素養本位的STEM教育：理念、目標與實踐模式

摘? ?要：STEM教育自20世紀90年代誕生之初，就以跨學科整合性作為共同的核心理念。植根于不同文化、哲學、認知論的傳統，美國、法國、新加坡三國發展出多元化優勢探究系統，并在21世紀核心素養多層次目標的定向下，派生出三維教學、大概念探究性學習、設計思維賦能項目工作三種典型的實踐模式。在培養跨學科能力方面，項目化學習和問題化學習作為支撐不同STEM教育實踐模式的兩大主流教學法，各有優勢，也面臨不同挑戰。三個國家分別用以問題化學習為支架的項目化學習、論證式科學教學、以項目化學習為支架的問題化學習予以回應。基于此，文章初步提出STEM教育的目的—教學法—探究系統三維實踐模型。

關鍵詞：STEM教育；跨學科整合性；探究性科學教學；問題化學習；項目化學習；PPI實踐模型

中圖分類號：G40-03? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1672-3937.2024.01.07

作者簡介：方兆玉，法國巴黎高等科學技術與經濟商業學院教育管理博士（巴黎 75015）、上海教育報刊總社《上海教育》編輯部編輯（上海200032）

基金項目：上海市教育科學研究院國家一般課題“基礎教育核心素養培育導向下教師跨學科能力建設及評價研究”（編號：BHA230151）

2023年11月9日，聯合國教科文組織第42屆大會通過在中國上海設立教科文組織國際STEM教育研究機構（UNESCO IISTEM）的決議，標志著教科文組織一類機構首次落戶中國。[1]這不但引發世界各國教育界的廣泛熱議和高度關注，也顯著提升了社會大眾對STEM教育的興趣，更促使我們對這種創新教育模式進行深度解構與學理探析。

21世紀全球化時代，指向創新能力培養的科學教育成為各國教育改革的主要內容，我國近年來也推出科學教育相關政策舉措。2023年5月，教育部等十八部門聯合印發《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》，推動科學教育各項措施全面落地[2]；7月26日，教育部印發《關于實施國家優秀中小學教師培養計劃的意見》，首批試點支持30所“雙一流”建設高校承擔培養任務，遴選理工科優秀畢業生，為中小學培養一批研究生層次高素質科學類課程教師。[3]

STEM以跨學科、跨領域、整合性方式推進科學、技術、工程與數學教育，培養學生21世紀核心素養的主要創新教育模式，在美國國家科學基金會（NSF）首倡至今的20多年間，已經得到英國、法國、德國、芬蘭、澳大利亞、新加坡等教育發達國家的普遍認可和大力推動，并由此催生出共同理念下多元路徑、多層次目標定向的實踐模式。在如今這個核心素養教育改革時代，重新審視、厘定STEM教育的核心理念和主要目標，并對比三個代表性國家差異化的實踐模式，不僅能為我國STEM教育帶來多方面借鑒，也有助于研制適合本土情境的推進策略、開發實踐模型，切實服務新時代科技創新人才培養。

一、共同的核心理念：跨學科整合性

20世紀90年代，美國國家科學基金會首次提出STEM概念[4]，美國STEM工作組報告中稱其為“集結科學家、技術人員、工程師、數學家力量的一個戰略性決定”[5]。STEM強調的是科學、技術、工程與數學教育的深度融合，其核心特征是基于各學科核心概念理解之上的跨學科整合性。

（一）跨學科能力

在西方世界，由古希臘濫觴的博雅教育關注“培養整全人格”，主張學科和知識領域的一體性（unity）。近代啟蒙運動引發了知識的“科學化”和科學的“職業化”，從而促進了知識的快速生產、傳播以及學科化、專業化。[6]然而，正如著名的跨學科學者克萊因（Klain）所言：“一直存在一股促進保持、復興歷史上知識整合、一體性傳統的推力”[7]。19世紀開始，過度分化的學科開始出現合并、交叉和整合的趨勢，跨學科探究（Interdisciplinary Inquiries）開始興起。

根據克萊因提出的定義，跨學科是一種解決問題、回答問題的手段，這些問題不能通過采用單一方法或單一路徑，得以令人滿意地解決或回應。[8]為成功地參與跨學科活動，或更好地參與跨學科學習，并能夠生成跨學科理解，以及能在未來的跨學科工作情境中擁有良好的表現，學生就需要足夠的個人和社會方面的技能，這些能力統稱為跨學科能力（Interdisciplinary Competences）。跨學科能力和21世紀技能高度相關，包括對學科的局限性采取批判性視角、跨越多個學科解決復雜問題、跨學科交流、在跨學科團隊中進行合作并具有團隊意識，以及發揮學科整合的潛能、提出創新性的問題解決方案。[9]

不管是知識學習、職業發展還是服務社會，跨學科能力都具有很高的價值。在知識學習方面，跨學科提倡對知識和理論發展的整體觀。在職業發展方面，企業組織結構越來越往跨學科、跨領域、跨部門的方向發展。這是因為未來工作場所的項目和任務會越來越復雜，涉及各個不同的專業和知識領域。[10]例如，麻省理工學院副教授內里·奧克斯曼（Neri Oxman）創始、致力于在生物基質上創造科技藝術品的美國公司奧克斯曼（OXMAN）的員工就包括計算機科學家、機器人工程師、生物學家、藝術家。正如克萊因所言，跨學科與創新高度相關。[11]創始人奧克斯曼在訪談中提到，“當把科學研究領域的持久性、本質性大問題與最前沿的技術相結合時，就是創新涌現之所”。

而在履行社會責任方面，也需要學生超越個人和地方性意識，以跨學科、跨領域、跨文化的能力和素養去應對全球層面的大挑戰，通過跨學科、跨領域的合作，提出社會性科學議題的最優解決方案以及創新性產品設計。例如，今天人類面臨的能源危機、氣候變化、國際關系、深空探索、數智化轉型等多重挑戰和變革都亟需跨學科人才。又如，奧克斯曼公司的產品既巧妙利用大自然的造化之功，又深刻體現科技的雕塑之力，并凸顯人文關懷和藝術美感，以及追求可持續發展的核心理念，這都需要跨越學科領域、不同文化教育背景的人才通力合作才能實現。

（二）作為跨學科學習的STEM教育

跨學科學習被界定為“一個學習者整合來自兩個或更多學科的信息、數據、技術、工具、視角、概念以及理論，以一種單學科路徑無法達到的方式去創造產品、解釋現象、解決問題的課程教學取向”[12]。作為跨學科學習的STEM教育，正如這一概念被提出時的初衷，“跨界”（boundary crossing）或者說跨學科整合性是STEM教育最顯著的特征，雖然在實際應用的過程中，不同國家、不同學段以及不同的課程計劃對于跨學科整合的尺度把握頗為懸殊。[13]關于跨學科整合性，哈尼等學者提出了一個基本的定義：“在一個復雜的現象或情境中，要求學生利用來自多個學科的知識和技能來完成任務”[14]。瓦斯奎茲則為STEM的跨學科整合性提供一個更加完整的視角：按照STEM子學科整合性從低到高的程度分布在一條連續的線上，從左到右學科之間相互聯系和相互依賴逐漸加深。[15]

從各國在大學、中學、小學、幼兒園各個學段實際的推進策略來看，STEM教育的實施模式相對寬泛，涉及從學科、交叉學科、跨學科到超學科的多條路徑。而美國近些年來越來越重視STEM教育的跨學科和超學科整合，如加州教育部STEM任務組就在其2014年的報告中提出：STEM教育不只是所屬四個子學科之間“方便的整合”，而是采用連貫的、主動性的教與學，引入植根真實世界的問題化學習來將學科進行深度連接；此外，這幾門學科不能也不應當被孤立地傳授，就像它們在現實生活或工作場所中也是一體的一樣。[16]

（三）回應跨學科整合度不高、部分學科被弱化的挑戰

雖然跨學科整合性是STEM教育的核心要義，但在具體實踐過程中，卻遭遇跨學科整合度不高、某些學科代表性不足乃至被忽視的雙重困境。例如，多項縱向跟蹤研究的結果表明，學生的數學抽象、建模、推理能力以及工程設計思維、工程設計實踐都沒能在整合性、跨學科的STEM課程當中得到有效提高。霍奇蘭德（Hoachlander）也重申了如上憂慮，“盡管教育實踐者、企業雇主、政策制定者十幾年來一再強調跨學科整合的重要性，但在大多數美國中小學，科學和數學課還是獨立教授的，而工程學科則是缺位的”。[17]

對此，美國21世紀技能合作組織就提出：“推進STEM教育的跨學科整合性，必須同步提升所有四個學科的能見度，必須對各學科的核心內容以及跨學科整合性的概念理解等量齊觀。”[18]縱觀全球，那些既在國際教育評價項目中交出亮眼成績單又在推動STEM教育方面成效顯著的國家就是例證，如新加坡和芬蘭，其成功經驗就是既強調學科核心知識，又注重過程探究、問題解決、批判性思維和創造力培養。基于此，21世紀技能合作組織建議在推進STEM教育時，向這些國家學習，大力推行同時培育通用能力、強化學科概念以及提升跨學科整合能力的創新教育實踐。

對跨學科整合度不高、部分學科被弱化的挑戰更直接、更充分的回應來自2013年美國出臺的全國性課程標準《下一代科學教育標準》（Next Generation Science Standard，NGSS）。研制NGSS的陣容十分強大，多名諾貝爾獎得主深度參與，經過長時間系統規范、基于教育研究、對標學術標準的研發，NGSS對科學、技術、工程進行全新闡述，成為世界各國衡量STEM教育及其成效的通用標尺或參考框架。NGSS不僅直面數學和工程學科在STEM教育當中遭到邊緣化的問題，強調對科學、技術、工程、數學等量齊觀，而且提升了跨學科整合的豐富性，在科學和工程實踐部分融入數學思維，其界定的七個跨學科大概念中也包含“數量、比例和尺度”這個數學學科領域的核心概念。通過對跨學科大概念、學科核心概念和科學與工程實踐（三維教學）的強調，NGSS還在強化科學教育（地球科學、物質科學、生命科學等子學科）與數學教育的跨學科橫向整合的同時，凸顯了科學探究、工程設計與技術產品從理論、實踐到應用的縱向整合。[19]

二、多層次目標定向：

探究系統、文化淵源與實踐模式

最能體現STEM教育核心特征的兩個關鍵詞是探究式學習和21世紀核心素養目標。首先，對于大多數教育發達國家來說，從講授式教學到探究式學習帶來了顛覆性的轉變，意味著學生而非教師成為整個教育過程的主體，問題而非學科知識成為驅動教育過程的核心力量，動態開放而非預制結構成為教與學的主要組織方式。講授式教學與探究式學習的主要區別如表1所示。不同國家的主導性探究系統深刻影響了其STEM教育的實施路徑。培養目標從學科取向、知識取向轉型為能力取向、素養取向的過程中，亦與各國的文化傳承、價值觀等相互交織，增加了復雜性和多樣性。

（一）五種主要的探究系統導向

支撐探究式學習的是在西方現代科學史乃至認知論傳統中擁有深厚淵源、占據重要地位的探究系統（Inquiry System）。任何一門正式的學科都自己獨特的學科觀念、學科視角，以獨特的探究方式去獲得本學科具有框架性、統領性作用的原則、概念、理論。

美國學者伊安·I.米特洛夫（Ian I. Mitroff）和羅爾夫米·H.克爾曼（Ralph H. Kilmann）將探究系統劃分為五大類。[20]第一類是洛克主義（Lockean IS），也被稱為實證主義，這類探究系統主張真理是經驗性的，經驗證據具有不可超越的效度，能作為論據或行動依據的只能是感知、觀察或從實驗取得的數據或信息，沒有任何先驗性或必須遵守的理論或解釋框架存在。實證主義適合研究結構良好的問題，典型的應用是自然科學實驗和德爾菲法。前者依靠控制實驗條件下的因果關系解釋科學現象或驗證假設，而后者則對界定清晰的問題進行維度和層級劃分，并就此進行預測，只需在有限的專家人群當中達到一致意見即可。

第二類探究系統是萊布尼茲主義（Leibnizian IS），也稱形式主義，這類探究系統認為真理是純粹分析性的，具有某種理論框架或形式內的邏輯自洽性與完整性。因為萊布尼茲主義者認為所有經驗現象都能由其背后的理論框架加以解釋，因此，主張對現實數據進行數學的或符號的建模，并提取底層參數，在此之上進行推論和演繹。形式主義在數學、物理學、計算機科學等學科領域具有廣泛的應用前景。例如，黑洞就是通過愛因斯坦的廣義相對論預測、推斷出來的。它符合的是數學公式的邏輯，其經驗證據在多年之后才通過天文觀測儀器真正捕獲到。

一般而言，實證主義和形式主義都比較擅長處理結構良好、一般意義上比較“馴服”的問題。實證主義可用在探索性的研究領域，通過扎根理論，從現場提取經驗數據，其后借助歸納總結得出一般規律或共識；而形式主義則擅長處理抽象的符號系統，探索自然科學的一般性原理。

第三類探究系統是康德主義（Kantian IS）， 也被稱為多元模式。撰寫過《純粹理性批判》和《實踐理性批判》的康德對人類的理性和實踐能力都抱有懷疑態度，因而主張在我們試圖作出明智判斷或科學論述時，應兼采實證數據和理論推導之長，互相補充。康德主義者接受由于經驗證據和上位理論匹配的多樣性，同一個問題或現象具有多元路徑和多個解決方案。很多政策研究、管理研究、教育研究就是采取了這條路徑。既需要依照上位的目標系統推導可用策略集和路線圖，也需要通過扎根的方式進行問卷調研、結構化訪談以獲取目標用戶的第一手數據來對策略、路線進行精煉、聚焦、調整和優化。

第四類探究系統為黑格爾主義（Hegelian IS），也被稱為辯證主義。黑格爾主義者認為真理是沖突性的，同一現象或同一組數據背后可能可以用若干相互沖突、競爭性的分析或解釋框架來進行認識。唯一求真的方式就是把它們都一一列舉出來，探明支撐不同解釋框架的理論基礎，再進行去偽存真、求同存異的合并提煉，得到承認異見基礎上的創造性整合（Creative Synthesis）。黑格爾主義探究系統的優勢在于解決沖突性議題，如目前理論物理界對于世界的本源就存在幾種相互競爭的學說，弦理論、量子場論、隱藏的變量、多重宇宙分別都有自己的擁躉，每種學說都能在一定的邊界條件下作為主導性的解釋框架。

第五類探究系統為桑格爾主義（Singerian IS），也被稱為實用主義。源自當代哲學家、心理學家詹姆斯·威廉姆斯（James Williams）的實用主義哲學思路。它不承認解釋一切的理論框架，或者不帶任何感情色彩的客觀經驗，而只認可特定問題情境下有用的理論或數據，及其對問題主體的效用、美學或倫理價值。因此，桑格爾主義者選用的分析框架是有目的的（Teleological）。[21]在某種程度上，我們可以認為實用主義是一個元探究系統，可統轄前述四種探究系統，并靈活調用、適配組合，只要契合探究目的即可。它對于解決很多跨學科的社會科學性議題或道德兩難問題都具有很高的效度，在追求地方性、情境性知識的同時促進跨學科、開放性、無止境的探究。

總體而言，五類探究系統都有自己的優勢，實證主義和形式主義適合結構良好的問題，而多元模式、辯證主義、實用主義則擅長解決復雜的劣構問題。應用層面來看，各國由于文化、哲學、社會、歷史根源，而生長出了不同的優勢探究系統（本文以三個典型國家為例加以說明），在差異化的21世紀核心素養教育目標的統領下，衍生出多種典型的STEM教育實踐模式。

（二）差異化目標定向下的三種典型STEM教育實踐模式

雖然處在同一個21世紀核心素養教育改革的場域，美國注重的是其服務于21世紀職場需要的功能；法國錨定的目標是“實現成功生活并發展健全社會”；新加坡則在其21世紀核心素養與學生學習成果框架中將核心價值觀置于中心位置。[22]

2007年，一份卡耐基報告將美國社會的注意力引向科學教育，報告的主要觀點是：國家的創新能力、經濟發展的動力、本國勞動力的全球競爭力均有賴于優質的科學教育。但可惜國際教育評價項目的測評結果證明，美國基礎教育落后了。此后，美國國家研究委員會（National Research Council）臨危受命，開始編制共通性、高標準的NGSS。圍繞服務經濟發展的宏大目標，作為一個實用主義哲學占據主流話語體系的國家，美國自然而然將實用主義作為主導性的探究系統，從而促使其在STEM教育中從科學探究式轉向同時關注理論和實踐的三維教學，以服務培養科技創新人才、支撐STEM產業、提高全民的科技素養的多重目標。

“博洛尼亞進程”中的法國既具有歐洲重思辨、重智識的文化烙印，又希望借助歐盟增強自身的經濟力量、提高社會凝聚力。在個人發展與社會經濟進步的綜合性目標定向下，法國從21世紀初開始在初中科學學科推進名為“發現之路”的跨學科學習計劃。2010年，法國開始采用跨學科主題教學模式開展化學、物理等課程。2022年開始，法國國民教育部專門推出“高中科學與數學整合性教學計劃”。對于該計劃，法國學校教育總干事愛德華·戈弗雷提出的目標引人深思：提供學生需要的數學知識與技能，體驗科學探究樂趣，發展邏輯性思維、批判性思維以及創造力，能運用理論闡述復雜的科學現象。基于此，將科學和數學整合路線設計為“以知識為核心”“以觀念為核心”“以問題為核心”的漸進式結構。“人體的熱平衡”“生物多樣性及其演變”等“知識”指向科學學科的大概念；“能源發展選擇”“音樂與數字的藝術”等“觀念”明顯指向倫理、美學與可持續發展；“人口統計學模型”“聲音——需要編碼的信息”等“問題”則體現了基于現實問題、跨越學科疆界構建通用框架或模型的努力。可知，法國提倡大概念統領下的探究式學習（偏向形式主義），這些大概念既包括提升就業力的科學、工程、數學領域的核心概念，也不乏完滿人生與和諧社會所需的哲學、文化、思想等大觀念。

新加坡從1997年開始大力推行面向21世紀的教育改革，提出“思考型學校、學習型國家”（Thinking School， Learning Nation）的口號，關鍵路徑就是推行當時稱為創新教育、本質上來看即STEM教育的新學習模式。[23]新加坡以實踐創新作為自己以教育改革增強國家競爭力、提升創新指數的主要行動準則，在“尊重、誠信、關愛、抗逆、和諧、負責”價值觀的統領下，將創新能力與問題解決能力兼顧的項目工作（Project Work）作為主要的STEM教育路徑，使每個公民都能人盡其才，在自己的“人生項目”中發揮創新效能，從而作為整體助推國家的創新發展。新加坡采用的是模型和數據相互增益的多元模式探究系統。從結果端來看，不僅新加坡的中小學生在PISA、TIMSS當中表現優異，而且國家經濟發展和創新指數也出現了質的飛躍。2018年，新加坡全球競爭力指數已經排名前三，創新指數也進入前五。[24]以STEM為主要實現路徑的創新教育助推國家發展之功可見一斑。

不同社會、文化、哲學、歷史背景的國家，基于各異的主導性探究系統以及對21世紀核心素養的側重點差異，在跨學科整合性方面出現了明顯偏好。他們分別錨定科學探究與工程實踐（一般性科學知識和地方性/情境性運用），數學、物質科學、生命科學與地球科學（學科之間），科學學習與兒童生活（學校學習與現實生活）等不同的整合靶點，以不同的教育改革路徑來迫近素養培養的大目標。

美國為彌補STEM行業的人才缺口，保住自己科技人才的競爭優勢，在NGSS中提出了三維教學。三維的第一個維度是“學科核心概念”，第二個維度是“跨學科大概念”，這兩個都屬于知識層面，本質上是人類在長久的文明發展、科學探究史上所積累的認知性成果，代表了認識自然世界的心智模式和概念框架。但第三個維度“科學和工程實踐”是方法，是科學各個子領域在觀察、探索這個世界時用到的核心實踐，包括科學探究和工程設計。三維教學的整合靶點就是科學知識和地方應用。

法國大概念探究式學習關注的中心是戈弗雷所說的“創造力”“科學探究”“批判性思維”“理論闡述”，整合靶點是學科與學科，期待能激發學生在學科邊緣進行第一性原理思考的熱情，以拓展人類認知的邊界，并引領社會和產業界產生顛覆式創新。

注重實踐創新的新加坡則在全體中小學生中普及設計思維（Design Thinking），即“共情—頭腦風暴—構思—原型—反饋”。這個“為一個用戶精準設計其滿意的產品”的思維框架整合的就是學校學習與現實生活。在普通中等教育高級水平課程（A-Level）階段力推的項目工作既涉及對問題所進行的跨學科分析和研究，又側重知識應用考查，同時整合學科與學科、學校學習與現實生活。

總之，美國在共通課程標準之下要求其中小學生進行三維教學支持的進階式、學段銜接的科學建模與工程實踐。法國將數學與科學各子學科進行深度整合，衍生出從“知識”“觀念”到“問題”的三個層層遞進的大概念核心，激勵學生在科學原理之上探索哲學、文化、歷史等人類根源性的問題。新加坡既注重學生的創新創造力培養，又著力提升他們在真實情境中的問題解決能力，因此大力推行設計思維和項目工作。既讓學生在長周期的復雜項目中經歷問題分析、概念理解、跨學科整合、探索第一性原理的完整過程，又促使他們將創新想法系統化落實，形成工程設計產品，從而提高項目管理、時間管理以及問題解決能力。

當廣義的科學教育進入以解決現實的科學社會性議題、服務于21世紀經濟發展、拓展人類科學認知邊界的STEM教育階段，不同國家就分化出多元的探索方式與實現路徑，美國、法國、新加坡分別代表三維教學、大概念探究式學習，以及設計思維賦能項目工作三種模式。但需要說明的是，之所以將STEM的實現路徑進行大類劃分，是為了分析和研究之用，并非表明這個國家只采用了一種方式。而是這種方式在該國占據了主導位置或者是該國教育界討論STEM教育的顯話語。

三、跨學科能力培養效能：

問題化學習和項目化學習之爭

以21世紀核心素養作為統領性目標，以跨學科整合性作為核心理念，美國、法國、新加坡的STEM教育模式孰優孰劣？嵌入在不同社會、文化、哲學情境中的教育模式似乎很難進行橫向對比，但其實它們的內核都是目前國際創新教育最主流、最成熟的兩種教學法框架——項目化學習（iPjBL）和問題化學習（iPBL），區別只在于具體應用時的主導框架以及兩者之間的調配比例。而在作為21世紀技能要素的跨學科能力的培養上項目化學習和問題化學習的效能對比，乃至如何選用、如何適配，一直以來也在世界各國的STEM教育研究者和實踐者之間引發了曠日持久的爭論。

（一）探究式科學教學的六要素

如前所述，STEM教育的一個關鍵維度是探究式學習。法國教育科學實驗室學者邁克爾·格朗格特（Michel Grangeat）在總結、提煉關鍵特征的基礎之上，于2016年提出探究式科學教學（Inquiry-based Science Teaching，IBST）的六個維度[25]。維度一是問題的起源，即誰提出了問題。科學調查都是從一個問題啟動的，是教師還是學生主導尤其重要。維度二是問題的本質。探究問題是完全封閉、學生遵循固定的步驟可以求解的，還是開放性、為學生對步驟和方案留出優化空間的，在很大程度上會對學習效果產生影響。維度三是學生在開展探究中的責任。從完全按照教材指令、由教師引導學生完成正式探究的各個步驟，到學生自主設計和開展探究，并對學習成果進行檢測，課堂的探究性逐步增強。維度四是學生多樣性管理，即如何應對學生不同的知識水平、學習需求和探究意愿。從教師調整任務結構或流程來提高特定學生的參與度，到針對每名學生特定的興趣和需求，進行客制化探究路徑設計，教學法的個性化、差異化水平會逐層上升。維度五是論證的角色。探究水平較低的課堂，教師會協助學生進行觀點交流；隨著探究度的提高，學生會習得如何思考自己的論證，與同伴的論證相比較，并學會引述理論和證據來加強自己論證的力度和可信度。維度六是教學目標得到顯性解釋。從教師顯性表達對課程的期望達成水平，到學生將其內化為量度自己學習成果的標尺，并在此過程中不斷檢測和交流探究過程中的關鍵學習成果，其探究性水平不斷提升。對照IBST六個維度，可見項目化學習和問題化學習同屬于探究式學習，支撐兩者的都是建構主義教育觀和以學生為中心的理念。

（二）問題化學習與項目化學習異同

項目化學習最早于1921年由克伯屈首次引入，作為項目方法吸引學生參與到有目標的、內心驅動的學習活動中。其后，項目化學習逐漸發展、完善，并被定義為包含兩個要素的教學法（pedagogy）：一是具有一個用來組織或驅動活動的問題；二是這些回答問題或解決問題的學習活動會產生一系列人造物或產品，最后以一個集大成者的終期產品來回應驅動性問題，以此作為項目的高潮活動。[26]

而問題化學習則被定義為“一種課程開發和教學的框架，通過創設模擬的真實情境，提出映射真實世界問題的劣構問題，從而將學生置于問題解決者的主動位置，在提升學生問題解決策略的同時，夯實其學科知識和技能基礎”[27]。

兩種教學法的相似之處在于：它們的學習活動都圍繞達成一個小組或班級共享的目標來組織，均強調學生的獨立思考、自我導向學習以及合作探究；都為學生提供真實運用知識和技能的機會；都聚焦于開放性問題；都以提升學生的21世紀技能為目標。

至于差異之處，學者們一般認為：問題化學習聚焦于學習本身，而項目化學習注重創造一個產品。[28]更具體而言，兩者還存在重理論或重實踐，重問題分析或重產品設計，以及重研究過程或重項目管理的區別（見表2）。

當跨學科性加入到問題化學習與項目化學習的比較之中，情況就更加復雜了。應用到項目化學習，其產品設計和制作的過程就涉及多個學科不同信息、數據、技能、工具和視角的綜合運用，因而導向創新、有效的產品設計。問題化學習聚焦小組成員之間將來自不同學科或知識領域的信息、數據、技術、工具和視角進行充分整合，形成創新性的問題分析與研究視角，從而催生原創性的研究設計和問題解決方案。[29]

但實踐過程中，作為復雜情境中復雜技能的學習，兩者都存在挑戰。項目化學習的挑戰在于：驅動性問題是否能促使學生在項目活動和相關概念之間建立聯系，學生是否帶著概念理解去動手操作，以及他們的項目成果是否能體現深度學習？[30]對此，美國學者巴倫等表示：復雜環境當中學習的復雜性很可能會使學生傾向于遵循確定的步驟，而非帶著理解動手操作。例如，他們觀察到在一個設計項目當中，教師帶領學生做實驗、設計運送建筑材料進行水上航行的船只模型，在提升學生興趣方面收獲頗豐。隨后，他們也發現學生被活動吸引，而錯失了反思和探索科學概念的機會。為此，教師必須在一系列情境中做出權衡：如何使學生一方面積極參與設計活動，另一方面對自己的作品進行反思；如何將學生真實世界的知識融入進來，同時不會對課程計劃產生太大影響；如何維持學生在長期項目中持續學習的興趣和參與度；如何促使學生對設計操作背后的科學原理進行深入探索。[31]

有鑒于此，巴倫等提出：實施基于項目的課程必須遵循四條重要的設計原則才能保證理解性學習：第一，界定導向深度理解的學習目標；第二，提供學習支架，如嵌入式教學、教學工具以及對比案例庫，另外，建議在啟動項目之前先實施問題化學習活動；第三，確保在項目進行過程中為形成性評價和產品修正提供多次機會；第四，精心設計學生參與結構，確保所有人公平參與，以提升每個人的自主意識。此后，他們對一門幾何主題的跨學科項目化課程進行跟蹤研究發現，五年級學生從契合上述設計原則的問題化結合項目化學習的課程中獲得的學術增益十分顯著。[32]而巴倫等人以問題化學習為支架的項目化學習的設計思路在NGSS中也得到繼承，使得科學探究、工程設計、技術產品縱向貫通的理念得以落地。

注重科學探究、創新力培養的問題化學習在歐洲國家應用廣泛，但其對學生的學術背景、認知能力、跨學科思維提出了較高要求。歐洲學者對大學生項目化學習與問題化學習對跨學科能力提升效果的一項對比研究表明，在跨學科技能、反思行為、學科視角識別三個維度上，問題化學習的效果都更顯著，因為問題化學習促使學生對學科概念、工具、數據、理論一次次進行精煉、合并、概括，這個過程促進了他們對學科概念框架的理解，并由此生發創新性的跨學科理解。[33]

如何跨過問題化學習的高門檻獲得創新能力培養的收益？法國在其探究式教學中強化了科學論證及其歸納、概括等步驟，為理解抽象大概念做鋪墊。而NGSS中對工程學科作用的闡述提供了另一條思路：作為K-12工程教育中主要內容的工程設計與工程思維，并不局限于工程學科，而為STEM子學科之間的整合提供了基礎性的流程。[34]前置的問題化活動能加深項目化學習中的概念理解，工程設計活動也有助于科學概念的深度連接。因此，能否在問題化學習的知識應用部分增加設計性、產品性內容，提高學生興趣的同時也打開跨學科整合的高通道，值得思考。

新加坡的項目工作就是一個范例。項目工作是新加坡A-Level的考試科目。在這門課程的背景陳述中，新加坡教育部表示，項目工作的重要性在于：在這個動蕩、不斷變化的世界，學生必須學會如何處理議題，加工第一手的、主題寬泛的信息；他們還必須一起工作，共同完成需要多項復雜性技能的綜合任務；也必須學會如何以小組的形式，應用所學完成一個項目。[35]至此還是純粹的項目化學習描述，但接下來，新加坡教育部又表示：“項目工作是一個跨學科學習經歷，旨在為學習者提供整合來自多個學習領域的知識，批判性、創造性地應用在真實生活情境當中的機會”。其學習成果包含四大部分：知識應用、交流、合作、獨立學習。并規定每個小組必須在28周內完成任務，建議時長為60～75小時。在這段時間里，小組成員可以共同界定項目聚焦的目標，分析和評估收集的信息，準備口頭陳述、提交書面報告以及書面的反思記錄。報告評估的標準包括：觀點的具體化、概念的生成、概念或觀點的分析和評估，以及概念或觀點的組織。[36]

批判性、創造性的知識應用，以及概念的生成都離不開問題化學習，結合課程目標、實施細則與評估標準，可以看出，項目工作是以項目化學習為支架的跨學科問題化學習，著眼的是學生跨學科理解以及創造性問題解決能力。

基于如上分析，可知在STEM教育中，21世紀核心素養目標、優勢探究系統以及教學法構成了實踐模式的重要三極，基于此初步提出目標—教學法—探究系統三維實踐模型（見圖1）。是單獨采用項目化學習、問題化學習，還是互為支架、巧妙“混用”，取決于不同國家差異化的21世紀核心素養目標，以及由特定經濟、社會、文化情境決定的探究偏好。

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