指向“4C 能力”發展的STEM 教育跨學科發展研究*

劉 穎

（云南師范大學 教育科學與管理學院，云南 昆明 650000）

一、引言

2013 年德國認為人類已經進入到了以創新科技為目標的第四次工業革命時代，呼吁為未來社會培養具有創新思維、創新技術的新型人才。我國“六卓越一拔尖”計劃2.0 提出要“強化實踐能力和創新創業能力，培育科學道德、批判精神和創新精神，提升溝通表達能力和團隊協作精神，造就敢闖會創、敢為天下先的青年英才。”[1]

對于STEM 的研究，研究者大多把研究的視角聚焦于STEM 課程的設計當中，要求教師具備STEM 的專業發展能力，但是對STEM 教育的育人價值，也就是STEM教育對學生發展提出的價值訴求沒有給予太多的關注。由此可見，將STEM 教育的育人價值和“4C 能力”的人才培養聯系起來，將會給STEM 教育的研究提供新契機，明確STEM 教育中學生需要達到的層次，為教師和學生的發展提供了一個清晰的方向。

所謂“4C 能力”，是美國制定的“21 世紀學習框架”當中需要發展的學生能力，包括批判性思維能力（Critical Thinking）、溝通能力（Communication）、協作能力（Collaboration）以及創新創造能力（Creativity）。

二、STEM 教育的內涵與特征

1.STEM 教育的內涵

STEM 教育并不是將科學、技術、工程和數學四門學科的教學內容進行簡單的排列組合，或進行一個簡單、機械的拼湊，而是教師通過自身的STEM 專業能力將四門學科組成一個富有生命力的整體。STEM 教育的發展并不是一蹴而就的，而是經歷了圖1 所示的“四個發展階段”[2]，這四個階段的發展又與布盧姆的教育目標分類學的劃分階段相聯系:①分科課程階段，各個學科之間的距離較遠，彼此獨立，呈現出相互分離的狀態，并且存在碎片化知識的特點，此階段各學科之間的關聯性較差，注重的是記憶和理解；②多學科階段，學生能夠在這個階段中習得涵蓋概念和技能的主題內容，多學科階段開始注重將碎片化的知識重新進行排列組合，開始重視各科之間知識的關聯性與交互性；③學科間階段，強調學生在高度相關的兩門以上的學科中學習概念和技能，這一階段高度關注各科知識之間的交互性，強調對知識的應用和分析能力；④跨學科發展階段，即STEM 教育融合階段，這一階段強調圍繞項目驅動實現實際生活中的問題解決，注重學生評價和創造的能力。跨學科教育強調學科之間的融合與發展，并且給予了各個學科自我發展的空間，使各科仍然具備自身學科的特色與課程品質。前面的階段發展成為融合階段發展的重要基石，STEM 教育最終走向的是學科之間的融合與創新。

圖1 STEM 教育發展階段關系圖

2.STEM 教育的特征

（1）以跨學科教育為核心，實現多門學科的交叉性

傳統教育將知識按具體學科劃分，強調學科知識組織的條理化、邏輯化以及系統化，目的是為了形成結構良好的知識板塊，使學生對知識的學習有更高層次上的把握。但是，這種強制性的劃分同時也割裂了學科知識之間的內在聯系，分裂的知識之間相互掣肘，最終導致學生的學習缺乏真實的問題情境。

STEM 教育的核心就是打破原有知識之間的阻礙，整合課程學科知識，使之形成一種跨學科的教育組織形式。“跨學科課程整合就是環繞一個共同的主題，打破學科的界限，把不同學科、不同領域的理論和方法有機結合，有目的、有計劃地設計組織課程內容和教學活動，以提高學生能力、促進學生全面發展為最終目的的一種課程組織方式和課程設計理念。”[3]

“將各科內容改造成以問題為核心的課程組織，通過序列化的問題有機串接起各學科知識，使課程要素形成有機聯系和有機結構。”[4]STEM 教育的訴求就是促使各學科形成一個有機的序列和結構，在多門學科的整合過程中找到學科知識的銜接點，圍繞真實情境展開，促進學生的科學思維能力和動手能力。跨學科知識的整合能夠促使學生掌握問題解決的能力與素養，觸發學生思考與自主學習的能力。

（2）以真實情境為依托，倡導現實生活的回歸性

STEM 教育跨學科學習注重學生運用所學的知識在真實的情境中能夠解決實際的問題，強調在生活中的學習，要求學生能夠對生活中出現的問題尋根究底，找到問題解決的辦法，從而促使學生具備團隊協作以及創新創造的能力。

Anne Jolly 通過總結實踐案例得出了STEM 課程具有六大優勢，其中最主要的是STEM 課程能夠聚焦于真實世界中的問題，隨后才是在此基礎上進行項目導向或問題解決的學習。“跨學科STEM 教育強調以真實問題或主題為驅動，利用科學、技術、工程、數學以及藝術等多學科相互關聯的跨學科概念知識解決問題，實現從跨學科知識綜合應用的角度提高學生解決問題、探究和創造的能力。”[5]跨學科STEM 教育區別于傳統教育圍繞教科書展開的學習方式，尋求的是學生在真實問題的情境下，利用自身的知識、經驗以及技能，并且能夠依靠技術找到問題解決的辦法。STEM 跨學科教育以真實性問題為依托，學生通過在團隊小組中的互動，交流學習的經驗與方法，為實際生活中出現的問題提出具有創新性的解決方法，從而培養學生學習的遷移性，依靠建構性的思維實現對問題的深層次理解，培養學生的動手能力。

（3）以項目驅動為目標，促進問題解決的多維性

“STEM 教育是真實問題情景下的教育，學生面臨的是一個個劣構、復雜的學習問題，為了方便學生理解和掌握，需要把問題轉化為可操作的項目，學習的實質就是解決問題和完成項目的過程。所以，項目的設計是STEM 教育的核心工作和著力點。”[6]STEM 課程當中，學生面對的不是結構良好的問題形式，而是結構不良好的問題設計，教師在設計項目或是活動的時候就要有意識地將劣構的問題進行高級思維層次的把控。因此，教師要組織學生開展基于項目的學習，基于項目的學習本質上要求學生和教師形成學習共同體，在這個過程當中，教師扮演的是引導者的角色，教師除了通過給學生提供引發問題思考的“支架”促進學生對真實情境的把握之外，沒有其余的教學影響。學生在實際的操作過程當中通過自身對問題的探索與反思，不斷促進知識在個體、群體之間進行流轉，從而促使學生具備反思性的學習品質，促進自身科學素養與能力素養的發展。個體參與知識共享的過程，就是獲取跨界知識主動建構的過程。”[7]

（4）以現代技術為支撐，保證學習活動的有效性

教育技術的發展為STEM 教育提供技術上的支持，為了實現STEM 教育更好地發展，各個國家都在為STEM 教育的未來教室尋找更好的技術支持和設備支撐。在STEM 教育中，交互式白板、平板電腦、觸摸屏等現代化教學設備能夠給學生的學習帶來更好的觀感和體驗，教師能夠為學生提供線上教學資源，學生也能夠更好地進行學習。“在21 世紀的今天，電子化學習作為將世界教育與課堂連接在一起的技術手段，是知識經濟發展的必然要求，是教育信息化發展的必然方向，是世界各國基礎教育信息化新戰略的核心。”[8]

在STEM 的教育教學過程中，已經改變了傳統的“一桌一椅一黑板”的教學方式，學生在STEM 教室中可以觸及平板電腦、3D 打印機、體感設備等現代化的教育設備，在這種由新型的教育設備配備的教室中，學生可以對STEM 項目有更高思維層次的把控。STEM 教育作為依靠教育技術與現代化的工具圍繞真實情境展開的新型教育教學活動，可以激發學生的學習動機，學生在不斷探索與實踐的過程中能夠始終保持對新事物的好奇心，維持學生的學習興趣。

三、“4C 能力”與STEM 教育跨學科發展的關系

“‘4C 能力’作為21 世紀必須掌握的能力，可以通過創新式的學習方法來實現問題或項目的學習，這種學習能力鼓勵合作，培訓溝通能力，促進元認知知識的學習，設計與真實相關的學習世界，以學生為中心。”[9]

“4C 能力”要求學生的學習不是無意義的學習，而是有意義的學習，學生通過在學習過程中實現對問題的解決，從而對理論和實踐有一個高層次的把握，達到深度學習的要求。基于“4C 能力”的STEM 跨學科學習，是在四門學科的學科知識基礎上，圍繞跨學科知識的一個統一的核心主題，運用現代化技術設備的教學組織形式，培養學生批判性思維、溝通能力、協作能力以及創新創造能力為一體的系列實踐課程。二者關系如圖2 所示。

圖2 “4C 能力”與STEM 教育關系圖

1.“4C 能力”是STEM 教育跨學科發展的最終目標

“4C 能力”培養的創客課程具有“六大特征”[7]，主要包括以下內容：①融合性，以STEM 教育理念為指導，打破學科界限，強調跨學科知識的融合；②實踐性，以現實生活的真實問題為導向，設置課程主題，強調“做中學”的直接體驗；③探究性，以培養學生發現問題、提出問題、分析問題、解決問題的能力為目標，設計課程活動，強調在復雜情境中獲取有價值信息的敏銳度和洞察力；④協同性，以團隊協作、人機協作活動為核心，設計課程任務，強調師生多方參與協同完成；⑤創新性，以激發學生學習興趣為出發點，組織課程內容，強調創意與成果的作品化，在實踐中勇于創新；⑥分享性，以提高學生的自我效能感為目標，設計課程目標，強調以作品展示和語言表達來分享快樂。

這些圍繞“4C 能力”展開的課程設計目標體現出批判性的思維能力、溝通能力、協作能力和創新創造能力的價值訴求，形成反省性的思維品質。STEM 教育跨學科的發展依靠真實情境為出發點的項目活動設計，用現代化的技術手段作為STEM 課程的技術保障，最終實現學生創新能力的發展。STEM 課程最主要的學習是跨學科知識的學習，對兩門或以上的學科進行學科知識之間的聯系與融合，是一門培養學生運用創新知識和創造技能解決真實情境中發生問題的綜合實踐課程，使學生具備探索式的思維模式和實踐技巧。

2.STEM 教育跨學科發展是實現“4C 能力”發展的重要途徑

STEM 教育圍繞四門學科展開，以整合的教學方式培養學生知識和技能的掌握，融合的STEM 教育具備新的核心特征，即“跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性。”[4]美國學者艾布特斯（Abts）認為STEM 課程屬于“元科學”（metadiscipline）的課程范式，它的訴求是對知識原理的不斷追溯，最終促使四門學科知識結構具備統整性的特點，它們存在于真實世界當中，彼此聯系。STEM 教育促使四門學科的知識內部進行一個有機的運作與整合，將彼此形成一個龐大的知識體系，各個知識脫離相互獨立的狀態，從而實現知識之間的跨越與銜接，在真實情境中檢驗學生對理論知識和實踐技能的掌握程度，從而實現反思性的教學，培養學生對于問題解決的復合思維品質和反省思維能力，突破創新性的學習方法。

“4C 能力”的培養與發展最終的訴求是發展學生的批判性思維、溝通能力、協作能力以及創新創造能力，而STEM 課程恰好通過圍繞真實情境中的項目驅動來展開設計，要求學生在項目完成或解決問題的過程中運用溝通能力、協作能力等呈現作品。“關于學習和創新技能的主題，或稱為學習和創新技能，被描述為批判性思維技能、溝通和協作、創造力和創新，這些技能在核心研究領域的每個背景和21 世紀的學習主題中被教授。”[10]“4C能力”的培養需要通過STEM 課程這一路徑來實現其中的核心價值訴求。

四、指向“4C 能力”發展的STEM 教育跨學科發展路徑

1.加強STEM 課程師資隊伍建設

STEM 課程自開設以來，最終指向的是學生“4C 能力”的發展，STEM 課程是一個統整性的綜合活動實踐課程，這就對教師課程整合的能力要求頗高。“但是，教師將原本分科的教材內容直接安置到STEM 課程主題之下，出現為整合而整合、不協調等拼湊現象。”[11]David 的研究顯示，“STEM 教育的整合可能面臨K-12 教師極少獲得工程學位，因為對工程沒有深刻理解，不能很好地激發學生對工程方法興趣的現實難題。”[12]

STEM 課程作為一門綜合性較強的課程，需要培養專門的STEM 課程師資隊伍，不能將四門學科的知識進行簡單的拼湊，要想發展學生的STEM 科學素養，促進學生的深度學習和遷移學習以及維持學生的學習興趣，要求教師的教學方式和教學理念有一個深層次的轉變，需要教師發展自身的STEM 學科專業素養，促進教師STEM 課程整合的意識和能力。

美國STEM 教育國家研究院（The National Institute for STEM Education，簡稱NISE）為實施STEM 教育的教室、學校和地區頒發證書。應用一個能力本位的、學術性引領的在線學習平臺，通過對三大領域共15 種教師行為的熟練程度進行論證，用以認證教師STEM 教育專業技能。因此，如果要保證STEM 教師專業能力的可持續發展，應當創辦STEM 教育專業、開展STEM 教育教師培訓課程、組建STEM 教育團隊、設立STEM 教育研究機構、設立STEM 教育特色校等等。

2.合理配置STEM 課程現代技術資源

STEM 教育主張技術作為課程開展的有力支撐，強調學生要具備一定的技術素養，要求學生了解現代化教育技術的使用過程，以備日后STEM 課程的學習，培養學生善于運用技術解決問題的能力，從而支持深度學習的發生。“問題解決或項目完成需要學習者在大量信息基礎上進行自主學習、意義建構，因此設計STEM 的學習環境和豐富的學習資源與工具是STEM 教學設計必不可少的環節。”[4]STEM 課程技術資源的設計主要包括在教學中需要用到的各項設備、器材和各種信息化工具，如3D 打印機、開源電路板的使用等等。這些工具的使用能夠為學生的跨學科能力提供技術支持，在很大程度上提高學生的問題解決能力。

為了實現最優質的STEM 教學技術資源，首先，要整合現代信息技術，選擇本次STEM 課程需要用到的技術資源。這就需要教師在STEM 課程開始時就確定與選擇與本次課程相關的技術設備，并且要提前告知學生本次課程將使用哪些設備。其次，要將選擇的STEM 教學技術資源與STEM 課程的教學設計進行配套使用，利用Scratch 可視化程序設計等工具作為STEM 課程發展的項目支撐，在技術設備使用的過程中要維持學生的學習興趣與學習狀態，以免學生因操作問題而喪失了學習的動機。最后，對本次使用的技術資源教學效果進行有效的評價與評估，要對學生完成的作品進行一個可視化的分析，促使學生在自己完成的基礎上形成反思與改進，檢驗教育技術是否為學生的發展帶來新的機遇。

3.設置完整的STEM 課程方案設計

目前，人們對STEM 課程仍舊存在兩個誤區：一是將STEM 課程整合理解為科學、技術、工程和數學四門學科分支的綜合，教師對STEM 課程的理解局限于四門課程簡單的疊加，出現為整合而整合的現象；二是將STEM 課程與綜合課程、綜合實踐活動課程相混淆，這兩種誤區的存在都是因為教師沒有明確的STEM 課程理念和STEM 課程的方案設計。“STEM 教育學習項目不是課外的科技小組活動，它是一種與傳統課堂教學不同的課程教學方式。它要有明確的教學目標、教學進度、教學策略和教學評價。”[13]將散亂的學科知識進行有機的整合，從而形成跨學科知識系統，這正是STEM 課程整合的出發點，在STEM 課程的整合過程當中，需要具備系統健全的課程標準，在教學目標、教學內容、教學過程、教學方法、教學評價等方面都要進行詳細規劃，由此將STEM 課程的權威性和有效性確定下來。

STEM 課程的學習應當以真實情境中的問題為核心，在教師的幫助下由學生創造性地解決實際的問題，不僅保持了問題設計的真實性，同時也激發了學生學習的創造性。選取教師和學生共同關注的真實問題或主題，形成本次STEM 課程的框架和范圍，確定相關的活動和經驗的提取，共同開展活動、制定評價標準，最后開展STEM 課程的評價，通過師生共同參與的STEM 活動，學生的溝通能力、協作能力才能得以發揮。

STEM 課程的劃分可以根據不同的主題和項目活動內容進行劃分，在保障項目和主體能夠完成的情況下，教師可以根據自己STEM 課程教學的進度進行能力層次難度的劃分，促使每一個學生都能參與到學習中來，避免出現學生學習的“邊緣化”現象。

根據這些主題所包含的學習任務不同，教師的STEM 課程設計也有所差別，但是優秀的STEM 課程教學計劃最終要明晰的是本次STEM 課程的教學目標、教學內容、教學方法以及教學評價，并且STEM 教師要了解學生在課上能夠學到哪些知識，這些知識應當學到什么程度，學生的思維品質最終要如何發展等等，這些問題都是教師需要考慮的。通過設置完整的STEM 課程方案設計，對學生STEM 素養發展有一個準確的把握，由此能夠成為發展學生“4C 能力”品質的有效保證。

五、總結

STEM 教育作為一種全新的教學范式，顛覆了傳統的教學組織形式，為未來社會的人才培養觀奠定了方向，即STEM 教育跨學科發展最終要實現的是學生圍繞項目活動的展開在小組活動中進行有效的溝通和協作，從而形成創造性的思維品質，STEM 教育不是一個人的學習，而是將學生的智慧聚集在一起，激發創造性的思維碰撞。指向“4C 能力”發展的STEM 教育跨學科發展還應當注重以下幾個方面：一是STEM 課程的教學設計，STEM 課程是否應當有一個統一指導性的課程體系，如果有，教師應當如何結合學生的情況進行校本課程的開發；二是STEM 教師專業發展的問題，STEM 課程對教師的要求較高，教師的專業發展能力是否應當有一個標準，這些標準又有哪些維度和量化的指標體系。這兩個方面都需要學者們進行深入的實踐與探索，從而為培養21 世紀需要的具有“4C 能力”素養的人才做好充分的準備。