大概念視角下的STEM校本課程設計

21世紀社會對創新人才的需求日益迫切，STEM（科學、技術、工程、數學）教育成為培養科技人才和提升國民科技素質的關鍵，基于大概念理念設計STEM校本課程成為STEM教育研究的前沿和熱點。如何開發符合區域特點和適合學生特點的STEM校本課程成為STEM教育本土化的重要課題。筆者在大概念視角下設計了STEM校本課程框架，以“設計橋梁”為例，闡述了實施STEM校本課程的路徑和過程，根據學習進階和學生的認知規律設計了STEM課程的教學目標和教學活動，從而提升STEM校本課程的系統性和進階性，促進學生對概念的理解和應用。

一、大概念與STEM教育

（一）何謂大概念

大概念指可以適用于一定范圍內的物體和現象的概念，用于解釋和預測較大范圍自然現象的概念^[1]。與大概念相對應，那些只運用于特定觀察、實驗或科學課程中的概念被稱為小概念。小概念容易確定，它們分散在不同學科領域，與學生周圍有限的世界中完全特定的事件清晰相連。大概念是抽象的，它是對事物及現象中普適性特點或規律的總括性認識，可用于幫助學習者認識和理解世界^[2]。例如，“生物體需要經過很長時期的進化形成在特定條件下的功能”是一個大概念;而“魚借助鰓進行呼吸”是一個小概念。

（二）大概念與STEM教育的聯系

韋鈺教授在《以大概念的理念進行科學教育》一文中指出，以大概念理念進行科學教育能夠從小培養學生的創新能力^[3]。葉兆寧教授在《圍繞大概念設計STEM課程》一文中詳細論述了大概念與STEM教育的關聯。她認為理解大概念不僅是STEM教育的重要目標，而且是STEM教育的必然要求，學生只有習得大概念，才能形成“連接STEM學科能力”^[4]。米爾頓·霍林在《STEM課程如何設計：從StEMT理念到課例》一書中提出，數學、技術和工程的整合是用來支持科學概念的學習的^[5]。換句話說，工程設計任務不是一個獨立存在的實體，它的存在是為了支持科學的學習，而不僅僅是科學學習的拓展。

大概念教學與STEM教育相互聯系、相互促進，兩者相輔相成。承擔并完成工程任務離不開科學概念的學習，學習科學概念離不開大概念的引領。大概念教學可幫助學生形成具有邏輯組織、與實際事物相聯系的知識結構，促進學生在STEM學習中進行遷移應用。STEM教育引導學生綜合不同領域的知識來分析、解決現實問題，促進概念理解與融合，這有助于學生形成大概念。因此，教師在STEM課程校本化探索中，需要應用大概念理念來指導實踐，圍繞大概念來設計STEM校本課程。

二、基于大概念的STEM校本課程設計框架

如何將STEM課程中的問題解決過程與大概念的知識建構過程有機結合，這是基于大概念設計STEM校本課程的關鍵問題。筆者分別從大概念的進展、課程模塊、教學活動三個方面架構課程體系，構建了基于“大概念”的設計STEM校本課程設計框架（如圖1）。

問題引入是大概念的初現方式。教師播放微課視頻通過問題引入活動，即選取學生生活中常見的問題或工程設計過程中的實際問題，創設真實的任務情境。這些問題背后隱藏著各個領域的大概念，關聯著課程教學目標和問題情境的選擇。

圍繞大概念開展教學，即組織背景經驗活動。背景經驗活動是STEM課程中的科學實踐活動集合，教師借此引導學生用探究的方式進行學習，從而建構科學概念。探究實踐活動需要圍繞相關的大概念進行。將具體現象中的小概念上升為具有一定解釋力的大概念，有利于學生應用大概念解決實際問題。

運用概念和原理，即讓學生參與解決問題的活動。在解決問題的活動中，教師引導學生運用工程設計的方法解決在問題引入環節提出的問題。學生在知識建構與經驗積累的基礎上，運用大概念來思考并解決實際問題，從而培養跨學科學習能力和STEM素養。

三、STEM校本課程設計與實施案例

（一）梳理科學概念金字塔與進展圖

筆者設計了STEM校本課程“設計橋梁”，重視科學、技術、工程和數學的融合，利用學生熟悉和簡單易得的材料來研究和建造橋梁，圍繞大概念展開一系列循序漸進的學習活動。此課程主要涉及兩個大概念：“改變一個物體的運動狀態需要有凈力作用于其上”和“科學發現的知識可以用于開發技術產品，為人類服務”。筆者參照科學概念金字塔模型^[6]，建構了課程的科學概念金字塔（如圖2）。

科學概念金字塔底層是數量眾多且具體的小概念，中間是具有精簡且具有一定概括性的核心概念，頂層是少量且具有統攝性的大概念。從底層到上層，概念數量逐漸減少，抽象程度依次增大，應用范圍逐步擴大。在“設計橋梁”STEM校本課程中，學生在線上線下相結合的具體探究和操作等實踐活動中感受和體驗“橋面同時受到多個力的作用，包括自身的重力、重物的壓力、橋臺的支撐力等;用折疊、架梁、加厚、彎曲等方法改造橋面或橋墩，可以提高它們的承重能力”等科學事實和現象，從而理解“當作用在一個物體上的所有力都相互抵消時，物體處于平衡狀態;改變材料的形狀和結構能夠提高承重能力”等具體概念，進而建構“力作用于物體，可以改變物體的形狀和運動狀態”核心概念，為他們今后獲得跨學科主題和哲學觀念奠定基礎。

筆者依據美國《科學素養的導航圖》中“宇宙：萬有引力”和“物體運動：運動定律”進展圖^[7]，用軟件繪制了“設計橋梁”STEM校本課程的科學概念進展圖（如圖3）。教師根據概念進展圖，能夠清晰了解科學概念的進展過程，科學地把握學生當前的認知水平。

（二）確定STEM教學目標

“設計橋梁”STEM校本課程面向小學五、六年級學生開設，在科學概念進展圖中與之對應的是“三年級至五年級”和“六年級至八年級”的認知水平。筆者針對學生的年齡和學段水平，參考STEM校本課程概念金字塔和進展圖，從科學、技術、工程與數學四個維度設定課程教學目標（見表1）。

（三）設計STEM教學活動

“設計橋梁”STEM校本課程的教學活動設計思路見表2，無論是教師教還是學生學均圍繞大概念進行。

（四）STEM教學過程

課程以社團形式開展，STEM社團由28名學生組成，各組圍繞一項STEM活動展開學習，持續約一學期。

大概念的初現階段（活動1），教師創設情境，明確建橋梁任務，引導學生進行頭腦風暴，意識到完成建橋梁任務需要綜合考慮多種因素，還需要運用“力與運動”相關的知識和原理來完成建橋任務。

圍繞大概念展開教學階段（活動2—8），教師通過系列活動引導學生了解并認識橋梁的歷史，認識橋梁作用，掌握橋梁種類、受力分析、承重能力、材料結構、性價比等內容，圍繞力學的大概念展開科學探究學習活動。

運用概念和原理階段（活動10、11），教師引導學生重申工程問題，繪制設計草圖，根據草圖制作橋梁模型，測試并改進模型，最后展示學習過程并進行交流評價，解決實際問題。

（五）評價STEM教學效果

評價是教學活動不可缺少的內容，對教學具有積極的反饋和激勵作用。“設計橋梁”STEM校本課程實施過程既包含學習過程中的過程性評價，又包括學習活動結束后的總結性評價。過程性評價是在學習過程中進行的，與學生的學習交融在一起，關注學習過程中學生的表現。總結性評價是學習活動結束后對學習內容和過程進行的整體評價，旨在了解學生學習所達到的水平。例如，筆者針對本課程設計了學生工程任務學習過程評價量表（見表3），從四個維度、八項內容引導學生對學習過程進行自評與互評，幫助學生反思，提高學習效果。

筆者觀察學生的課堂表現和自評與互評發現，相比于普通課堂，圍繞大概念開展STEM課堂教學對學生具有更強的吸引力，有助于促進學生對科學概念的理解和運用。應用新的理念和模式教學后，學生學習興趣更高，狀態更投入，對社會更具有責任感，其表達、溝通、交流、調查、操作、制作、設計、實踐、計算等能力提高了，在科學概念和創新思維方面也有所改善。

綜上所述，圍繞大概念設計STEM校本課程，有助于教師設計STEM課程的教學目標和教學活動，把握學生進行STEM學習的原點和終點，從而提升STEM校本課程的系統性和進階性，促進學生對概念的理解和應用，提升學生的思維和能力。筆者希望在STEM教學中能夠形成一種場效應，讓學生在相互作用中提高理解能力、思維能力和實踐能力，提高科學素養。

注：本文系福建省十三五規劃2020年立項課題“STEM課程的校本化研究（課題號：FJJKXB20-711）”項目研究成果、廈門市第五批基礎教育改革立項課題“基于培生項目的STREAM課程校本化研究”（課題號：X511）項目研究成果、思明區教育科學“十三五”規劃2020年度課題“指向高階思維能力發展的小學科學教學研究——以地球與宇宙科學領域為例”成果（課題號：Z2020X0161）研究成果。

參考文獻

[1] 溫哈倫.科學教育的原則和大概念[M].韋鈺，譯.北京：科學普及出版社，2011：9.

[2] 李剛.科學大概念的課程轉化研究——以小學科學課程中的能量大概念為例[D].長春：東北師范大學，2019.

[3] 韋鈺.以大概念的理念進行科學教育[J].人民教育，2016（1）： 41-45.

[4] 葉兆寧， 周建中， 楊元魁. 圍繞“大概念”設計STEM課程[J].人民教育，2018（7）：59-63.

[5] 米爾頓·霍林，等.STEM課程如何設計：從StEMT理念到課例[M].劉恩山，譯.北京：外語教育與研究出版社，2020.

[6] 李剛，呂立杰.科學教育中的大概念：指向學生科學觀念的獲得[J].自然辯證法研究，2019（9）：121-127.

[7] 美國科學促進協會.科學素養的導航圖[M].中國科學技術協會，譯.北京：科學普及出版社，2013.

（作者系福建省廈門市濱海小學教師）

責任編輯：祝元志