初中STEAM課程認知能力和科學素養培養模型*
——基于反思性學習的思考

金 洲 李穎欣 戴 堅 黃詰雅

（浙江工業大學 教育科學與技術學院，浙江 杭州 310023）

一、引言

當今世界科學技術創新對社會的引領作用更加凸顯，對新型人才的需求也與日俱增，倡導多學科融合、注重創新精神和實踐能力培養的STEAM 課程引起廣泛關注。但是在熱點背后也存在一些亟待解決的問題，我國STEAM 課程中科學探究的過程存在知識深度和系統性上的不足[1]。其中，重“技能培養”輕“知識學習”、重“活動形式”輕“科學精神”是主要的兩大問題[2]。

二、理論基礎

（一）反思性學習的內涵

反思性學習是指學習者以自身經驗、活動或身心結構為對象，以反身性的自我觀察、分析、評價、改造、修煉等方式進行的學習，是建構性學習、自主學習、學生主體性發展等的核心環節[3]。

文章認為，反思性學習并不只是在某一教學階段或者某一教學時刻去做的事情，而應該貫穿到整個STEAM 課程的培養過程中，在各個教學環節都應該有所體現和表達。而依據各個教學環節對教學內容側重點的不同，無論是認識能力培養和科學素養培養，無論是對過去教學的先前環節、過去教學的當前環節，還是在對現在教學的先前環節，反思性學習都應該存在并從這些環節中總結反思，利用現有經驗推動教學環節的進一步完善。

（二）反思性學習的功能和途徑

目前，反思性學習的主要功能在于通過反思提高學習者自我認識、自我評價、自我對待以及自我發展的能力[3]。

反思性學習注重經驗及其轉變的過程性和技術性，趨向社會性和實踐性，主要體現在：反思形式從沉思走向實踐反思；從個體反思性學習走向社會化反思性學習；從過去的“反思性”走向外顯的、實證的“反思”；從以往的經驗反思性學習走向轉換的反思性學習[4]。

日常教學中，反思性學習的內容主要有學習過程的反思、學習結果的反思、學習環境的反思以及學習動機的反思四個方面[5]，工具主要有驅動性問題、反思性學習表、網絡反思性學習平臺、電子學習檔案袋以及試題等[6]。

（三）反思性學習與STEAM課程的關系

1.反思性學習提供了檢查機制。反思性學習可以作為STEAM 課程下的一種檢查機制，幫助學生監控自己的學習活動，幫助教師調控自己的教學活動。要求教師在課前進行歷史反思，在課中進行實時反思，在課后進行即時反思，改進后續的學習課程，循環往復。反思學習雖與形成性評價類似，但包括了在形成性評價后給予反饋的環節，這種反饋包括了“回溯”“跳躍”和“遷移”。

2.反思性學習提供了潤滑劑。反思性學習提升了STEAM 課程的靈活性和可操縱性。在實際的STEAM 課程上，可能因為教學時間的限制或是教學材料的限制而導致學生在整個教學過程中缺少反思過程，而教師也在教學過程中未給予學生有效的反思時間，學生無法對已學知識完全掌握，自然更不可能去理解其他更深層次的內容。而反思機制作為可以一種“回溯”和“跳轉”的綜合運用手段，靈活調整各個教學環節的時間、各個環節的次序等，根據實際情況操縱和調控教學環節順序，能夠有效對學生認知能力和科學素養培養過程中出現的問題進行及時發現和解決。

3.反思性學習提供了認知能力與科學素養之間的“橋梁”。反思性學習不應該局限于時間維度各個教學環節的進行上，更應該擴展到空間維度“認知能力”與“科學素養”的交互上。具體來說，“認知能力”培養和“科學素養”培養兩者是面對學生核心發展的不同側面，是獨立的，但又是相互關聯的，“科學素養”的培養是在學生“認知能力”達到一定要求的基礎上，而“認知能力”提升的最終目標是實現“科學素養”，而連通兩者的“橋梁”就是反思性學習。

三、初中STEAM課程現存問題及原因分析

（一）課程流程固定化

課程流程固定化是目前初中STEAM 課程的主要問題。課程環節單一與教師教學水平較低有直接關系，許多教師在設計STEAM 課程教案時僅通過套用標準STEAM 課程模板或依據其他標準課堂模板修改后得到，極大程度上限制了教學環節的靈活性和可操作性，按部就班極大程度上導致了教學流程固定化。

（二）社會程度淺

社會程度淺體現在兩個方面：一是STEAM 課程嚴重脫離實際。脫離實際是指STEAM 課程依據的問題來源遠離實際、實踐操作背離實際、結論得出超出實際。在STEAM 課程中學到的知識、掌握的技能、設想的方法無法運用到實際情況，并起到重要作用。二是在STEAM 課程中無法有效鍛煉學生的社會交流能力、社會思維辨析能力等社會綜合能力，造成學生社會程度淺的問題。

（三）重視外在活動形式、缺乏科學精神培養

目前的STEAM 教育在很大程度上外在活動形式準備較為充足，但是嚴重缺乏核心素養的培養環節，其中最主要的就是科學精神的培養。究其原因主要是教師對STEAM 教育了解程度較低、學生對STEAM 教育接受程度不高、社會對STEAM 教育期望值過大等共同導致STEAM 課程呈現形式優良但缺乏科學實質的關鍵問題。

針對以上問題，本研究提出了基于反思性學習的新型初中STEAM 課程認知能力和科學素養培養模型。

四、初中STEAM課程現存問題及原因分析

基于反思性學習的初中STEAM 課程認知能力和科學素養培養模型（以下簡稱模型）如圖1 所示，由內、中、外三層組成。內層為STEAM 課程的基本環節，包括發現問題、設計方案、收集證據、分析證據、得出結論和表達交流；中層為安德森認知發展理論中認識能力的目標要求，包括記憶、理解、運用、分析、評價、創造；外層為科學素養培養的基本過程，包括設計科學研究、科學地解釋數據和證據、科學地解釋現象、評價科學研究。

圖1 基于反思性學習的初中STEAM課程認知能力和科學素養培養模型

模型三層結構既相互獨立，又相互對應。相互獨立體現在各層次內部為基本閉環，且在最內層的STEAM教學環節中存在著反思機制，根據實際教學情況進行“回溯”和“跳躍”，同時借用模型三層結構的具體形式投影到認知能力培養與科學素養培養上。相互對應體現在：依據最內層STEAM 課程教學環節劃分整個課程時間，由所在具體課程教學環節兩側與圓心的反向延長線所組成的扇形，確定認知能力培養和科學素養培養環節的一一對應關系。如圖2 科學素養中“科學地解釋數據和證據”位于認知能力結構“分析”和“評價”之間，同時與STEAM 教學環節的“分析證據”相對應。

圖2 基于反思性學習的初中STEAM課程認知能力和科學素養培養模型層級

（一）課程目標

目前STEAM 課程面向群體以中小學生為主，學生大多處于具體運算階段，思維的抽象邏輯程度比較低，需要借助具體的事物以及過去的經驗。在此階段，學生對知識能力的培養提出較高要求的同時也對科學素養快速提升提出了強烈的需求，逐漸形成了較強的抽象邏輯思維以及系統思維能力。因此，在實際的課程中應當以認知能力培養和科學素養培養為背景進行具體的課程目標設計。

（二）課程內容

1.認知能力培養。目前，STEAM 課程在認知能力培養方面較為薄弱。模型以安德森認知目標模型為主體，分為記憶、理解、運用、分析、評價和創造六個環節。從最初的發現問題開始，教師可以教授學生適當的“記憶”方面的知識，也就是可解決問題的基礎知識，并從此出發，設計具體解決問題的方案。在設計方案的過程中，學生逐漸“理解”所學的基礎知識，并往外延伸與此有關的其他方面知識。然后，學生通過收集證據和分析證據環節，將所學知識“運用”到實際的動手實踐過程中，培養學生運用知識的能力。接下來，在得出結論環節和表達交流環節，學生將“評價”STEAM 課程過程中的知識學習與實踐經驗得出結論。最后，學生對現有的設計方案進行“創造”，培養學生自我認知能力，達成認識目標。在課外時間，學生也可以去搜索與本節課課題有關的知識，重復進行安德森認知目標模型的六個環節，從而實現不同目標層次的具體要求。

與此同時，在正向循環認知能力培養過程的同時，教師也應當允許反思的發生。當學生未能運用知識到具體實踐中時，可以反向思考是因為學生“記憶”環節不到位還是“理解”環節不到位的原因，并對此進一步的講解補充；同時，如果學生在評價過程中對某個作品的評價與其他同伴作品的評價有較大差異時，教師可以思考，這位同學是否在最初的“知識”掌握環節中有所問題，又或者是學生在實際“運用”“分析”過程中與其他的同學存在些許差異等。將反思性學習融入到認知能力培養方面，能夠真正實現學生在STEAM 課程中認知能力的提升。

從整體來看，STEAM 課程環節與認知能力培養環節一一對應又相互錯開。在發現問題階段和設計方案初期，學生逐漸對解決實際問題所需的知識達到熟記的要求；在設計方案后期和收集證據階段，學生逐漸理解所接受到的知識，并根據自己的理解收集相關的證據支持自己的假設假說；在分析證據階段初期，學生運用已有認知嘗試解決問題；在分析證據階段后期，學生將對證據的分析轉化為自身的知識，并結合之前學習過的知識進行總體分析，在“得出結論”階段的初期加以運用；在得出結論的后期，學生綜合多學科多方面的認知知識，并在表達交流環節進行總結、評價。最后學生也可以聯系生活實際，根據其他學生和教師的評價修改原有設計方案，進行進一步的改進和創造。具體對應關系如表1所示。

表1 初中STEAM 課程環節與認知能力培養對應關系

2.科學素養培養。研究調查發現，目前STEAM 課程片面注重活動形式和課堂氛圍，一定程度上缺乏實踐活動的科學性和嚴謹性，僅僅是把“表面功夫”做好，卻忽視了學生科學素養的提升。如今STEAM 課程更是應當把重點放在引導學生在實踐活動中掌握科學知識和科學方法，培養科學精神。

模型的外環以PISA2018 發布的有關科學素質的能力“科學地解釋現象”“評價和設計科學探究”“科學地解釋數據和證據”為基礎，并進一步將“評價和設計科學研究”分為“設計科學研究”和“評價科學研究”兩個部分。以最初“設計科學研究”為出發點，經過收集證據和分析證據（即科學地解釋數據和證據）后，科學地解釋現象，評價自己和其他同學設計的科學探究，有效提高學生的科學探究能力，并根據科學探究的評價結果重新設計科學研究，如此循環。

在此循環過程中，可以利用反思機制，在根據所設計的科學研究對數據和證據進行收集、分析、解釋的過程中，對出現的問題進行反思，并重設科學研究，再次進行具體的收集、分析、解釋工作；而發現已有的數據和證據無法科學地解釋現象時，反思出現問題的原因，并對出現的原因（可能是因為對數據和證據的分析解釋不合理或者在最初的研究假設中出現了問題）進行修改和調整。在最后的評價科學研究階段，學生和教師對整個研究過程進行分析，從整體的角度分析存在的問題，加以改進。

從整體上看，“設計科學探究”與STEAM 課程環節中的“設計方案”、安德森認知目標發展理論的“記憶”“理解”相對應，在學生記憶能力與理解能力提升的同時，加強對科學方案設計、科學嚴謹表達的能力；在設計方案階段“科學地解釋數據和證據”“科學地解釋現象”與STEAM 課程過程中的“收集證據”“分析證據”“得出結論”，安德森認知目標發展理論中的“運用”“分析”相對應，加強學生的科學計算能力和科學分析能力；“評價科學探究”與STEAM 課程過程中的“表達交流”、安德森認知目標發展理論中的“評價”相對應，增強學生對科學意義的體會、科學價值的判斷，真實鍛煉學生的科學精神，達到良好的實際教學效果。具體對應關系如表2所示。

表2 初中STEAM 課程環節與科學素養培養對應關系

（三）課程實施

1.發現問題。發現問題是STEAM 課程的開端，在“發現問題”的教學環節中教師引導學生從身邊的生活實際出發，發現真實可解決問題并以解釋此類現象、解決此類問題為目的，為設計科學研究方案打下堅實基礎，促進學生的記憶和理解能力。

2.設計方案。設計方案是STEAM 教學的關鍵環節，一個好的設計方案是后面其余教學環節的總規劃。作為一份“科學指南”，好的科學設計方案不是一次性就能夠完成的，而是需要通過后續教學環節中出現的問題通過不斷反思改進的，鍛煉學生對知識的理解能力，推動科學研究的設計進度，完善科學設計方案。

3.收集證據。收集證據是對之前所設計方案的一種體現，也是對之后得出結論的根本證據。就實際而言，對于目前STEAM 課程中存在的真實性缺乏、未能從實質上對科學素養以及認知能力培養提供切實幫助的原因，很大程度上是收集到的證據準確性差、虛假程度高，極大程度上是為了理想的結論或結果而編撰證據，無法體現反思性學習的真實效果，也無法依靠對所出現的問題（證據為什么收集不精準、證據如何精準收集等）進行反思以提高科學素養能力。

4.分析證據。若僅僅完成證據的收集是完全不夠的，還需要對證據進行分析，這是培養認知能力的主要方式，不僅培養學生的應用、分析能力，還能夠鍛煉學生的科學思維邏輯和抽象思維邏輯。在面對如此龐大真實復雜隨機的數字中，發現實際規律和總結實際證據是擺在所有學生面前的一大難題，而教師就要充分借用此機會，在對學生提供適當幫助的同時，對基本的科學方法進行解釋說明和強化練習。

5.得出結論。對證據的收集分析以得到最終的結果。但是在目前STEAM 教學過程中出現得到結果與預期效果不一致的情況，這時候許多學生會選擇放棄得到的真實結果而杜撰出虛假的自己設想的結果，而教師也對此環節不加以干預，這對學生的科學素養培養進程造成極大的負面影響。教師應當引導學生從先前教學環節中分析原因，如果是某些操作原因、計算原因等則改正過來重新實驗；如果發現之前操作并沒有任何錯誤，那么就要接受這個實驗結果，這是科學素養的一種真實體現。

6.表達交流。表達交流是學習者理解所學內容并用自己的語言表達出來的邏輯體現內容，具有現實意義的同時，也有利于教師從學生的講述中發現學生在課堂實踐中存在的問題和課程實踐對學生認知能力和科學素養的提升效果，有利于教師對整節課進行反思，并對教學設計加以改進。

五、基于反思性學習的初中STEAM 課程學習效果評價

（一）評價標準

基于反思性學習的初中STEAM 課程學習效果評價可以分為認知能力、科學素養、反思程度三個大類，三個大類之中又細分為具體十四個二級小類，詳細如表3 所示。其中評價的主體是教師、學生（自我評價和同儕互評）、家長三方。

表3 初中STEAM 課程學習效果評價體系

（二）評價內容

基于反思性學習的初中STEAM 課程學習堅持以人為本，以促進學生提升認知能力與發展核心素養為根本目標，在評價過程中需遵從以下原則：

1.“技能培養”和“知識學習”并重。知識學習是技能培養的基礎，而技能培養是知識學習的進一步提高，從“記憶”“理解”“應用”到“分析”“評價”“創造”，讓技能培養與知識學習并重，是當前初中STEAM 課程擺脫形式注重實際的基本之策。

2.“活動形式”“科學精神”并重。“活動形式”應該以“科學精神”培養為核心，“科學精神”培養應該以“活動形式”的優化為創新，創建“活動形式”精良、“科學精神”純粹的STEAM 課程。

3.多能力并重。從理性思維能力、批判質疑能力、科學探究能力這三大科學素養結構關鍵成分角度培養學生的綜合素質能力，多角度能力并重培養，全方位素質綜合發展，切實評價真正體現初中STEAM 課程教學中認知能力和科學素養的提升效果。

六、結語

本研究基于反思性學習理論、布魯姆認知目標分類理論以及PISA2018 科學素養培養理論，分析造成目前STEAM 課程重“技能培養”輕“知識學習”、重“活動形式”輕“科學精神”問題的原因，構建基于反思性學習的初中STEAM 課程認知和科學素養培養模型。此模型較好地解決了STEAM 課程流程固定化、學習程度淺、重視外在活動形式、缺乏科學精神培養等具體問題，能夠推動STEAM 課程教師教學效果和學生學習效率的提高，進而推動STEAM 課程在我國的進一步發展。但是，模型還存在一些缺陷，如什么時候進行反思性學習、教師應該如何進行反思性學習，反思性學習的內容有哪些等問題，都需要通過進一步研究加以解決。