STEM教育的基本方式與過程（七）

向世清，博士，中國科學院上海光學精密機械研究所研究員。長期從事激光物理與工程技術的前沿研發，是參與產業經濟戰略與決策咨詢，基礎教育改革咨詢，科技創新中心發展戰略設計等多領域戰略專家，也是上海市最為活躍的科技創新教育專家之一。

第六步：提出方案與計劃。設計與規劃完成后，我們對于整體所要完成的任務已經明了，如何具體實現目標的指導思想、詳細目標、先決條件、總體框架和基本路線也已經明確認識和建立起來了。此時，通過更為仔細和近乎規范的設計擬定，完成相應的方案和計劃，就是第六步必須完成的工作。以下就給出具體的方案和計劃擬定指南。

首先，我們需要按照圖1的框架進一步將規劃性內容整理成文稿，作為背景性的框架依托（這意味著，方案和計劃是該規劃進一步細化后的實施性方案和可行性執行計劃）。

圖1的框架俗稱“5W2H”（很簡單，是因為其中有5個以W開頭的和2個以H開頭的英文關鍵詞或詞組），這在國際上已成為通行的計劃方法論。按照此方式，就能夠基本完整地羅列表達出有關的要求內容，囊括第五步中所述“定義目標厘清前提……出錯預案歸納成稿”這一過程中的幾乎所有元素。這實際上是對要完成的事情本身，以及為了完成該事情所需的人、財、物的配置要求進行了有限條件下的更為完備和條理化的梳理。這樣的梳理因“5W2H”形成了一個模板化套路，所以最終也就成為了一種方法論（學生按照此套路，一是可將規劃和計劃做得更完整，二是可學會一種今后可普遍套用的方法論）。當然，此處實際完成的結果絕不能僅僅停留在只大而化之地給出一些條條框框的套路性膚淺描述，而是必須針對本次要完成的工作真正深入考慮給出本次工作任務怎么具體完成的實際做法。

其次，我們需要按照圖2和圖3的內容，規范地設計并擬定出科學性的研究實施方案，盡量將第五步中給出的規劃和計劃實現具體化和可行化。

很明顯，這里工作的著重點是設計出具體的研究過程方法和方案。首當其沖的是考慮整體將采用的研究方法。研究方法有很多種，大的分類主要包括調查法、觀察法、比較法、實驗法、分析法、思辨法、模擬法和文獻研究法等，細致的分類則更多，至少有幾十種，例如定量和定性測試法等。由于在STEM教育中非常強調整體過程中含有實驗性，或真實環境下的實踐性探究過程和學習研究經歷（沒有實踐解決真實問題的過程，就不能稱其為STEM），而且最好是整個方案和過程讓實驗性方法和過程占據較高比重，所以這里必須設計出帶有實驗性或實踐性的內容。當然，在實驗性方法中，往往同時含有了非常多的方法種類。

實驗性或實踐性研究基本可劃分為兩大類：科學研究類和工程研制類（如果社會科學研究要單列的話，則可以分為三大類，但這里粗略地將社會科學研究與自然科學研究放在一起敘述，都含在科學研究類之內）。說起實驗，單從字面本身就已經知道其意思，即“實驗就是要實際驗證”。這里也可用“玩兒真的”形容，即按照真實的場景和情況模擬真實過程和現象的發生和演變。這里，可分為兩大類別，即定量實驗研究和定性實驗研究。前者需要對參數進行合適的數據定量測試與分析，后者則需要對相關因素進行分析、比較、推理、判斷和歸因等。

在兩大類中，科學研究類的是要通過實驗模擬真實問題或現象所存在的類似情況、環境和條件，然后模擬形成問題與現象的發生和演變，看其演變中究竟會發生什么變化，以及會發生具體多大的變化。這就需要尋找出變化的原因和影響因素，通過展開現象觀察研究和條件參數測試，觀察并分析得出各因素間相互影響的因果關系和變化規律，最終求證與預期的因果關系或規律是否一致。工程研制類的則是要以建構實物類似的基本方式進行制作性設計研究實驗和試驗，對制作過程和“樣機”結果進行條件和參數變化測試，看其是否達成了功能和性能兩方面的要求，并最終確認設想的創建目標能否如期合理實現或者證實創新設想。無論如何，達成實驗性的要求需要包含兩種必有的過程，一是參數和數據的測試驗證過程;二是現象和規律的分析驗證過程。

再次，我們需要明確考慮給出實驗性或實踐性研究中所用到的材料和具體方法。一方面，撇去其他不講，用什么樣的材料進行實驗，這是根本。一般而言，所用的材料一定是能夠模擬完成研究中的演變所需的合適材料，通常要對其種類、尺寸、數量、特性和特征作適度考慮。通常，所模擬對象的原本環境下的原始材料是最為合適的。最好是直接使用原本吻合的材料;如果采用替代材料，則一定要弄清楚其替代合適程度。當然，中小學生很多時候是在模擬探究的概念下進行實驗，所以也要講究“因地制宜、低廉簡便”的材料選取原則，不要一味地追求專業性和規范性。另一方面，采用什么樣的研究方法，包括什么樣的方法論、做哪些適度的測試、做什么范圍的測試、什么樣的測試方式、什么樣的因素或參數測試方法、什么樣的測試過程、什么樣的實驗邏輯、什么樣的數據記錄與分析方法等，以及使用什么樣的工具、儀器、設備，都必須具有適合性和準確性的考慮、選擇和擬定，然后在這些前提下，盡量滿足環境的真實性，靠近或者盡量還原研究對象可能經歷的環境與變化。

在這里，特別強調最重要的三件事。一是再次強調選定具體的研究方法的重要性。實驗性的方法也仍然有非常多的方式，怎樣做最合適，特別是定量測量究竟采用什么測量和什么樣的測量都十分關鍵。二是強調必須準確地確定變量或相關因素的取舍。變量通常分為自變量和因變量，前者是引起變化的，后者是根據前者的變化而變化的。往往找出了自變量與因變量之間的規律，研究就可以達成一定的結果。在影響因素和變量比較單一的情況下，研究往往很簡單和容易。如果存在多種因素或者參量，那就必須進行巧妙的設計，使得既突出主要的因素或者參量影響，又不至于使得測量復雜到不可行。而且，多變量情況下如何找出各變量獨立的影響，也非常關鍵（專業化研究中基本采用正交變量法）。三是強調實驗中的數據策略與方法。數據測試采取多大范圍、多大間隔、多高頻次、重復數量、做多長時間、持續多長的周期等，以及數據結果如何處理、如何顯示乃至可視化等，簡單地取數據平均還是采用多種復雜的圖表分析乃至大數據分析等，都需要事先考慮好（當然后期數據處理時也可不斷改善方法，如果發現數據不好，還可以回頭修正測試數據的方式并增加測量等。所強調的三個方面，在科學研究方法論領域都有專業的教材和資料可供查詢、學習和使用，這里不一一多論）。

反復強調，這一步更應由學生自己完成。教師或者導師的責任就是在學生初稿形成后與學生進行面對面的討論，幫助學生確定并形成完整的和當下最優的書面成稿（仍然強調，當下最優不等于在后續的實施過程中就必須不打折扣地嚴格執行。如果實際確實需要有所調整，那就實事求是，尊重實際。當然，調整時需要慎重，學生屆時應該與導師商量）。

最終，完成的方案和計劃是一個可行的、有效的、適度的、資源集約的好設計結果就夠了?；剡^頭來，也要明確注意，STEM教育的研究方案與科研方案還不是完全一樣的。要強調其還是一種囿于教學范疇的教學性研究方案。作為帶有某些教學知識目標傾向性的教學方案設計，應該引導研究目標的設計可基本將目標知識包括在背景知識范疇之內，即研究主題中一定會用到目標知識作為所涉及知識的一部分（這樣反過來也就實現了目標知識點與其他知識點的交叉，甚至多學科融合、跨學科融合，學生在此過程中也能實際感受到該知識點是怎樣在被應用著的。因此這樣的教授知識點的方式就可以極大地改觀現有知識教學的深度和效率）。