

[3]劉莉莉.基于技術接受模型的大學生網絡學習平臺意向影響因素研究[D].金華:浙江師范大學,2013:8-11.

[4]倪興荷.運用思維導圖促進初中生分析數學概念性知識的實踐與研究[D].南京:南京師范大學,2014:5-7.

[5]皮連生.教育心理學(第三版)[M].上海:上海教育出版社,2004:24-30.

[6]陳怡君.程序性知識教育游戲設計初探[J].科教文匯,2011,(25):46-47.

[7]蔣志輝,趙呈領,周鳳伶,等.STEM教育背景下中小學生學習力培養策略研究[J].中國電化教育,2017,(2):25-32.

[8]傅騫,劉鵬飛.從驗證到創造——中小學STEM教育應用模式研究[J].中國電化教育,2016,(4):71-78.

Research on the Integration of Technology and Curriculum under the Concept of STEM Education

GAO Kai-tao1GAO Jie1JIA Man2

According to the requirement of our country’s educational objective transforming from knowledge-centered to ability-centered, STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) education could provide feasible way for the continuous development of education reform in the teaching environment, teaching methods and teaching approaches. Regarded the technology acceptance model and the task-technology fit model as theoretic basis, followed the design principles of discipline integration, technological compatibility and technical facility, the integration model of technology and curriculum under the concept of STEM education was proposed through the classification research of STEM courses and the demand analysis of educational technology. In addition, four aspects of technical requirements of the integration of technology and curriculum in STEM education were analyzed, expecting to provide certain guidance for the development of STEM courses in the information technology environment.

STEM education; integration of technology and curriculum; technology acceptance model; task-technology fit model

G40-057

A

1009—8097（2018）09—0106—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.09.016

高凱濤，在讀碩士，研究方向為比較高等教育、高等理工科人才培養，郵箱為596234006@qq.com。

2018年3月6日

編輯：小米