中學科學學科視角STEM教學設計的內容分析

陳凱 楊悅 郭金星

關鍵詞：STEM;中學科學;教學設計;內容分析;教學評價

1研究背景

STEM教育往往以項目式學習方式用于基礎教育界解決現實世界的任務，尤其需要經歷基于設計的問題解決過程，類似于工程師或科學家思考的過程。STEM倡導者主張通過一定的教學策略實現STEM教育的最終目標。

雖然更多教育專家主張整合STEM課程單元解決當前STEM教學和學習的局限性，但是這些課程單元往往不是解決STEM知識構建的最好方法，而在具體的跨學科學習過程中，應用學科核心觀念顯得更為實際。雖然提倡跨學科整合，但是如果不注重概念教學，整合型STEM課程有可能不利于深度學習。對文獻的系統回顧表明，在許多整合性STEM課程中，學生并未開展深入的學科概念建構，多個國家最初的STEM教育愿景并未實現，教學實踐大多只是在科學和數學課程中簡單聯系到“技術”和“工程”維度的內容。國外STEM課程的很多教學設計圍繞科學課程或相關工程學科主題，利用實驗法來證明設計有效性。Chen等人提出了一個基于小學科學項目學習的教學設計框架，在學生開展項目學習后通過對師生的訪談、課堂觀察以及學生的問卷等多維度收集數據，以此修訂完善整合性STEM教學設計;Lai等人以科學課程中四軸飛行器課程為例，展開STEM教學設計的開發與評價。Ernst等人研究計算機學科領域的教學設計并付諸實踐，借助多樣化的媒體形式促進學生STEM學習能力提升。

國內STEM教育以理論思辨、政策比較的研究成果雖有涉及教學實踐，但仍然不夠豐富和深入。在STEM本土化探索過程中，教師構建了中小學STEM課程一般教學設計樣式，通過創意分組分工、問題情境設計、跨學科教學內容設計、項目式學習、作品展示與評價五個環節開展教學活動。一些關注小學科學課程的STEM教學實驗采用單組前后測檢驗或平行班對照檢驗來驗證教學設計效果，雖然所有年級都會從STEM教學改革中受益，但中學階段是鼓勵學生追求STEM職業的重要干預時期。此階段學生容易抱怨數學和科學變得更加困難，感覺能從教師和家長處獲得的幫助也越來越少。因此，中學階段的STEM課程教學迫切需要有一個結構化的設計。趙慧臣等在分析美國STEM教學設計的基礎上，認為STEM課程和教學需要主題式整合課程內容，開展項目學習;技術與課程教學深度融合有助于優化STEM教學過程;此外，真實性評價制度、創新的文化氛圍、社區/行業合作關系構建、基礎教育與高等教育對接等措施亟待整合其中，發揮效果。

考慮到我國中學階段STEM課程多為分科設置，所以推廣STEM項目式教學更多依賴于學科視角的STEM教學設計研究。為了更好地引導一線學科教師圍繞STEM主題開展教學設計與探索，還需要對已有的教學設計進行系統回溯分析，發現已有問題和經驗，更好地服務于未來的創新和改革。

2研究設計

2.1研究問題

為了對已有的中學STEM教學設計進行系統回顧，研究問題明確為：（1）當前的中學STEM教學設計應用怎樣的教學模式？（2）當前中學STEM教學設計在教學流程安排和教學策略采用上有哪些特點？

2.2樣本選擇

關注“STEM主題”的科學類（包括物理、化學、地理、生物）教學設計，在CNKI以“STEM教育”“教學設計”為“主題”“篇名”“關鍵詞”;檢索時問段為“2015.1.1-2019.12.31”，分別在《物理教師》、《化學教學》、《生物學教學》等十余本中等教育領域重要理科學科期刊中進行了檢索，最終篩選出符合STEM理念的中學科學教學設計共計78篇。其中，物理學科26篇，化學學科25篇，生物學科20篇，地理學科7篇。

2.3研究工具與內容分析編碼

本研究使用內容分析法，通過現成研究工具作為分析框架，對教學設計文本進行編碼，通過不同維度的編碼頻數分析，從中分析獲得相關規律。參考李楊津提及的原則，研究框架從課程綜合模式、教學設計要素、主要教學策略、學習表現評價方法四個維度展開（見圖1）。

STEM的主要教學策略根據教學不同環節階段列出，具體判定標準如表1所示。

需要說明的是，表1里的“分析問題”“陳述目標”“科學探究”“教師講授”“發散思維”等策略，在常規的科學課程設計中也較為常用。“認識相關產品”“逆向工程”以及“設計及制作模型”階段的三個策略、“測試模型”階段的兩個策略在STEM教學中更為重要。

對樣本進行編碼分析，記錄每個環節在研究對象全文里有無出現或被強化，“有”記錄為“1”，“無”記錄為“0”，方便后續的頻次統計。本部分以《基于美國K一12階段STEM理念的教學設計——以“‘設計一座硫酸廠”為例》一文作為編碼示例（簡稱為“示例”）。該設計雖然在進行原料、廠址的選擇時，滲透地理科學、經濟學的學科知識，但涉及的著眼點仍然是硫的轉化，主要是化學問題，所以屬于“學科問題為本模式”。是否根據問題情境及所涵蓋學科對學科及跨學科學習內容進行擬定、是否辨析工程設計中不同階段所需應用及學科知識，是最能體現STEM理念的兩個要素，應在具體編碼統計中予以重視。“示例”囊括大部分流程，但在工程設計方面還不夠明顯，且評價工具還不夠充分。由于關注的是經典化工生產問題，“示例”能夠用角色扮演進行方案決策和評價，但是缺少“產品”的認識和設計意識，缺少對模型的關注。“示例”在過程中有作品展示和自我評價，并將填空作業貫穿始終，主要屬于進展性評價，關注學生是否應用已有知識以及相應理解，是否存在謬誤，追蹤活動過程中認知的發展、技能的運用以及元認知的提升。

3研究數據和分析

3.1信度分析

為了檢驗內容分析的信、效度，對隨機抽取的5份教學設計做內容分析信度即評分信度。

兩名評價者訓練后在5份文本上的評分信度達到要求（見表2）。

3.2 STEM課程綜合模式的內容分析

學科問題為本模式是以單一學科為主導，比較適合在正規課堂上進行;跨學科問題模式沒有明確的主導科目，比較適合以獨立專題形式進行，兩種課程綜合模式統計表如表3所示。

根據表3，以學科問題為本的樣本數多于跨學科問題為本。中學階段的STEM教學設計內容多聚焦于學科問題為中心的發散和聯系，多以正式學科課堂作為實踐平臺。此外，理化學科的STEM教學設計數量較多，一方面說明物質科學領域擁有更多與數學工具、技術工具、工程視野的聯系，另一方面也說明這兩個學科關注STEM教學設計的教師更多。

物理和地理學科的STEM教學設計大都偏于以學科問題為本的課程綜合模式，化學和生物學科涉及兩種課程綜合模式均有較為均衡的分布，例如生化綜合、理化綜合、化地綜合、生地綜合等。限于跨學科落腳點比較分散，本文未加統計，不過仍可以看出化學的學科中心地位。

另外，學科問題為本的課程綜合模式中高中主題比例更大，而以跨學科問題為本的課程綜合模式里初高中比例相差卻沒有那么懸殊。這種數據也證實在教學中，初中階段各獨立學科知識水平更容易為執教者發現STEM綜合點，可以挖掘其聯系性和問題性;而隨著高中知識的深入，學科體系更加鮮明，學科教學中挖掘跨學科的STEM綜合點也比較難。

3.3 STEM教學活動設計要素的內容分析

針對教學設計要素分學科進行分析編碼，并進行頻數分析，具體內容如表4所示。

大多數樣本營造了問題情境，畢竟STEM學習凸顯聚焦于真實問題的特征。化學學科設計最關注學科綜合范圍設定，這也和前文中提及的化學學科教學設計非常關注跨學科問題緊密聯系。例如“探秘人體的呼吸”目標兼顧科學與工程學實踐、學科核心知識、跨學科知識，并明確涉及化學之外的跨學科知識：物理學科的速度與氣壓、生物學科的呼吸和細胞里的化學物質變化、技術學科的模型制作、藝術學科的圖表繪制、數學學科的速度計算以及語文學科的文本閱讀。不過在多數STEM教學設計中，只含有學科目標，而缺乏跨學科目標。說明學科教師還是更多習慣從學科視角設定教學目標，而忽略了超越學科的視角。僅有18.0%的教學設計涉及“如何通過工程設計過程促進學科學習”，主要是因為科學學科背景的中學教師大多沒有工程學背景，所以在教學設計時對該維度無法深入考慮、清晰表達;科學教師本身對工程學認識不足和工程學習經歷的欠缺，也是目前基礎教育階段開展STEM教學的先天不足。評價環節僅有23篇教學設計涉及，正反映了目前的STEM教學實踐在評價研究上的缺失。

3.4 STEM的主要教學策略的內容分析

研究樣本在不同教學環節涉及的教學策略分學科進行頻數分析見表5。

通過上述數據可以發現，研究樣本幾乎涵蓋了每一個教學環節。界定問題、確定設計目標階段，大多數樣本運用了分析問題這一教學策略，體現STEM教學需要問題解決的思路。

項目研究環節，資料收集教學策略應用較廣，表明STEM的項目設計離不開充分的信息積累;只有不超過四分之一的設計運用了認識相關產品、逆向工程等教學策略，這是學科教師的研究思維缺陷所在;幾乎全部教學設計都運用了科學探究和教師講授這一教學策略，前者是21世紀科學教學改革的趨勢，后者則是中國教師的傳統習慣。

構想及選擇設計理念環節只有不超過一半比例的教學設計運用了發散思維、頭腦風暴教學策略，其中均以化學學科最為關注這類策略，例如針對“凈水器制作”開展頭腦風暴，從小組到全班，由學習者產生大量的可能解決方案。設計及制作模型階段，各學科運用策略比例均較少，主要限于化學和生物學科，例如用思維導圖制作“飲料瓶制作流程”。可見學科教師常關注學科為本的教學習慣，尚未普遍具備用跨學科的思維設計教學策略的習慣。由于STEM教學的開放性，所以教學過程中難免會出現意想不到的突發問題，共有48篇教學設計考慮這一方面，著眼于分析問題以做到未雨綢繆。

中學科學學科教學對測試模型明顯重視程度不夠，表現在沒有案例聯系產品的商業運用進行消費品測試，也只有個別化學和生物案例進行公平測試教學。大多數教學設計在分析測試結果及作抉擇階段也沒有考慮教學策略的運用，說明學科教師對這些環節的認識不夠。

學科教師非常重視引導反思，這種教學策略有助于學習者對STEM學習成果進行批判性思考和深度理解。不過以成品方式展現STEM學習成果，還沒有被廣為接受，在一定程度上說明教師引導學生表達與創新的水平還有所欠缺。

3.5 STEM學習表現的評價方法的內容分析

研究樣本中所體現的評價方法具體統計如表6所示。

根據表6數據分析可得，化學和生物學科在STEM教學設計中兼顧進展性和總結性兩類評價方法，且方式多元化。但整體來看教學設計里關注進展性評價少于總結性評價，且過程性的“科學研究報告”最受教學設計者青睞——可能是基于項目的研究需要;但圖形及模型設計、模型測試等方法沒有得到充分重視——與之前對教學環節和教學策略的分析結果匹配。在總結性評價里，教師更加關注學習者的最終創作成果，紙筆測驗明顯不適合STEM教學設計對素養的評價導向，故應用最少。

4研究結論與建議

4.1研究結論

4.1.1

中學STEM教學設計作品學科性特色明顯

STEM教學設計內容多聚焦于學科問題為中心的發散和聯系，在此基礎上應用數學、技術工具。相比較而言，化學和生物學科教師相對來說更關注跨學科問題。

4.1.2部分重要STEM教學策略應用缺失

STEM教學實踐雖然基本環節全面，但是還存在諸多重要環節的缺失，如工程設計、模型建構與測試、方案繪圖等。

4.1.3 STEM教學設計缺乏細致的評價機制

大多數中學科學STEM教學設計沒有明確表示如何對學生的學習情況進行評價，少數關注評價的STEM教學設計選用的方法也較為單一，偏向于總結性評價，也更加沒有提供明確的評價標準。

4.2建議

4.2.1教學設計革新需要教師跨學科交流和學習

中學STEM教學設計正在從學科問題為本模式向跨科問題為本模式過渡。目前高中課程跨學科STEM教學設計偏少，這并不意味著高中課程不能開展跨學科的STEM教學，相反，高中更需要STEM教學實現多學科融合的思維提升。主要是因為教師的專業背景分工過細，導致學科教師缺乏跨學科視野和相關的工程技術經歷。許多學校在整合STEM學科方面還面臨實際困難，例如時問安排、教師執教的技巧、不同課程要求和評價標準等。基于我國中學課程設置特點，學科教學設計中滲透STEM教育理念，實施學科為本問題的課程模式更具有現實意義，可以繼續保持分科教學中的學科深度和知識體系;如果實施跨學科為本的模式，需要不同學科教師協分工合作設計跨學科的活動。從研究樣本的作者來看，就鮮有跨學科教師的合作。跨科合作時，多學科教師需要具備明確的共同發展目標并理解其中價值，鼓勵教師之間相互討論、協作研究教材，甚至互相支持和鼓勵，一同積極推動課堂研究。跨越學科的教師備課不限于科學各學科之間，還需要結合通用技術、信息技術與數學教師聯合備課，對STEM課程進行詳細、周密的協調和計劃。

4.2.2 STEM教學策略需要強化產品意識、模型觀念以及工程設計體驗

STEM教學策略中的部分缺失，很大程度上源自大部分科學教師的學習背景缺少工程學習經歷，課程環境也缺少充分的工程實踐機會。工程設計的內容與科學課程進行融合，需要更新教學內容以配合科技發展，例如氫氧燃料電池不止于知道原理，而需要用實驗室和家庭素材來制作簡易電池——將教師單方面的實驗創新改進轉變為與師生共同探討實驗儀器或教具的開發或改造，以身邊的“微型設計”漸漸轉變為“科技前沿的工程模型”，實現由模仿向自主設計的轉變;其次是加強科學過程技能的培養，尤其有關項目學習和問題解決的基本數據處理，包括通過分析數據和圖表、運用符號、方程式、圖表以及模型來表達觀點;在教學設計中強化學習活動，讓學生有機會通過手腦并用的活動，綜合應用知識與技能，找出解決問題的方法并進行制作體現專題學習成果的成品或寫作作品，在此過程中強化產品的創作和展現意識，例如做化學實驗時，教師可以不要給學生填寫知識填空式學習單，也不要規定實驗報告的統一框架，而賦予更多的開放式記錄和思考機會，不過在實驗報告任務里增設一些情境計算及相應指導有助于發現實驗數據中的規律，此外請學生在過程中注重拍照、錄像，之后將這些素材剪輯整合運用在最終報告中。通過以上教學策略，需要學習者大量的個人思考、判斷、設計，STEM的要素也自然融合其中。

4.2.3 STEM教學需要明確評價的階段、評價數據的收集和分析

不同的STEM教學評價模式各有優劣，選擇要考慮評價目的、情境和時問成本等因素。建議綜合多種評價手段，給予學生多元化展現機會;其實學生項目成果本身就是最好的評價依據，關注項目成果有助于激發學生STEM學習動機，支持學習可持續發展，明確的活動成果更有助于增強STEM教學評價的指導和改進功能并使其顯性化，不過成果的建構過程值得追蹤，可以從多元化途徑搜集評價數據，例如課堂觀察、工作單或學習歷程檔案等都可以作為數據來源;評價的時機不僅在教學結束后，其實在教學實施過程中貫穿始終提供評價反饋，讓大家知道自己的進展和問題。STEM教學過程需要提供充分機會讓學生展示學的過程，以此實現進展性評價。

評價主體也需要多方參與，例如學生自評、同學互評再加上教師層面的評價;STEM教育具備高度跨學科特征，使得課程的教育目標呈現出跨學科性和綜合性，要想真正評價STEM學習效果，亟需制定詳實、科學的評價標準——將學生抽象的學習表現進行操作化定義和水平等級的劃分。由于STEM教學評價的綜合性和復雜性，在實施評價之前邀請行業專家檢查評價細則并給予回饋;為了保證評價的公平和客觀，還可以每次針對教學對象的同一份材料（例如紙筆測驗同一道題、同一項問題的解決）進行評價，而不是一次性評價整個項目。