滲入“大概念”的STEM融合課程設計

胡玉霞

〔摘? ? 要〕? ? STEM 課程通過讓學生在解決真實情境問題過程中，建立學科領域知識之間的交叉融合，使其批判性思考、協作交流、創新思維等綜合能力得到發展，而“大概念”層次框架與STEM整合課程理念不謀而合。本文以智能機器人STEM教學為例，通過教學實踐證明“大概念”視角下的STEM課程教學是提高學生綜合能力的有效途徑，并提出滲入“大概念”STEM融合課程設計的要點，以期為一線中小學教師開展 STEM 跨學科教學提供參考范例。

〔關鍵詞〕? ? “大概念”；STEM；融合課程；核心素養

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號〕? 1674-6317? （2023）? 09-0076-03

STEM整合課程旨在將跨學科知識“錨入”真實問題情境中，實現不同學科領域的有機融合，從而有目的、有計劃地組織課程內容。國內，STEM課程在近幾年逐漸火熱。STEM主要有培訓機構開設和校本課程兩種方式，均在起步階段。因此，課程的實施目前還面臨些許問題：STEM課程研究的深度和系統性嚴重欠缺；STEM課程走入實踐困難重重，其教學過程、學習方式、評價方式、組織管理方式等還在摸索之中；缺乏課程開發團隊；缺少合適的師資隊伍；等。

工業時代向信息時代轉變的特殊時期，教育的價值也發生了改變，教育的落腳點在于學科的核心素養。核心素養描述了學習的預期結果，也就是教學目標，但是核心素養相對來說屬于高位。因此，在教學中實現信息素養與具體教學的結合，有必要借助“大概念”。2017年版的《普通高中課程方案》也強調“以學科大概念為核心，使課程內容結構化，促進學科核心素養的落實”。

格蘭特·威金斯和杰伊·麥克泰格等人在研究中指出，“大概念”是“能夠使離散的事實或技能有意義地聯系的概念，是強化學生思維，使學生具備應用和遷移能力的關鍵”。“大概念”將素養與學科具體內容結合，使得教學過程與方法具體化，幫助核心素養真正落實。

“大概念”層次框架與STEM整合課程理念不謀而合，為STEM整合課程的設計與實施提供了指導。威金斯和麥克泰格提出“大概念”教學過程WHERETO元素，為“大概念”視角下的教學設計提供了一系列指導。

W——教師幫助學生知道他們即將到哪兒（Where）（即學習目標），他們為什么要去那里（Why），在學習過程中，怎樣評估他們的表現；

H——如何持續保持學生自主學習的激情和興趣（Hook和Hold）；

E——在教學設計中給學生提供怎樣的情境體驗（Explore）來幫助學生真正理解知識，并能夠成功應用到問題解決中；

R——怎樣引發學生反思（Reflect）、再討論、重新審視（Rethink）自己的學習過程；

E——怎樣讓學生輸出（Express）自己理解的知識，并能夠進行自我評價（Evaluation）；

T——怎樣對學生因材施教（Tailor），對不同的學生進行不同的指導；

O——怎樣組織（Organize）學習過程，以幫助學生從教師為主導的學習走向獨立學習，并能夠掌握學科“大概念”，將概念應用于生活中。

一、滲入“大概念”的 STEM 融合課程設計模型構建

“大概念”層次框架為STEM整合課程設計提供了有價值的啟示：STEM課程設計應該重視整合經驗，給學生提供相應的學習支架；STEM課程設計應重視任務情境創設的延展性；STEM整合課程應特別關注學習支架的設計。本研究借鑒“大概念”對STEM課程的啟示構建了融入“大概念”的課程設計模型。該模型分為兩層：外層闡釋了融入“大概念”的課程設計與實施的具體路徑；內層闡釋了STEM各學科知識之間的交叉融合。

在“大概念”和WHERETO過程描述的引領下，筆者借助多年的STEM校本課程實踐經驗，根據以上提出的模型結構，以“智能機器人”為課程主題，在STEM教學中融入“大概念”，形成STEM單元課程教學。在此教學中，學生通過探究智能機器人搭建，不同學科教師提供學習支架，在教師融合教學的基礎上，設計課程目標和課程內容，促進學生將不同的學科概念知識整合成系統化的知識體系，運用建構的知識體系解決工程設計問題，并在交流評價中反思學科概念的生成過程。之所以采用單元整體教學，是因為核心素養的培養需要一個相對長的時間，而學科“大概念”的掌握也需要多個具體概念的支撐。提供的具體概念越多，應用情境越復雜，學生遷移和創新的可能也越大。

二、案例：滲入“大概念”的STEM融合課程設計

（一）一課多師：教師融合

構建“智能機器人”單元教學內容時，采用一課多師的方式，即多位教師聯合備課，同一單元內容細分成若干個模塊。每個模塊由對該模塊非常熟悉的專業教師執教，以充分發揮不同教師的專長，并激發教師教學的主動性。在備課之初，教師借助“大概念”框架，厘清STEM學科概念之間的邏輯關系，從跨學科領域中抽象出上位概念，如，工具應用、數據處理和程序設計。根據“智能機器人”的具體內容確定單元核心概念，再借助思維導圖展示跨學科概念和單元核心概念。

隨后，利用“大概念”層次框架幫助教師快速找到學生原有的認知水平，即學生已初步具備的歸納總結能力，并選擇匹配學生認知發展水平的“先行組織者”支架。學生在日常學習中已經具備智能機器人的零散知識和技能，但是知識還需進一步系統化、科學化。

實施一課多師，除了由不同專長的教師執教以外，本單元項目學習中還配備了雙班主任，負責組織學生實地參觀AI企業，督促學生記錄每日學習日記。“智能機器人”單元教學雖然為偏理科類的學習，但仍要求學生寫反思日記，以幫助學生及時回顧當天的所學所想，整理一天的思維活動，促進下次學習活動（即WHERETO的“R”）的合理調整。班主任還負責拍攝精彩鏡頭，并及時與家長進行溝通，形成階段性的成長檔案袋，幫助學科教師全面了解學生。同時，本教學邀請了專業的演講與口才專家教師對學生進行指導，為后期展評階段學生的匯報做好準備（即WHERETO的“Express”），也邀請了高校教授進行人工智能的講解。教授深入淺出的案例剖析讓學生更加深入地了解了人工智能以及機器人的最前沿資訊與技術。

“大概念”理念強調專家思維的培養，本教學通過邀請專家講座、展現專家思維，使學生對概念有了感官的認識，為概念的掌握打好基礎。這也是激發學生學習興趣的方法之一。

（二）項目實施：因材施教

此次STEM單元教學屬于校本課程的教學內容，招募的學生團體年齡和年級跨度較大：從初一到高一。本教學借鑒“大概念”框架確定學生的最近發展區，根據學生已有水平和預知水平分組。此次“智能機器人”教學將學生分為5個不同質的小組，能力水平相近的學生在同一個小組。針對不同小組設置了不同的項目，項目分別有智能之家、智能房車、汽車大闖關、瘋狂動物城和軍事演習，難易程度不同，照顧到了不同學生的最近發展區，實現了因材施教，即WHERETO的“T”。

在學習過程中，學生先是進行基本概念學習，教師為學生提供“先行組織者”。學生學習交警機器人、分揀機械手、光照調節系統、AGV小車的原理，并模仿搭建智能機器人。隨后，學生對機器人進行代碼編寫，以實現相應的功能。學生在這些內容學習的過程中，掌握的學科概念有：嵌入式系統、微型控制器、執行器、傳感器、數據處理。掌握了學科概念后，學生參與自主項目制作，即WHERETO的“Explore”和“O”。

教師提前呈現五個不同的項目，并讓學生明白完成項目要達到的標準。學生在學習過程中時刻牢記學習目標，知道自己要去哪里，即WHERETO的“W”。

在五個項目中，軍事演習項目雖然和日常生活距離較遠，但是通過教學中對學生的觀察，發現部分學生在日常生活中非常喜歡此類題材的電視劇、電影，他們夢想有一天自己也能夠走上保家衛國的道路。因此，該項目可以說是幫助學生實現了些許夢想，讓他們的軍事夢提前“演習”。從學生角度來說，這也是他們生活的一部分。教育價值照進了他們的夢想，這也是教育的魅力所在。通過此次單元實踐證明，教育的生活價值是多樣的，實現教育價值的關鍵在于因材施教。

（三）延展課堂：校企融合

在每個階段如何持續保持學生的學習興趣，即WHERETO的“H”，關鍵在于要讓學生看到教育的價值，尤其是教育的生活價值。企業作為科學、技術等綜合學科知識實踐且能創造實際價值的場所，是最適合融入教學中的。校企合作是課堂的延展，也是實踐產教融合教育理念、推進工學結合的教育發展模式，發揮企業作為學校與生活的橋梁的樞紐作用。學生只有親身體驗教育的生活價值，才會保持持續的興趣和學習動力。

在“智能機器人”單元教學中，學生參觀了長風航空國防教育基地和蘇州創想機器人科技館，了解了人工智能在航空機載設備領域的應用，體驗了模擬飛機駕駛艙，見識到智能掃地機器人除了常見的掃地拖地功能外，還能夜間巡邏、自動傳聲、自動集塵。通過互動演示，學生還了解了邊緣感應原理、壓差吸附原理在高樓擦窗機器人身上如何完美應用，打開了腦洞，暢想了未來世界的無限可能，為后期進行項目式學習、開發實用的智能機器人項目打開了新的視角。這是WHERETO中“Explore”和“O”過程的實現。

（四）多元評價：家校聯合

整個單元學習過程中采用多元評價的評價方式，教師根據學生的課堂表現給予勛章。學習之初，教師明確告知學生勛章的數量關系到最終的考核評定分數，并將展評的評分規則公布給學生。在展評階段，教師邀請家長和專家教師作為評委，讓學生采用項目展示的方法，將小組作品進行展示和解說（WHERETO的“Express”和“Evaluate”）。此時鼓勵學生展示方式多樣化。展示結束后，學生需要接受專家評委的提問。根據各組的表現，頒發不同主題獎狀。

非卷面考試的評價促進了學生多元化的發展。邀請家長參與評價，可以給家長展現學生的學習成果，促進家長理解和支持學校“智能機器人”的項目教學，還有利于學生認真對待此次展示，增加學生的成就感。實踐證明，學生展示的成果遠遠大于預期。如，“智能之家”一組，學生賦予了“智能之家”生活意義。學生暢想制作的“智能之家”為智能老年人公寓，公寓內的智能燈可根據環境亮度自動開關及調整亮度；屋內的房門視情況實現自動開、關。再如，“智能房車”項目組，學生除了設計自動收集雨水的功能外，還設計了開房車擺地攤的場景。擺地攤的想法源于他們在生活中切身參與的“姑蘇八點半”經濟和國家倡導的地攤經濟。基于“大概念”的STEM課程設計真正將教育的生活價值顯現得淋漓盡致。

三、結語

“大概念”視角下的STEM融合課程教學的優勢顯而易見，“大概念”教學有助于教師構建有內涵的STEM整合課程，把握STEM教學的核心。簡而言之，在STEM課程教學中，各學科教師要緊密聯系、整體教學，并在可能的情況下借助校外資源、多方整合，圍繞“大概念”深度挖掘學科價值，構建跨學科界限的STEM教學共同體。同時，采用WHERETO的“大概念”過程教學設計，教師可以不用完全按照威金斯、麥克泰格的順序進行設計。對于以人工智能為教學內容的STEM教學還需不斷地實踐探索，未來教師如何發展，如何設置教學評價方式才更合理，均需要我們繼續研究。

【本文系江蘇省蘇州市高新區2021年度“十四五”規劃課題“大概念視角下的STEM教學設計與應用”的階段性成果。課題編號：SND-2021-YB-107】

參考文獻

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