STEM教育中的支持性教學和學習策略

福建省科技館 福建 福州 350001

研究顯示，在堅持學習SME學科的學生與放棄學習SME學科的學生群體之間，不存在明顯的學術差異。但是，兩組學生(無論種族和性別如何)都表示“冷酷的氛圍”和低質量的學習環境最為令人擔憂。SME教育的質量和特點是造成這些專業的學生流失的主要原因，而非學生的學術能力。Tinto的大學生輟學互動理論也指出學習氛圍是導致學生離開大學的主要原因。在研究學術和社會融合理論的過程中，Tinto指出學生在一所大學中堅持學習的程度，與教育性和制度性承諾存在相關性。其他因素還包括學生的背景特點，以及學生在社交和學術方面與大學文化之間的融合程度等。在社交方面成功融入的學生更有可能堅持在該機構完成學業，這就是制度性承諾；如果學生能夠在學術方面成功融入，他們就更有可能在自己選擇的專業完成學業，這就是教育性承諾。關于學術融合的規范維度，與學生對教育機構的學術氛圍的理解有關；當學生的智力發展與機構的崇智氣氛相一致時，就會表現出較高的學術融合度。很明顯，對于學生的學術體驗而言，課堂處于核心位置。

學習框架及反向設計法

學習框架。通過分析我們希望學生了解的內容和學習體驗后能夠做到的事情，以此作為設計環境的基礎，幫助學生提升成功完成相關知識轉化所需的基礎且持久的學識、技能和態度。以學習者為中心的環境將學習者的體力、興趣和向前概念與目前的學術任務和學習目標聯系在一起，幫助學生了解自己作為學習者的角色。以社群為中心的環境是指在課堂內外提供一個支持性的、豐富且靈活的場景，讓所有學生都能夠參與學習、大膽提問，共同合作。最后，以評估為中心的環境是指為監督者提供各種機會，讓學生的進步可視化，以便讓學生的學習進度與學習目標一目了然，使學生專注于自身的弱勢項目，改變思維方式。(見圖1)

圖1 構成學習框架的四個鏡頭

反向設計過程。借助可接受的證據，尤其是憑借反饋和評估的手段，以學生學習成果為基礎反向回顧設計指導方案的方法理念，已經被廣泛采用。

確認希望獲得的成果。反向設計模型中的第一步就是要確定你想讓學生們通過課堂授課、學習模型、課程或學科了解到什么知識，獲得什么能力，甚至成為什么樣的人。換句話說就是通過經過設計的學習體驗，社群成員所共享的價值觀和人生態度。Sullivan將這三個成果領域歸納為三種學徒制度。Wiggins和Mc Tighe建議確定(1)擁有超越課堂的持久價值的大概念、主題或流程；(2)存在于學科核心的概念、主題或流程；(3)復雜難于學習的并且需要教師指導和提供深刻見解的概念、主題或流程。最終，在規劃參與型教育學時，Wiggins和Mc Tighe建議應當考慮相關的概念、主題或流程可以幫助參與的學生獲得何種程度的潛能。評估模型中第二步就是確定可以接受的證據，以便確定學生是否已經達到學習的目標或達到的程度如何。通常，在Bloom分類法的低端使用內容為中心的問題評價成果：記憶、理解。為了在Bloom分類法的中端和高端評價學生的學習成果——應用、分析、評估、創造——應使用開放式提問和問題進行評價。目前，人們越來越多地采用模擬實踐的評測方法，以及更加真實和基于效果的評測方法。

除了對學生的學習情況開展總結性評估之外，為學生提供形成性的診斷評估同樣十分重要。除了總結性評估，形成性評估能夠幫助教師修正自己的教學實踐，確定并解決學生學習過程中的潛在的問題和阻礙，并在課程中了解學生學習情況的變化。對于學生而言，形成性的評估能夠幫助學生自行評估他們對學術內容的了解程度，為以學生為中心的學習方法提供支持，提供記錄相關學習情況的額外方法。

在沒有技術支持的條件下，講師可以使用其他課堂評估技術，對學生開展形成性評估工作。

方案指導。反向設計流程的第三步是方案指導。我們以參與型教學方法為重點——合作學習和問題式學習——因為代表重大的思想的學習成果位于學科的核心地位，需要進行披露，同時也有助于學生參與。

落實合作學習和問題式學習

包括合作學習和基于問題的學習的課堂實踐，在設計時十分復雜，難于落實和管理。除了難于落實和其他問題之外，合作學習和問題式學習還沒有在STEM課堂中得到廣泛運用。部分原因是因為設計、落實和管理困難，但是更重要的原因是，大部分教師在本科教育或研究生教育階段未曾體驗過任何形式的合作學習和問題式學習。

主動學習。非正式合作學習小組(通常指主動學習)、正式合作學習小組和合作基礎小組是工程學院最廣泛運用的學習形式。每種學習小組形式都為學生提供了多種機會，讓他們在課堂內外都能保持思維活躍，加強人際溝通。非正式合作學習通常用于主修講座類課程，在此僅做簡要介紹。正式合作學習可以用于內容集中型課程，對這類課程而言，掌握概念或程序化材料至關重要；但是很多教師發現，從背誦開始，或從實驗課或設計項目課開始著手會比較容易。基礎小組是長期合作學習小組，主要職責是為所有小組成員提供支持和鼓勵，確保每位成員都能獲得所需的幫助，以便在所學課程中和大學生活中獲得成功。

非正式合作學習是指組織學生共同合作，臨時達到學習目標，特別是指那些組隊時間在數分鐘或一節課時長的學習小組。非正式合作學習小組還需確保小組中的錯誤想法、錯誤理解，以及理解偏差得到確定和糾正。這種學習經驗是個性化的。在非正式合作學習模式中，每隔十到十五分鐘，就會要求學生們針對他們在課堂書擋中所學到的相關知識開展討論并進行處理(圖2)。

圖2 課堂上的書擋

將課程分割為數個較短的合作處理時間段，導致上課時間有所縮短，但能夠讓學生及時參與。在講課和直接教學的過程中，講師應確保學生保持腦力勞動狀態，例如組織材料、解釋材料、總結材料，并將目前所學與現有的概念網絡相融合。普通的非正式合作學習技術包括課前和課后(擋書板)進行集中討論，并在上課過程中穿插進行同伴討論。雖然圖2.2展示的是三到四分鐘的同伴討論案例，但很多教師僅僅提供一到兩分鐘的討論時間，有些甚至只給三十秒。

隨著教師對實時評估和非正式合作學習逐漸熟悉，他們通常會對格式進行修改。舉例來說，如果大部分學生對某一概念問題選擇了正確的答案，教師可以要求學生對答案所含的基本原理進行思考，并與鄰桌進行討論；如果大部分學生對某一概念問題都選擇了錯誤的答案，那么教師可以試著重新解釋，或許還會換一種解釋方法；如果對概念問題的回答正誤參半，教師可以要求學生與鄰桌對比一下各自的答案，看看是否能夠針對答案達成一致意見。

非正式合作學習能夠確保學生積極理解他們所學的內容。非正式合作學習也讓教師可以收集大家的想法，整理筆記，獲得片刻休息并在課堂里邊走動邊聆聽學生們的討論。教師可以從討論中洞察學生對于所受教材和概念的理解程度。

正式合作學習小組。正式合作學習小組比非正式合作學習小組更有組織性，任務也更復雜，通常合作學習的時間也更長。社會互賴理論和合作學習研究確定了正式合作學習小組成功實施的五個基本要素：積極互賴、面對面的激勵互動、團體歸屬感和個人責任感、團隊合作能力和團隊運作：

· 積極互賴。合作學習的核心是積極互賴。學生們必須相信自己與其他組員之間的關系是單打獨斗是無法成功的，只有團隊協作才能成功(反之亦然)。學生們互相協作才能完成這項工作。換言之，他們必須意識到要一起往前游才不會集體沉下去。在正式合作學習小組中，積極互賴關系可以通過讓小組成員就小組的答案達成共識(小組產品-目標互賴)，確保每個成員都能解釋小組的答案(學習目標互賴)，并履行分配的角色職責(角色互賴)等方法來建立。構建積極互賴關系的其他方式包括獲得共同的獎勵，例如團體評分(獎勵互賴)，資源共享(資源互賴)或勞動分工(任務互賴)。

· 面對面的激勵互動一旦教授建立了積極互賴關系，他/她必須確保學生之間進行互動，彼此幫助，完成任務。鼓勵學生之間用語言講解如何解決問題，互相討論所學的概念和策略，向同學傳授他們的知識，互相解釋當前所學內容和過去所學之間的聯系，并幫助、鼓勵、支持彼此努力學習。沉默的學生缺乏參與度，他們當然對他人的學習沒有幫助，也可能對自己的學習沒有任何幫助。

· 團體歸屬感和個人責任感合作學習小組的目的之一是使每個成員都有機會成為一個更強大的人。學生們一起學習，這樣他們以后作為個體也可以表現得更好。為了確保每個成員都得到提升，學生要承擔各自的責任，完成分發給他們的任務。每個學生的表現都會得到評估，評估結果會反饋給個人或小組。小組成員需要知道誰在完成任務時需要他人的幫助，他們也需要知道他們不能借著其他人的成果“搭便車”。構建個人責任感的常見方法包括個人考試、自我評估和互相評估，以及隨機點名個別學生對小組工作進行匯報。

· 團隊合作能力合作的成功需要團隊合作能力，包括領導力、決策力、建立信任、協調溝通和管理沖突的能力。這些技能必須像學習技能一樣精準有目的地傳授。許多學生從未在學習中合作過，因此缺乏提升團隊合作效率所需的團隊合作技能。教師通常常通過給每個小組成員分配不同角色介紹和強調團隊合作技能。例如，學生通過擔任工作記錄員來學習如何記錄小組工作，通過擔任內過程記錄員來制定學習方案并監控小組的完成情況，通過擔任協調員來指導小組成員，擔任確認員來確保小組中的每個人都已理解并能夠轉述。企業雇主和《2000年ABET工程標準》都強調團隊合作技能，一些書籍和文章也可以幫助培養學生的團隊合作技能。

在選擇和實施正式合作學習策略之前，應評估以下幾個條件，以確定它是否是針對目前情況的最好方案：學生應在課堂內外有足夠時間進行小組學習；任務應該足夠復雜，足以構成一個正式小組；而教師的目標應包含開發學生在合作學習中可以提升的技能類型，如批判性思維、高層次的推理和團隊合作能力等已證實可以被合作學習積極影響的技能。Johnson、Johnson和Smith(1998)的研究中詳細描述了教師在構建正式合作學習小組中的作用：(1)

明確課程目標，(2)制定教學決策(例如，確定小組規模和確定學生分組的方法)，(3)解釋任務和積極互賴關系，(4)監督學生的學習情況，并在小組內進行干預，以提供任務協助或提高學生的團隊合作能力；(5)評估學生的學習情況，幫助學生內省小組的運作情況。設計正式合作學習課程計劃指南可以在許多書籍和文章中找到。

實施基礎合作小組?；A合作小組是長期的且種類繁多的小組，其小組成員較穩定，成員的主要職責是為每個學生提供其取得學習進步所需的支持，鼓勵和幫助?；A小組是將所需完成的任務和課程學習經驗個性化。這些小組在整個課程中，甚至課程后都會保持不變?；拘〗M的成員應該交換郵箱地址、電話號碼以及相關的日程安排，因為他們可能希望在課外會面。當學生有想要討論的成功經驗，見解，問題或疑慮時，他們可以聯系其基礎小組的其他成員?；A小組通常通過使用小組文件夾或線上討論小組來管理日常課程文檔。基礎小組學習的模式被許多工程系的本科生用于課程和項目學習中，部分原因是因為它們非常有效且易于實施。此種模式還常被用于專業學校的研究生課程，例如工商管理和技術管理碩士。這種情況下，他們通常被稱為同類小組，由五到六名學生組成，這些學生們在研究生課程期間會一直在一起。

實施基于問題的學習?；趩栴}的學習適用于工程學，醫學和其他STEM學科，因為它有助于提升學生在構思從未見過的問題時的技能和信心?；趩栴}的學習，更廣泛來說是挑戰性學習(例如，基于案例的學習，基于問題的學習，基于項目的學習和基于探究的學習)，已經在大量參考文獻中得到了描述，它們是STEM學科中實施參與式教學法的極好途徑。

結論

提高STEM學生之間以及STEM課堂內學生與講師之間的團體意識至關重要，因為合作學習的研究人員和實踐者已經證實積極的同伴關系對于大學的成功至關重要。

學生的參與，老師的鼓勵以及學生們之間的互動，與改進批判性思維存在正相關的關系。這三項活動與其他研究和理論相一致，強調思維能力和其他技能中積極實踐、激勵和反饋的重要性。這證實了討論在改善思維和解決問題方面優于講座。

更加積極和易于投入的學習環境可以幫助STEM畢業生取得最重要成果：較強的思考和推理能力、問題解決能力、與他人合作的能力，尤其是在復雜環境和情況下解決問題的能力和信心。我們需要勇氣來放下我們的說教沖動，轉而吸引和鼓勵學生參與到他們的學習中。