STEM教育理念如何「落地」教學實踐

信小編說:

推進跨學科知識融合的STEM教育，在幫助學生打好紮實的科學、技術、工程和數學知識基礎之上，培養其創新精神與實踐能力，促進創新型、創業型人才的成長。

我們看到：

創客教育是否能良性發展的核心是——STEM教育理念是否能被重視及應用;

而STEM教育是否能真正起到作用的核心是——如何能在教學及實踐中真正推進跨學科的融合。

為此，這期STEM欄目將重點展現STEM教育理念是如何通過項目設計把各個學科真正融合起來;如何通過學科融合培養學生真正的綜合素質。

讀者們如需了解STEM概念、核心特徵等具體內容，可以翻看前幾期欄目。

概念簡介

STEM——Science、Technology、Engineering、Maths這四個詞的開頭字母的組合，STEM教育就是科學，技術，工程，數學的教育。

2011年，美國佛吉尼理工學院暨州立大學學者Georgette Yakman提出STEAM。

STEM教育的過程不僅是把科學、技術、工程和數學知識進行簡單疊加，而是特彆強調將本來分散的四門學科自然地組合形成新的整體。

總之,不論是STEM教育還是STEAM教育,都是為了更好地幫助學生不被單一學科的知識體系所束縛,促進教師在教學過程中更好地進行跨學科融合,鼓勵學生跨學科解決問題。

STEM教育的核心特徵簡介

STEM教育中四門學科的教學必須緊密相連，以整合的教學方式培養學生掌握知識和技能，並能進行靈活遷移應用解決真實世界的問題。

融合的STEM教育具備新的核心特徵：跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性等。

STEM課程的跨學科整合

跨學科整合的模式

針對STEM教育整合的課程設計，美國馬里蘭大學赫希巴奇(Herschbach，2011)提出兩種最基本的課程模式：相關課程(the correlated curriculum)模式和廣域課程(the broad fields curriculum)模式。

跨學科整合的基本取向

STEM教育要求四門學科在教學過程中必須緊密相連，以整合的教學方式使得學生掌握概念和技能，並運用技能解決真實世界中的問題。

如何將四門獨立學科知識緊密關聯實現整合，有三種取向：學科知識整合取向;生活經驗整合取向;學習者中心整合取向;三種整合取向的共性問題及應對。

跨學科整合的項目設計

STEM跨學科整合最核心、最重要的工作是項目或問題的設計，如果沒有良好的結構化項目設計，會導致學習困難、效率不高、挫折感強、學習收穫不大等系列問題。

STEM項目設計強調將知識蘊含於情境化的真實問題中，強調調動學生主動積極地利用各學科的相關知識設計解決方案，跨越學科界限提高學生解決實際問題的能力。

STEM教育建立在建構主義和認知科學的研究成果之上(Sanders，2009)。

布魯因(Bruning，2004)等人指出，STEM教育與認知科學的主張一致：1)學習是建構而不是接受的過程;2)動機和信念在認知過程中至關重要;3)社會性互動是認知發展的基礎;4)知識、策略和專門技術是情境化的。

由此可見，STEM教育是一種典型的建構主義教學實踐：為學習者提供學習情境，讓他們積極地建構知識，從而強化對知識的記憶和促進遷移;以小組為單位進行活動，為知識的社會建構提供優越條件(Sanders，2009)。

因此，實踐STEM教學模式首先要符合建構性學習所強調的探究、發現、協助等基本要求。

可以說，STEM教育是一種典型的建構主義教學實踐，本文參照基於建構主義的教學設計模式(余勝泉等，2000)嘗試提出一種STEM項目設計模式。

本模式在「教學分析」的基礎上，以「項目或問題」為核心立足點，設計項目完成或問題解決過程中的學習資源與工具、學習活動過程、學習支架、學習評價等關鍵環節，同時關注項目完成後，學生獲得知識的系統化與結構化遷移，並有相應的強化練習與總結提升。

圖 STEM課程的跨學科整合模式

1.教學分析

在教學設計前期，教師需要對以下三個方面進行細緻分析：1)教學目標;2)學習者特徵;3)跨學科知識地圖(學習內容)。

分析教學目標是為了確定學習主題，對課程的三維目標做具體描述。

分析學習者特徵是為了確保項目設計適合學生的能力與知識水平，對學習者的智力因素和非智力因素進行充分分析。

STEM教育強調學習要完成真實情境中的任務，而要確保任務中包含教學目標，就需要對學習內容進行深入分析，明確所需學習的知識內容、知識內容間的結構關係和知識內容的類型。

這可以通過繪製學習內容的知識地圖，展示跨學科知識之間的關聯，為整個課程知識均衡覆蓋提供基礎。

2.學習任務設計

學習任務是整個STEM教學設計模式的核心和立足點。

STEM教學是基於現實情境的，需要學習者置身於真實、非良構的學習任務中。

學生學習的過程就是解決實際問題和完成實際項目的過程，問題或項目構成了驅動學習的核心，而不像教師講授那樣充當概念、原理的例子。

學習任務可以是問題或項目：它們均代表連續性的複雜問題，並要求學習者採取主動、建構、真實情境下的學習方式。

學習任務一定要放在特定情境中呈現，需要將設計的問題在特定情境中具體化。

由於教科書中的知識是對現實生活的抽象和提煉，所以設計學習情景就要還原知識的背景，恢復其原來的生動性、豐富性，有時同一問題在不同情景中(不同的工作環境、社會背景)的表現是不同的。

STEM教學要基於前面的教學分析結果，對學習情境進行設計，使得學習問題能夠與真實學習情境相融合，不處於分離或勉強合成的狀態。

3.工具與資源設計

問題解決或項目完成需要學習者在大量信息基礎上進行自主學習、意義建構，因此設計適宜的學習環境和豐富的學習資源與工具是STEM教學設計必不可少的環節。

學習環境設計主要包括教學中需要用到的設備、器材和各種信息化工具，如目前廣受關注的3D印表機、開源電路板等，還需要一些用來支持或指引擴充思維過程的認知工具，如Scratch可視化程序設計工具、概念圖工具、SPSS數據分析工具、網絡溝通工具、三維建模工具等。

學習資源方面教師需要設計：1)了解有關學習問題的詳細信息和必要的預備知識;2)學生在解決學習問題過程中可能需要查閱的信息(為了對學生學習更好地提供指導);3)強化練習材料(用於學習者在教學活動實施後進行強化練習，從而檢測、鞏固、擴展所學知識)。

4.學習支架設計

STEM教育重視學習者學習主體地位的同時，也不忽視教師的指導作用。

STEM教師既需要保持對各個教學環節的控制、管理、幫助和指導，又需要從課堂主角變為幕後導演，成為學生意義建構的幫助者、促進者。

學生在問題解決過程中，不同學生所採用的學習路徑、遇到的困難也不相同，教師需針對不同情況給予及時反饋和幫助，指導學生開展獨立探索或協作，調動學生參與的主動性;學生在自主學習中，面對豐富的信息資源易出現學習行為與學習目標的偏離，對此教師要在問題解決過程中設置關鍵的控制點，規範學生學習，同時也有利於學生反思、深化所學知識。

因此，針對學生問題解決過程中可能遇到的困難，教師提供起支撐、承載、聯結等作用的支架，是確保學生在最臨近發展區內進行學習並解決問題的關鍵。

在STEM教育項目中，支架可以保證學生在不能獨立完成任務時獲得成功，提高能力水平以達到任務要求，幫助他們認識到潛在發展空間。

支架讓學生經歷一些有經驗的學習者(如教師)所經歷的思維過程，有助於學生對知識特別是隱性知識的體悟與理解。

學生通過內化支架，可以獲得獨立完成任務的技能。

支架還可以展示學習任務的真實情境，讓學習者感受、體驗和進入複雜的真實情境。

典型的支架包括(閆寒冰，2003)：情境型支架，設置情境幫助進入學習;問題型支架，創設問題情境，引發思維;實驗型支架，演示實驗、學生實驗、家庭實驗等;信息型支架，包括教師已有知識、網絡知識、材料等;知識型支架，主要是提供評價和產生新的經驗和信息的框架;程序型支架，是指做事的順序;策略型支架，指在不同教學條件下，為達到不同教學效果所採用的手段和謀略;範例型支架指典型事例和範例;訓練性支架指通過指導和練習強化學生認知理解，提升學生學習能力。

5.學習活動設計

學生是在完成STEM教育項目過程中獲取知識、認識客觀世界的，不是直接從書本或教師處獲得知識的，認知與學習發生在完成任務和解決問題的過程中，是通過學習活動這一中介體完成的。

因此，有效的STEM教育項目設計，必須以有效的學習活動為中介，促進知識的內化，只有這樣才能真正提高學生學習效率，促進學生學習的發生。

STEM學習活動設計，就是教師根據教學目標、教學內容、教學情境靈活選擇和設計學習活動，讓學生通過參與活動進行學習。

不同教學模式往往從不同教學環節和程序安排上顯示其特徵，每種教學模式都有其自身相對固定的活動邏輯步驟和每階段應完成的教學任務。

不同活動序列組合自然形成不同的教學模式。

6.學習評價設計

教學評價包括形成性評價和總結性評價。

為了在教學活動過程中更好地達到教學目標，教師需要在教學過程中不斷進行形成性評價。

形成性評價偏向於使用量表、行為觀察和知識測驗等形式了解階段性的教學成果和存在問題，及時對教學實施方案進行修改、完善。

總結性評價一般安排在教學活動告一段落後，為檢驗學習效果是否達到預期的教學目標而進行的評價。

STEM教學側重於培養學習者解決實際問題的能力，比傳統的紙筆測試更加靈活多樣並關注學習者的真實能力。

例如，它可以對小組合作完成的作品按事先制定的評價標準，由教師或小組間進行評價。

形成性評價和總結性評價服務於不同目的，沒有孰輕孰重之分，兩者均起著舉足輕重的作用。

評價過程要改變以往單一的評價方式，強調多元評價主體、形成性評價、面向學習過程的評價，由學生本人、同伴、教師對學生學習過程的態度、興趣、參與程度、任務完成情況以及學習過程中形成的作品等進行評估。

7.總結與強化練習

項目結束後需要適時進行教學總結，促進學習者將零散的知識系統化。

STEM教學關注現實問題，著力跨學科運用知識，因此更需要對涉及的知識進行總結，將STEM學習的產出從現實問題解決延伸到抽象的知識層面，讓學生形成一定的知識體系和結構。

教學總結可以由教師獨立進行，也可以採取教師指導下學生小組合作匯報等形式進行。

完成教學總結後，教師應根據小組評價和自我評價結果，為學生設計一套可供選擇並有針對性的補充學習材料和強化練習。

這類材料和練習應精心挑選，既要反映基本概念、基本原理又能適應不同學生的要求，以便通過強化練習糾正原有的錯誤理解或片面認識，最終達到符合要求的意義建構。

8.項目方案試用與改進

項目實施過程中，一方面要嚴格按照設計的方案進行實施，確保教學方案的執行;另一方面，要根據現實教學條件和形成性評價的結果不斷修訂設計方案，保證靈活性。

總結

在STEM跨學科整合設計中，容易出現學科知識結構性缺失的不足，本文提出對項目設計進行總體規劃，實現跨學科知識的均衡覆蓋。

在項目設計中特彆強調了總結與強化練習環節。

這些針對性的改進措施，以及借鑑中國傳統教育在知識掌握方面的優勢，可為大家的STEM教育實施提供參考。

(中國教育信息化在線楊馥紅編輯整理，素材來源：《開放教育研究》、百度等)