應用LACID理論進行STEM課程開發(fā)初探

楊開城 李波 竇玲玉 公平

摘要：課程開發(fā)是STEM領域首個需要解決的問題。一個合格的STEM課程不但要以問題驅(qū)動、創(chuàng)中學、協(xié)作探究和設計制造為外部特征，而且還要滿足目標一手段一致性、學生參與度、媒體多元性、教師自由度以及STEM整合度等指標的要求。這種STEM課程的開發(fā)需要運用課程開發(fā)技術和教學設計技術，并且需要詳案設計。該文在以學習活動為中心的教學設計（Learning-Activity-Centered Instructional Design，LACID）理論基礎上，構(gòu)建了一個STEM課程開發(fā)過程模式，并以“設計風車”主題為例，介紹了一個STEM課程單元的設計細節(jié)。這個課程開發(fā)過程模式的主要步驟包括：創(chuàng)設STEM主題、知識建模、學習活動設計、設計優(yōu)化、缺陷分析與修正，其中STEM主題的核心內(nèi)容必須包括學生作品的功能與測試方法、學生需要解決的問題，知識建模的作用是使STEM課程知識內(nèi)容的清晰化和可視化，也是后續(xù)學習活動設計的數(shù)據(jù)基礎。

關鍵詞：STEM;課程開發(fā);LACID;STEM整合度;目標一手段一致性

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A

相對于分科式教學不利于知識體系從部分到整體的理解和把握、割裂教育和真實世界的有機聯(lián)系[1]，緣起于20世紀80年代美國教育界的STEM教育[2]強調(diào)的是面向真實生活的問題解決和整合創(chuàng)新，關注的是多學科的交叉融合，試圖將科學（Science）、技術（Technology）、T程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）四門學科組合形成有機整體[3]。STEM教育旨在追求跨學科性、實踐體驗性、情境性、協(xié)作性、創(chuàng)新性等特征[4][5]。然而目前的STEM教育研究卻不盡如人意，這主要表現(xiàn)在：我們在STEM課程層次上缺乏清晰的統(tǒng)一認識與理論指導，STEM課程研究的深度與系統(tǒng)性嚴重欠缺[6];現(xiàn)有的一些STEM課程只重視外在教學形式上的整合，忽略跨學科知識的滲透，課程開發(fā)呈現(xiàn)零散的狀態(tài)，未成體系，難以促進學生的深度學習[7];有些課程整合視野窄化、缺乏整體性，陷入到一種機械的、簡單的拼盤模式，成為“偽整合”的課程[8]，找不到各學科之間的融合點，最后就變成了為跨學科而跨學科的多學科大雜燴[9];STEM課程與教學大綱以及評價體系的設計仍是一種挑戰(zhàn)[10]。這可能是因為我國基礎教育長期陷于“應試”陷阱，缺乏工程（Engineering）與技術（Technology）方面的教育經(jīng)驗[11]，以往的實踐經(jīng)驗難以移植到STEM領域，而從國外引入的課程（質(zhì)量先不說）不符合國內(nèi)價值觀或?qū)嵺`條件，出現(xiàn)水土不服的情況等[12]，亦不堪大用。從實踐角度看，這些狀況皆源白人們不懂得如何開發(fā)STEM課程。因此說，STEM領域的首個難題不是教學研究而是課程開發(fā)研究。

一、STEM課程的外部特征和內(nèi)隱指標

STEM的初衷是通過知識整合而生成創(chuàng)新能力。這個創(chuàng)新能力的實質(zhì)是將S.T.E.M.知識應用于發(fā)明創(chuàng)造的能力而非純粹依賴直觀經(jīng)驗的制作能力。s.T.E.M.知識中，科學知識的功能是解釋和預測，技術知識的功能是實現(xiàn)某種物質(zhì)能量信息的變換，工程知識的功能是創(chuàng)造發(fā)明的系統(tǒng)化控制（目的是節(jié)約時間成本），數(shù)學知識的功能是長程推理、定量思考以及為技術系統(tǒng)提供數(shù)形規(guī)律。由此可知，總體上講，STEM課程不是讓學生“看世界”，而是讓學生“做東西”，而且學生所做的東西是有真實世界的問題背景或可直接解決現(xiàn)實生活中的某些問題的。問題僅在于做什么東西以及如何做！為了通過“做東西”整合S.T.E.M.知識并發(fā)揮學生的創(chuàng)造性，學生的作品必須包含特定的技術要素，這個技術要素必須通過工程設計流程建立起來，作品還要以某種科學知識為背景，科學知識要么解釋了技術要素的功能，要么解釋了這個作品所針對的問題，如果有可能，上述思維過程要嵌入特定的數(shù)學知識。這個創(chuàng)制作品的全過程需要一定的挑戰(zhàn)性，有障礙需要克服、有問題需要解決，因此需要以協(xié)作探究的方式展開，并以群體動力確保學生的耐心和堅持。

總之，STEM課程的外部特征包括：問題驅(qū)動、創(chuàng)中學、協(xié)作探究和設計制造。但開發(fā)STEM課程產(chǎn)品，僅僅關注這些外在特征還不夠。STEM課程產(chǎn)品還需要滿足下面的內(nèi)隱指標，否則它所生成的STEM學習活動將會是形式大于內(nèi)容的“偽整合”。

（一）目標一手段一致性

目標一手段一致性是任何課程產(chǎn)品必須滿足的核心指標。這個指標得不到不滿足，其他指標毫無意義。這個指標是指，課程和教學自身所有的設置，包括任務設定、交互過程、媒體配置、信息組織等等，都指向某特定的課程目標或教學目標（在特定語境下它們義稱為學習目標）。在課程開發(fā)和教學設計過程中，目標是非常重要的。課程目標是課程的核心屬性，課程是為了達到特定的課程目標而組織起來的以知識形態(tài)傳遞的文化及對其傳遞方式和進程的規(guī)定[13];課程必須通過教學設計才能轉(zhuǎn)化為教學行動，而教學目標作為教學設計的基礎環(huán)節(jié)[14]，對教學設計具有引領作用。但無論是課程目標還是教學目標，它們都是聲稱的、抽象的，它不等于課程或教學系統(tǒng)的功能。只有手段才有功能。具體的課程產(chǎn)品和教學方案就是手段。教育實踐關注的并不是聲稱的目標而是實實在在的功能。由于目標是抽象的、聲稱的，而手段并不是由目標自然產(chǎn)生的而是人為設計的結(jié)果，因此對于課程和教學方案而言，目標一手段一致性是標識課程和教學方案質(zhì)量的核心指標。

（二）學生參與度

學生參與度是指學生以豐富多樣的行為參與到課程及教學方案所規(guī)定的學習活動的程度。學生參與度越高，教學過程的教學效果就會越好。當然，學生的參與不僅僅表現(xiàn)為對教師行為的簡單回應，更重要的是為師生交互提供實質(zhì)的、指向?qū)W習目標的具體信息。

（三）媒體多元性

媒體多元性是指課程產(chǎn)品和教學方案所包含的信息呈現(xiàn)以及學習成果呈現(xiàn)所利用媒體形式的豐富性。豐富的媒體形式提供了豐富的信息刺激.其中也蘊含著對學生獨特智能形式的包容。

（四）教師自由度

教師自由度是指教師在多大程度上可以調(diào)整課程產(chǎn)品中的預設，包括任務、交互、媒體、規(guī)則，等等。恰當?shù)慕處熥杂啥仁翘岣哒n程實施過程中教師主體性的重要因素。但并非教師自由度越高越好，因為教師的某些調(diào)整可能會傷害課程的目標一手段一致性等上述三個指標。

（五）s.T.E.M.整合度

s.T.E.M.整合度是獨屬于STEM課程的質(zhì)量指標。這個指標一方面是指具體的S.T.E.M.知識白然地出現(xiàn)在STEM學習活動之中，在學生“創(chuàng)中學”的“問題解決”過程中發(fā)揮其特定的知識功能，以期達到“在交往中生成理性、用知識驅(qū)動思考、用創(chuàng)造體驗力量”的效果，另一方面在上述整合過程中凸顯STEM課程的核心價值：科學精神——基于事實、精確判斷、勇于質(zhì)疑、理性證偽、平等溝通、創(chuàng)新意識與協(xié)作精神，等等。

二、STEM課程開發(fā)的基本思路及過程模式

目標一手段一致性是首要的、根本的指標，只有滿足了這一指標，才能討論其他指標。何以達到目標一手段的一致性？這需要三個數(shù)據(jù)性條件：（1）目標的清晰表征;（2）手段的清晰完整表征;（3）目標和手段之間的操作性邏輯聯(lián)系。也就是說，只有我們清晰地表征了目標，同時也清晰完整地表征了手段，并且也擁有從目標到手段的信息變換的全過程，我們才能判斷那個手段是否指向那個目標，同時自然地確信這樣的手段可以產(chǎn)生目標所指向的預期學習結(jié)果。很明顯，這要求我們將課程開發(fā)和教學設計過程技術化（否則無法生成上述數(shù)據(jù)），并因此自然生成作為手段的詳案設計。所謂詳案設計，是指將教學交互的細節(jié)設計出來，通過細節(jié)設計將目標所蘊含的信息落實到位（落實到言語和行為以及媒體上）。雖然詳案設計的立場并不，也無法要求教師按照詳案將教學“演出來”。但詳案設計不僅有助于教師理解“手段”以及“手段”所指向的原本抽象的“目標”，而且也為檢驗和調(diào)整學生參與度、教師自由度、媒體多元性以及STEM整合度提供了機會，因為詳案設計預設了師生行為以及他們所使用的各種資源T具詳情，人們很容易判斷哪些環(huán)節(jié)運用了哪些s.T.E.M.知識、科學精神和其它價值觀體現(xiàn)在哪些行為和規(guī)則上、哪些環(huán)節(jié)是學生參與的、哪些環(huán)節(jié)是學生自主的、在何處可以增減設問、哪些方面可以調(diào)整媒體表征形式、在何處可以將學生學習外顯化、哪些方面是教師可以自由調(diào)整的以及調(diào)整的空間（比如言語風格、學習方式，等等）到底有多大。由于詳案信息量很大，設計交互時開發(fā)者可能會因為過度關注細節(jié)以及某些理念的誤導，使其設計偏離目標，因此整個設計過程必須被置于一個技術過程之下才能最大限度避免這種情況的發(fā)生。我們主張，STEM課程的開發(fā)過程按照圖1所示的模式展開。這個過程模式是在以學習活動為中心的教學設計理論（Learning-Activity-Centered Instructional Design，LACID）[15]為基礎上提出來的，并初步經(jīng)受了實操的檢驗。

（-）STEM主題創(chuàng)意的生成

STEM課程開發(fā)的第一個任務是確定STEM課程的單元主題。也正是包含這個操作，圖1所示的整個操作過程在性質(zhì)上屬于課程開發(fā)而非單純的教學設計。

STEM單元主題蘊含兩個方面的信息，一是“學生所創(chuàng)的最終作品是什么”，因為STEM的核心是“發(fā)明創(chuàng)造”;二是“在這個發(fā)明創(chuàng)造過程中，學生需要運用什么知識去理解和解決什么問題”。學生的創(chuàng)造發(fā)明過程需要遵循特定學段的學生們能夠理解和應用的T程設計過程，這便融人了工程學知識。任何創(chuàng)造發(fā)明都需要使用特定的材料、模塊等基礎技術部件，甚至要求系統(tǒng)級的“技術革新”，這便融人了技術知識。而這個發(fā)明可能基于特定的問題背景，這個問題背景可能需要特定的科學知識，而且有些技術部件和技術系統(tǒng)的技術原理與科學有關，因此可以融人科學知識。由于工程設計都在特定限制條件下展開，并且要達到一定的外部要求或功能，這些要求和功能可能隱含著數(shù)學知識，某些技術部件的制作也可能應用數(shù)學知識，這就融入了數(shù)學知識。上述這些知識的融人需要被納入到那個問題解決過程，因此需要將上述可能融人的知識做個初步的鑒別和分析，搞清楚這個單元都涉及到哪些S.T.E.M.知識。當然，在這個階段，STEM課程開發(fā)者必須親手操作一遍這個主題，做一系列科學實驗，制作那件作品，以檢驗這個主題的可行性、所需各種材料和部件的易獲取性和可用性以及上述S.T.E.M.知識應用的真實性。最后，為了能使得這個STEM主題更具有吸引力，需要對這個主題進行包裝，配以特定的故事、情境等等。總之，這個階段需要確定以下5個方面的信息：（1）情境故事或問題情境;（2）工程設計作品的功能以及檢驗方法;（3）需要學生解決的挑戰(zhàn)性問題;（4）所應用S.T.E.M.的知識列表（概要）;（5）所需的材料及技術部件。

（_）STEM課程的知識清晰化——知識建模

有了STEM主題以及粗略的知識分析還不夠，它們無法支撐后續(xù)的設計。我們需要將STEM主題所蘊含的全部S.T.E.M.知識完整清晰地呈現(xiàn)出來，并以此為基礎進行后續(xù)設計。這是一個知識可視化的過程，也是一個STEM課程知識數(shù)據(jù)化的過程。由于知識天然是網(wǎng)絡的，因此我們最好繪制一張知識網(wǎng)絡圖來表征一個STEM課程中的知識。但一般的知識網(wǎng)絡圖會存在數(shù)據(jù)不一致的問題（針對同一材料，不同的分析者所繪制的知識網(wǎng)絡圖嚴重不同，卻都是正確的），因此我們需要采用LACID中的知識建模技術，將一個STEM課程中的知識繪制成一種特殊的知識網(wǎng)絡圖——知識建模圖。知識建模的過程是根據(jù)知識語義、按照特定的繪制規(guī)范、提取知識點并繪制出知識網(wǎng)絡圖的過程，它所繪制的知識網(wǎng)絡圖不是知識語義圖而是知識點之間的隸屬關系圖。

知識建模將知識點分為符號和名稱SM（Symbol）、概念CN（Concept）、原理和公式PF（Principle andFormula）、格式FM（Format）、過程和步驟PS（Processand Step）、認知策略CS（Cognirive Strategy）、事實和范例（Fact andCase7種類型，并規(guī)定了19種知識點之間的關系，比如“是一種”“結(jié)論包含”“內(nèi)容包含”“步驟包含”“組成”，等等。知識建模還規(guī)定，不同類型的知識點在知識建模圖中用不同形狀來表示，SM知識用橢圓表示、CN知識用圓表示、PF知識用矩形表示、FM知識用梯形表示、Ps知識用圓角矩形口表示、cs知識用圓柱表示、FC知識用表示。

由于知識建模圖是知識點之間的隸屬關系圖，因此，針對同一材料，不同分析者所繪制的知識建模圖具有令人滿意的一致性[16]。同時，由于STEM課程開發(fā)常常是多人協(xié)作展開的，團隊內(nèi)部針對STEM課程知識進行溝通時，知識建模圖是一個非常好用而客觀的中介。

（三）學習活動設計

LACID認為教學系統(tǒng)由學習活動組成。如圖2所示，學習目標是學習活動的重要屬性，學習活動的其他成分包括：活動任務、交互過程、學習工具、學習資源、學習成果和活動規(guī)則，其中交互過程包含學習方法和學習方式，學習資源包括信息組織和媒體形態(tài)。學習活動設計的核心是活動任務設計，并且所有設計的數(shù)據(jù)基礎就是知識建模圖。

知識建模圖清晰完整地呈現(xiàn)了一個STEM課程單元所包含的全部知識內(nèi)容。知識建模圖中有的知識點是先決知識點，有些知識點是目標知識點。有了知識建模圖，我們便清楚地知道，整個STEM課程單元的能力目標：知識建模圖中的知識點的應用能力。LACID用“（知識點，學習水平）”的二維目標形式來表征學習目標。這種目標表征包含兩個維度，一個是知識點，另一個是學習水平，其中知識點就是知識建模圖中的目標知識點，學習水平包括理解和應用兩種。這種學習目標表征雖稍顯瑣碎，但比自然語言的描述更加清晰具體。基于這種學習目標表征，面對知識建模圖，我們可以直接判斷整個STEM課程單元的學習目標集合：哪些知識點需要先達到理解再達到應用的水平，哪些知識點已經(jīng)達到了理解水平因此本單元只考慮應用的水平。由于知識建模圖是連通圖，那些關聯(lián)緊密的知識點通常要“一起學”，因此學習目標的組合和分配也大致清楚。接下來就是根據(jù)知識建模圖的實際情況以及知識點的其它學習論特征（比如，抽象度、難度、關聯(lián)的知識語義，等等）將知識建模圖劃分出多個知識子圖，這些知識子圖之間允許交叉重復。這些知識子圖義稱為知識組塊。LACID主張根據(jù)知識組塊的特征以及組塊中知識點的學習水平（即學習目標）為學生設計活動任務，再將活動任務組合成學習活動，然后將學習活動組合成一節(jié)課。這樣逐層組合而完成STEM課程單元的設計。

LACID根據(jù)學習目標的差異將活動任務區(qū)分為達到理解類目標的意義建構(gòu)任務和達到應用類目標的能力生成任務，并規(guī)定了A-F共6類意義建構(gòu)任務及其所對應的知識組塊特征，還規(guī)定了4類能力生成任務，包括創(chuàng)建實例、分析實例、補充拓展實例和問題解決。開發(fā)者根據(jù)學習目標來選擇任務類型，可設計單類型任務，也可設計復合類型任務。確定任務類型之后，再確定任務的具體描述，即通過何種具體事務來讓學生完成特定的學習目標。有了具體的事務描述，開發(fā)者接下來便需要根據(jù)這個描述進行師生交互設計、活動規(guī)則設計以及根據(jù)設計細節(jié)完成媒體材料的設計。這些設計必須圍繞那個知識組塊、按照特定的任務類型的要求進行，這樣就滿足了目標一手段一致性的要求，同時也會落實S.T.E.M.知識的整合。此外，在設計交互時，開發(fā)者需要考慮外部學習事務的多樣性，在交互設計中嵌入多樣學習方式、增加學生行為的多樣性、設置有趣的設問、選擇符合科學精神等價值觀的活動規(guī)則。

只要不破壞整個學習活動的目標一手段一致性，課程開發(fā)者以及教師都可以針對師生交互、資源工具、活動規(guī)則進行靈活的個性化設計，通過這種靈活的個性化設計，務實地提升學生參與度、媒體多元性，同時師生交互、資源工具、活動規(guī)則的設計空間也就是教師自由度空間，它確保教師具有合理的自由度——教師按照自己的方式實現(xiàn)特定知識點（知識組塊）、特定的學習目標與方式（任務類型）以及特定的價值觀熏陶（活動規(guī)則）。

（四）設計優(yōu)化

設計優(yōu)化環(huán)節(jié)主要關注學習動力維護以及檢查STEM理念落實的情況。

LACID認為學習動力是一個獨立的系統(tǒng)，并為該系統(tǒng)提供了如圖3所示的CASPER-POP-CRC動力設計模型。在初步設計完成之后，設計者利用此模型調(diào)整學習活動的所有設計細節(jié)以求激發(fā)和維持學生的學習動力。當然，經(jīng)驗豐富的LACID設計者會在之前設計過程中就考慮了學習動力問題，這一步只是查缺補漏。

STEM課程的知識需要整合于細節(jié)，并且要求通過細節(jié)體現(xiàn)科學精神。因此在這個步驟中，設計者還需要考慮科學精神的方方面面是否可以嵌入到學習活動的各個成分之中。當然，如果經(jīng)驗豐富，這部分工作也會在前期設計過程中完成，這一步仍是查缺補漏。

（五）缺陷分析與修正

STEM課程產(chǎn)品的設計開發(fā)過程是一個繁雜義耗時的操作過程，很難一蹴而就。因此產(chǎn)品初步完成之后，需要對它進行缺陷分析及修正。最徹底的缺陷分析方法就是“試課”，通過真實地實施該課程，考察其在實施過程中暴露出來的設計缺陷并及時改正。

但我們并不主張在課程實施時關注學生的學習績效，通過前后測對比表明課程實施的成功。在現(xiàn)階段我們無法從學生的學業(yè)成績出將他們的成績歸因到某個孤立要素，比如課程質(zhì)量、教學方法、教學風格、媒體工具、教師職業(yè)態(tài)度，等等。更何況，學生群體表現(xiàn)的多樣性使得何謂課程的成功無法具有客觀標準。而設計良好的課程對師生行為表現(xiàn)是有預期的，它們被設計到了課程產(chǎn)品之中。因此我們認為，在確保目標一手段一致性等其他指標合理的前提下，所設計的師生交互能夠成功地被轉(zhuǎn)化為真實的師生行為的課程便是合格的課程，至于“哪些師生行為既符合學習規(guī)律義能夠真實發(fā)生？”則是另一個問題。

所以，我們主張從教師的教學實施與課程產(chǎn)品設計之間的差異中尋找課程的設計缺陷，并間接地佐證課程產(chǎn)品的質(zhì)量。具體做法是：（1）將實施STEM課程的教學過程拍攝下來;（2）將STEM課程中的教學方案與相應的教學過程都轉(zhuǎn)化為教學過程機制圖;（3）對比這兩個機制圖、查找二者的差異（不一致之處）;（4）盡量將這些差異歸結(jié)為課程的設計缺陷并修改課程設計。其中，教學過程機制圖分析法是關鍵，因為沒有教學過程機制圖，教學方案和真實的教學活動過程（教學視頻）不具有可比性。教學過程機制圖能為我們提供一個教學系統(tǒng)的中觀真相[17]，它主要包含學習活動中參與者的角色行為統(tǒng)計和行為序列信息、師生交互所對應的知識組塊以及對特定教學活動的定性描述。有了教學過程機制圖，我們便可以考察靜態(tài)的教學方案與真實的教學過程之間的差異，并且反思這些差異是否是教學方案設計不良引起的，進而考察教學方案背后的更深層的課程設計缺陷。

三、STEM課程開發(fā)案例

下面以某公司的“抓住風：設計風車”這一模塊為例，說明上述STEM課程的設計過程的核心環(huán)節(jié)。

（一）STEM創(chuàng)意——設計風車

該模塊提供了一個背景故事：故事的主人公雷夫和他的表妹遇到了一個問題：他們的池塘里魚兒缺氧了;雷夫決定制作一個風車，利用風能來帶動槳，為池塘里的魚兒補充氧氣;在這個過程中雷夫?qū)W會了很多關于風能、機器和風車的知識，并成功地制作了一臺風車。

該模塊對學生作品的要求：按照工程設計過程，制作一個風車，該風車的轉(zhuǎn)動能夠提起一定的重物（紙杯中的砝碼，越多越好）。

該模塊所整合的S.T.E.M.知識內(nèi)容包括：能量、不同形式能量間轉(zhuǎn)化、機器、風車的結(jié)構(gòu)、影響捕捉風能效率的要素、各種材料的屬性（顏色、強度、形狀、彈性、大小），等等。

該模塊所需要的材料：70克A4紙、硬紙板、錫箔紙、紅毛氈、木棒、泡沫球（轉(zhuǎn)輪）、小紙盒（風車支架）、膠帶、紙杯、砝碼，等等。

學生所面對的挑戰(zhàn)：選擇什么材質(zhì)的材料制作成何種形狀的葉片、如何將葉片安裝到轉(zhuǎn)輪上才能最大程度上捕捉到風能，并使風車轉(zhuǎn)動。

這個主題創(chuàng)意源白美國波士頓科學博物館EiE（Engineering is Elementary）“工程為本”系列STEM課程中的一個模塊，并經(jīng)過培識北京）技術有限公司的升級改編，屬于借來的主題。從無到有地創(chuàng)生STEM主題不是本文的核心議題，需另外單獨撰文闡明。

（二）知識建模

圖4和下頁圖5呈現(xiàn)了這個STEM單元的局部知識建模圖，其中某些知識組塊被標識出來了。

（三）學習活動設計

制作風車是“強度高、面積大的葉片更能捕捉風能”“風車的構(gòu)成”“葉片與風向夾角大于45。”“尋找特殊角”和“工程設計五步”等知識的應用。這些知識的理解與應用（即學習目標）被分配到這4節(jié)90分鐘的大課中：情境故事課一知識拓展課—設計實踐課—挑戰(zhàn)匯報課。

1.情景故事課：雷夫抓住風

這節(jié)課，師生共同閱讀故事書《雷夫抓住風》，通過閱讀讓學生了解機械工程師及其從事的工作、建立學生對工程設計過程的初步認識;通過實驗演示，讓學生理解“空氣流動形成風”“風是有能量的”“風與物體的相互作用可以用來做功”等知識。

2.知識拓展課：了解機器與探索材料

這節(jié)課，讓學生從機械工程師的視角來觀察和分析機器，比如打蛋器、開罐器、膠棒、自動鉛筆等，引導他們要關注機器的功能、結(jié)構(gòu)以及運轉(zhuǎn)過程與能量的傳遞，為制作風車做準備;學生通過探索學習，嘗試設計與測試船帆，進一步理解材料的屬性，進而意識到船帆捕捉風的能力受多種因素（材質(zhì)、形狀、大小、白重、安裝角度等）的影響。

3.設計實踐課：單因素實驗探究

這節(jié)課，學生進行4組單因素實驗，分別探究材料軟硬（強度）、船帆形狀、船帆自重、船帆大小4個因素對于船帆捕捉風能效果的影響;教師演示船帆與風向夾角的實驗，利用“尋找特殊角”的策略，使學生理解：船帆與風向垂直時能更好地捕捉到風。

4.挑戰(zhàn)匯報課：設計風車

這節(jié)課，學生在以上幾節(jié)課知識儲備的基礎上，按照工程設計流程（提問、構(gòu)想、計劃、創(chuàng)建、改進）設計制作他們的風車作品，并通過測試風車提起砝碼的數(shù)量，來衡量風車捕捉風能做功的能力。

上述每節(jié)課都包含多個學習活動。每個學習活動負責完成一部分學習目標，它包含多個活動任務并將學習目標分配給各個活動任務，并配置特定的活動規(guī)則。活動任務表現(xiàn)為師生交互過程以及交互所需的資源工具。活動任務的師生交互必須按照特定方式完成對特定知識組塊的學習，以便將學習目標轉(zhuǎn)化為具體的交互行為。下頁表是摘自第2課《了解機器與探索材料》的某個學習活動設計表格的部分節(jié)選。知識組塊一欄中的子圖就是這個任務的知識組塊，其中包含著目標知識點，比如船帆的概念和屬性。知識組塊與前述二維學習目標的知識點有關，任務類型與二維學習目標的學習水平有關。比如下頁表中的任務類型欄中的B類和E類任務屬于“理解”水平。也就是說，下頁表所呈現(xiàn)的學習活動的學習目標屬于意義建構(gòu)。BE合在一起說明該任務是復合類型，意為通過實例來理解知識的內(nèi)涵。具體的活動任務描述在“任務描述”欄，整個師生交互行為以及與之配合的資源工具、學習成果等設計必須貫徹執(zhí)行這個任務描述，而且需要在細節(jié)上落實知識組塊中的那些知識點。如下頁表中的“動力提升&STEM體現(xiàn)”一欄，用于設計者檢查設計細節(jié)，確保將動力提升的設計和STEM理念的落實。從中我們可以看到，STEM學習活動并非處處體現(xiàn)STEM理念。要實現(xiàn)STEM理念，必須從主題到整個過程再到交互細節(jié)進行完整設計。STEM理念是彌漫性地落實在細節(jié)之處的，但可以設計得很自然。

（四）何以STEM

總的來說，在“抓住風”這個單元模塊的STEM整合，體現(xiàn)在以下4個方面：（1）學生在嘗試性船帆設計的基礎上，進行單因素實驗探究，并要求在嘗試設計過程保留學生的困惑和疑慮，引導學生勇于質(zhì)疑，精準判斷。（2）學生分組探究，多次實驗、對比實驗的減少誤差，并貫穿科學實驗原則，盡可能控制其他條件不變，測量不同船帆的小船航行的距離。（3）整合工程技術（工程五步）、物質(zhì)科學（材料屬性）、數(shù)學（幾何圖形）等領域知識設計實驗方案，分別探究影響船帆捕捉風能的各因素。（4）學生利用“設計船帆”獲得的關于材料的理解以及“風與物體的相互作用可以做功”的相關知識，設計風車葉片，解決新的問題。

四、結(jié)語

STEM課程開發(fā)的關鍵在于：（1）主題設計既要體現(xiàn)作品創(chuàng)制、義要體現(xiàn)特定知識運用;（2）通過知識建模使得課程所包含的知識體系清晰化且滿足數(shù)據(jù)一致性的要求;（3）利用LACID之類的教學設計技術從顯性的知識運用能力的目標出發(fā)設計學習活動的所有成分和屬性，確保目標一手段一致性，并嵌入科學價值觀等隱形目標的要求，這自然產(chǎn)生了詳案設計。

如此高成本、高投入的設計工作是生產(chǎn)高質(zhì)量STEM課程的基本保障。然而高校實驗室或者中小學校本課程開發(fā)卻無法長期穩(wěn)定地、持續(xù)地投入如此高的設計成本以求產(chǎn)生高質(zhì)量、成體系的STEM課程。務實地講，STEM課程的供給必須依賴教育產(chǎn)業(yè)公司。市場主體在供給側(cè)參與教育實踐是教育現(xiàn)代化的基本要求和大勢所趨。

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作者簡介：

楊開城：教授，博士生導師，研究方向為新教育學（yangkc_beijing@bnu.edu.cn）.

李波：在讀博士，研究方向為STEM課程開發(fā)（lib02020@126.com）。

竇玲玉：在讀碩士，研究方向為教學設計（748989270@qq.com）。

公平：工程師，研究方向為STEM教育（gongping@cstem.com.cn）。