跨學科整合視角下 中小學STEM課程設計質量分析

韓菲 李麗萍

[摘? ?要]為了解中小學STEM課程設計的質量，研究者選取具有STEM教學特色的53個案例，從跨學科整合視角下進行了多維度比較分析。結果發(fā)現(xiàn)教師對STEM課程有一定程度的了解，并有較強的跨學科整合意識，會嘗試運用多種教學模式，但在將STEM理念運用于實際教學時，還未完成從傳統(tǒng)教學方式向整合課程的轉化。因此，STEM課程目標要與學科核心素養(yǎng)進行整合，并嘗試多種評價方式。

[關鍵詞]跨學科;STEM;質量;學科核心素養(yǎng);評價

一、引言

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學（Mathematics）英文首字母的縮寫。其中，科學在于認識世界、解釋自然界的客觀規(guī)律;技術和工程則是在尊重自然規(guī)律的基礎上改造世界，實現(xiàn)與自然界的和諧共處，解決社會發(fā)展過程中遇到的難題;數(shù)學則作為技術與工程學科的基礎工具[1]。STEM 教育的一個典型特點，是倡導學生在雜亂無章的問題環(huán)境中充分發(fā)揮設計能力和問題解決能力，而這種能力恰恰是我國中小學教育所缺乏的，也是素質教育一直期望達成的內容。STEM教育有利于促進學生創(chuàng)新能力的養(yǎng)成，使學生更好地適應未來生活，并為國家儲備創(chuàng)新人才。因此，STEM 教育成為各國教育創(chuàng)新的主要戰(zhàn)略[2]。

STEM作為一門綜合性課程，最初以獨立的教學形態(tài)出現(xiàn)，隨著課程的發(fā)展，開始與信息技術等學科進行有效融合。STEM 課程通過對科學、工程、技術、數(shù)學等學科知識的融合，對獨立的學科進行重組，其目的是避免學生被單一學科的知識體系所束縛，鼓勵學生綜合運用多學科知識解決實際問題。隨著美國《下一代科學教育標準》的發(fā)布[3]，人們認識到大多數(shù)人所熟悉的STEM教育舉措與《K-12科學教育框架》（NRC 2012開發(fā)）所描述的預期成果之間存在相似性[4]，但有意義的STEM活動和課程在課堂上的應用仍然難以把握。隨著技術以不斷增長的速度滲透到生活的方方面面，教育者應該培養(yǎng)學生掌握為尚未存在的問題制定解決方案所需的知識、技能和工具[5]。可見，跨學科整合視角下STEM課程設計質量的比較與優(yōu)化是理論研究和實踐層面的迫切需求[6]。

2007年，我國引入STEM教育理念，自此文獻逐年增多，成為科學教育領域的重要話題。落實STEM教育的關鍵是課程，在課程與教學實施方面，2017年前的文獻主要集中于美國K-12階段的課程目標、課程設置以及常用教學方法，為我國STEM教育的開展提供了參考。2018—2019年，隨著學校STEM教育實踐的開展，出現(xiàn)了對課程進行探索與實施的研究。對于課程內容，也有了從復制模仿到自主研發(fā)的傾向。因此，本文主要探討現(xiàn)有中小學STEM課程的實施現(xiàn)狀及整體質量[5]，并嘗試基于這種現(xiàn)狀為STEM課程設計質量提供優(yōu)化建議。

二、研究方法和內容

1.STEM課程案例的選擇

在中國知網以“STEM”“課程”“教學設計”等作為關鍵詞檢索STEM課程案例的相關論文，并主要以課堂有明確的主題和詳細教學過程，同時將STEM運用于課堂教學實踐作為優(yōu)先標準，對檢索到的文獻進行篩選。從期刊中選取了2017年至2020年（截至2020年12月25日）刊登的具有STEM教學特色的案例53個，其中包含已實施的課程，以及部分未實施但具有成熟課堂構思框架的課程。

課程案例文獻涉及小學、初中、高中三個學段。其中，小學10篇，初中11篇，高中25篇。此外，還有7篇未指出明確學段;案例涵蓋多領域、多角度、多學科，小學的主要學科主線為科學，共8篇，有2篇未明確主要學科;中學的主要學科主線包括數(shù)學4篇、物理14篇、化學7篇、生物7篇、地理2篇、信息技術2篇，涉及學科為S、T、E、M，以及綜合實踐和勞動技術。

2.研究方法

本研究針對所選的53個STEM課程案例設置了相關維度及評估細則，形成了如表1所示的分析維度和相關細則。

分析維度包括：STEM的定義、課程基本理念、項目名稱、涉及年級、主要學科、涉及學科、教學目標、教學詳細的教學過程、是否有相關產品、是否有評價、課時數(shù)、課內或課外、教學特色、所屬期刊、作者身份、課程是否有實踐共16個維度。其中，課程基本理念、涉及的學科、教學目標、教學過程、相關產品、教學評價是六個核心維度，每個維度含有3～5條細則，一共22條評價細則（見表1）。本研究選擇5點計分方式，每個維度初始計1分，對應的每條細則得到體現(xiàn)加1分，對應維度得分加1分，課程總體得分為各維度得分相加（滿分28分）。

同時，研究還將所選擇的53篇文獻按照所設置的維度及細則，將所提取的內容進行分類并整理成Excel表格，對比分析了在各維度上現(xiàn)有的STEM課程案例的實施情況和特點，及這些案例在各維度表現(xiàn)上的差異。

3.研究的具體問題

本次研究采取定性和定量相結合的研究方法，從跨學科整合視角對所選取的STEM課程案例進行分析，初步了解STEM課程概況。在此基礎上，將對各個維度進行深入分析和歸納，以探討現(xiàn)有STEM課程的實施情況及整體質量，并嘗試由此提出相應的優(yōu)化建議。

三、結果分析

1.定量分析

根據(jù)以上各核心維度細則，對53個STEM課程案例樣本進行計分，得分情況如表2所示。統(tǒng)計結果表明，STEM課程案例平均得分為18.72分（滿分28分），居于中偏上水平。在所有分析的核心維度中，教學過程維度得分最高，為5.28分（滿分6分）;其次是相關產品維度和學科維度，分別為3.43分（滿分4分）和2.83分（滿分4分）;緊接著是教學目標和教學評價兩個維度，居于中等水平;得分最低的為課程基本理念維度，僅居于中下水平。

2.定性分析

在53個STEM課程案例中，絕大部分以工程為核心，以某一主要學科（如數(shù)學、物理、生物、化學、地理等）為主線，融合科學、技術等學科。其中，以一門常規(guī)學科為主線，涉及并整合S、T、E、M四個學科的案例共有46個。

大部分還尚未實施的STEM課程案例教學設計的作者為高校研究人員，而大部分已實施的STEM課程案例教學設計的作者為當?shù)貙W校教師或由學校與高校研究人員合作完成。基于活動設計的具體分析結果如下。

（1）STEM的定義與課程理念

在這些課程案例中，大部分都有明確的STEM定義，清晰且詳細說明了STEM定義的案例共有40篇。這些文獻都認為STEM是科學、技術、工程、數(shù)學四門學科的有機整合，其最顯著的特點為“跨學科”，強調在真實情境中進行工程實踐。其中，有1篇案例對STEM的定義延伸至教師在其中扮演的角色，指出“教師是情境的設計者、學習活動的組織者、必要支架的提供者、評價量規(guī)的制定者”[7]。

在課程理念方面，有明確課程基本理念的案例共有33篇。這些課程理念根據(jù)主線學科的不同而存在差異。如：一堂以生物為主線的STEM課程的基本理念為“STEM 理念的高中生物學教學強調以學生為中心，創(chuàng)設真實問題情境，引導學生綜合應用知識，以小組為單位設計解決方案，開展科學探究活動，習得生物學知識，培養(yǎng)學生解決生產生活問題的創(chuàng)新精神與實踐能力”[8]。而一堂以物理為主線的STEM課程的基本理念為“以高中物理課程中的力學知識為主題，應用STEM教育理論，設計基于3D 打印技術的高中物理教學活動，分析3D打印技術在高中物理學科教學中的應用效果，探究這一新型課程對促進學生深度學習和提高學習體驗的程度”[9]。

（2）教學目標及教學過程與教學活動設計

在教學目標方面，有明確且詳細教學目標的案例共計29篇。其中，10篇以S、T、E、M分別涉及的學科設置教學目標，在目標設計上明顯突出了相關項目的特色，分模塊展開實施項目，融合不同科目的知識，以實現(xiàn)真正意義上的跨學科。另外19篇仍以三維目標或核心素養(yǎng)形式設置教學目標，容易導致在四個模塊上進行簡單疊加而非有機整合，單個模塊目標不清晰，在項目實施的過程中不利于突出該項目的特色。

在教學過程及教學活動方面，有詳 細的教學活動或過程的案例共計50篇;表明絕大部分現(xiàn)有課程案例的教學過程比較完整，在教學活動的安排上比較充分且靈活。并且其中45篇課程案例的教學活動都是基于真實情境，圍繞本堂課相關項目的一個核心問題，設計、實施、改進方案，最后進行展示交流。在活動設計的課時方面，1至12個課時的課程案例均有;課程在室內、室外、實驗室內均可進行，授課地點已不局限于傳統(tǒng)教室。

除了以STEM教學為基本載體，有1篇案例結合了當?shù)靥厣O計教學活動;有19篇案例在教學設計上與其他教學模式配合進行，如“5E（6E）教學模式[10]”“4C教學模式[11]”“ADDIE模型[12]”“翻轉課堂教學模式[13]”或微課等;有4篇案例將STEM理念融合了主線學科的核心素養(yǎng);有2篇涉及借助技術創(chuàng)新加強教學云平臺的建構。

（3）教學評價與項目產品

在教學評價方面，有相關教學評價的案例共計30篇。其中，23篇案例運用多元方式進行了詳細的教學評價，如：教師評價、學生自評與小組評價相結合，形成性評價與終結性評價相結合;另有7篇案例有教學評價但沒有明確評價標準。

在課程項目及對應產品方面，基于工程設計相關實踐產品的案例共有45篇。同時，在一些案例中，課程相關產品的模型、特點、質量等也成為STEM教學評價的參考工具。

綜上所述，大部分學校教師以及研究人員，對STEM的定義有一定程度的了解，并有較強的跨學科整合意識，會嘗試運用多種模式進行STEM教學。但對于將STEM理念運用于實際教學，還未完成教學方式的轉化過程。一是在教學目標的設計上，只有少部分教師或研究人員嚴格按照“S、T、E、M”各維度列出目標，即基于STEM理念設計教學目標并設法達成，大部分教師仍采取三維目標或核心素養(yǎng)目標的形式;二是在教學評價上，部分教師停留在單一評價水平，還未建立多元評價和設置詳細評價標準的意識。同時，也還有一部分STEM課程的教學設計僅僅完成了藍圖，形成了較成熟的課程構思和框架，但尚未運用于教學實踐，對于該課程的教學設計與活動過程設計是否合理、目標能否達成、評價是否全面，還需在未來的教學實踐中加以驗證。

四、分析與討論

1.加強STEM課程的實踐性，落實學科核心素養(yǎng)

《K-12科學教育框架》指出：“工程和技術與物質科學、生命科學以及地球與空間科學同等重要，其主要原因有兩個：一是反映理解人造世界的重要性，二是肯定更好地整合科學、工程和技術的教學價值”[14]。學生要想成為一個問題解決者，就必須要有解決問題的經歷。

本研究涉及的53個課程案例，總體上有以下特點。一是大多數(shù)課程案例的教學目標按照傳統(tǒng)三維課程目標進行設置，未突出以“S、T、E、M”為代表的多領域跨學科目標。二是STEM課程開放性不夠強，大多數(shù)教師局限于傳統(tǒng)課堂教學的思維定勢，較少能夠做到在真實情境中提出真實問題、真正探究從而真正解決問題。三是在課程理念上，除了基于真實情境展開課程研究，并將知識跨學科整合外，沒有很好地把問題情境從個人層面上升到社會層面，在培養(yǎng)學生動手實踐能力和綜合運用知識的能力等方面還不夠深入。

科學教育的一個重要目的就是讓學生學會科學和工程學實踐，以及培養(yǎng)基本的科學概念。發(fā)展學生的核心素養(yǎng)，從本質上講就是為了培養(yǎng)學生在面對復雜問題時，能夠運用并整合所學知識解決問題的品格和能力。如有研究認為，STEM教育的本質是培養(yǎng)學生解決復雜問題時綜合運用各學科知識的能力[15]。由此看來，發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)和STEM教育在目標上是一致的。因此，在設置STEM課程的教學目標時，應整合學科核心素養(yǎng)的要求，并在實踐中引導學生進一步加深對科學探究的理解。

2.采取多元評估手段，重視STEM課程的教學評價

所收集案例中教學評價維度得分普遍較低。而評價是教學中非常重要且必不可少的一個環(huán)節(jié)，不僅能夠及時反饋學生在課堂上的學習情況，而且能夠優(yōu)化教師教學，最終促進學生的發(fā)展。

STEM課程相對于傳統(tǒng)課程而言，更強調以學生為中心進行科學探究或工程實踐活動，具有更大的靈活性和開放性[16]。因此，應該更注重開放式的表現(xiàn)性評價和非正式評價，通過大量客觀測驗以外的行動、展示、操作、寫作等更真實的表現(xiàn)來評價學生口頭表達能力、文字表達能力、思維能力、創(chuàng)造能力、實踐能力等，使教師能夠更準確地評價學生對過程技能和內容領域知識的掌握情況，發(fā)現(xiàn)學生更多隱藏性問題，以便提供更有針對性的引導。

因此，針對STEM課程的典型特征，要逐漸豐富課堂教學評價的工具和手段。除了采用傳統(tǒng)評價方式，還可以通過設計開放性問題、運用科學筆記、采用多種形式呈現(xiàn)學習成果等方法，以評價引導和鼓勵學生表達溝通，在實踐中不斷發(fā)展解決真實問題的能力。

參考文獻

[1]John Williams. STEM Education： Proceed with caution[J].Design and Technology Education，2011， 16（1）：26-35.

[2]葉兆寧，楊元魁. 集成式STEM教育：破解綜合能力培養(yǎng)難題[J].人民教育，2015（17）：62-66.

[3]NGSS Lead States. Next-Generation Science Standards： For states， by states[M].Washington， DC： The National Academies Press，2013.

[4]National Research Council，National Academy of Engineering. Committee on Integrated STEM Education[M].STEM Integration in K-12 Education： National Academies Press，2014.

[5]朱建山.美國STEM教育跨學科整合的啟示[J].中小學數(shù)字化教學，2019（6）：92-95.

[6]黃瑄，周丐曉，楊銘，劉恩山.基于STEM跨學科視域的科學教科書分析——以加拿大英屬哥倫比亞省科學教科書BC Science為例[J].中國電化教育，2018（6）：68-76.

[7]茅君平.基于6E學習模式的STEM 課例開發(fā)——以“多用電表”教學為例[J]. 物理教學探討，2019，37（04）：9-11.

[8]翟佳蕊，基于STEM理念的“制作泡菜并檢測亞硝酸鹽含量”教學設計[J]. 理科考試研究，2019，26（10）：63-65.

[9]郭威，薛耀鋒，楊金朋.基于3D 打印的高中物理STEM 課程設計與應用研究[J].中國教育信息化，2017（18）：24-27.

[10]陳希，程林.基于工程設計的高中STEM 課程設計與實踐——以“建筑結構設計”課程為例[J].現(xiàn)代教育技術，2019，29（02）：121-126.

[11]苗冬玲.基于樂高4C理念的STEM課程設計研究[J].教育參考，2018（06）：76-82.

[12]姜浩哲，李潔.基于樂高機器人的STEM 教學設計與實施[J].中小學實驗與裝備，2019，29（01）：4-5.

[13]楊永和.基于STEM 教學模式的中職物理教學設計——以《電磁感應現(xiàn)象》為例[J].中小學數(shù)字化教學，2017（02）：51-53.

[14]馮翠典.美國新一代《K-12年級科學教育框架》簡介[J].比較教育研究， 2013（5）：97-102.

[15]袁磊.核心素養(yǎng)視域下STEAM教育的課堂教學變革[J].中國電化教育，2019（11）：99-103

[16]宋怡，馬宏佳，祁宇. STEM教育愿景中的課程、教學與評價——基于美國《STEM2026：STEM教育創(chuàng)新愿景》報告[J].現(xiàn)代教育科學，2017（11）：126-131.

（責任編輯 郭向和? ?校對 姚力寧）