趙呈領趙文君 蔣志輝

?

面向STEM教育的5E探究式教學模式設計*

趙呈領1趙文君1[通訊作者]蔣志輝1,2

（1．華中師范大學 教育信息技術學院，湖北武漢 430079；2．長沙師范學院 電子與信息工程系，湖南長沙 410100）

當前由傳統(tǒng)的“理工科教育”轉變?yōu)镾TEM跨學科教育，尚缺乏切實可行的教學模式和有效的教學策略。文章首先闡述了STEM教育的內涵，并試圖從教學模式、教育理念、學習方式、培育目標、內核驅動力、教育基礎、教育特征、教學原則等八個方面分析本土化STEM教育形態(tài)；隨后，文章設計了包含參與、探究、解釋、精致、評價的5E教學流程；最后，文章以“探究”為核心，針對三種探究式教學策略，構建出面向STEM教育的5E探究式教學模式并進行了案例分析，以期為未來STEM教育的研究與發(fā)展提供理論參考。

STEM教育；5E教學流程；探究式教學策略；跨學科教育

國務院辦公廳在印發(fā)的《全民科學素質行動計劃綱要實施方案（2016-2020年）》中明確提出，要完善基礎教育階段的科技教育，增強中小學生的創(chuàng)新意識、學習能力和實踐能力，并采取一系列措施，如修訂小學科學課程標準實驗教材，增強中學數(shù)學、物理、化學、生物等學科教學的橫向配合，修訂普通高中科學與技術領域課程標準，鼓勵普通高中探索開展科學創(chuàng)新與技術實踐的跨學科探究活動[1]。在此背景下，STEM教育得到大力倡導。但是，由傳統(tǒng)的“理工科教育”轉變?yōu)镾TEM跨學科教育，尚缺乏切實可行的教學模式和有效的教學策略，許多STEM教師仍然處于“摸著石頭過河”的階段。對此，本研究試圖為STEM教育設計優(yōu)化的教學模式，提出針對性的教學策略，以期為STEM教育的研究與發(fā)展提供理論參考。

一 STEM教育及其關鍵因素分析

1 STEM教育的內涵

STEM教育被稱為“元學科”[2]，是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學（Mathematics）的簡稱，后來又增補了藝術（Art），旨在將多學科進行交叉融合，以培養(yǎng)學生的跨學科思維。具體來說，科學試圖通過獲得實證經(jīng)驗，來理解自然世界；技術源于工程設計，以滲入工程理念；工程結合科學與數(shù)學知識設計產品；數(shù)學通過邏輯計算與證明，來解釋事物的關系模式；藝術則強調工藝設計與創(chuàng)造帶來的價值。有別于傳統(tǒng)學科對思維的禁錮，STEM教育注重形成實踐性較強的跨學科思維理念，意在培養(yǎng)學生具備各學科的基礎知識能力和綜合運用能力，以支撐未來的長遠發(fā)展。

2 STEM教育的關鍵因素分析

通過闡述STEM教育的內涵，結合我國教育系統(tǒng)的呈現(xiàn)特征，本研究嘗試從以下八個關鍵因素對本土化形態(tài)下的STEM教育展開分析：

（1）教學模式：基于項目或問題導向

課堂中，教師可利用項目教學法，通過引導學生完成某個完整的項目而進行具體的教學實踐活動。發(fā)現(xiàn)問題是STEM多學科交叉整合的關鍵，是培養(yǎng)創(chuàng)造力的重要前提。Berry等[3]主張將基于項目的學習模式與STEM教育教學相結合，在問題情境中有效促進跨學科知識的整合以解決現(xiàn)實問題，同時將問題貫穿于項目始終，由教師提供“支架”，引導學生提出解決方案。

（2）教育理念：“做中學”與跨學科知識整合

杜威主張“做中學”，即在做的過程中獲得經(jīng)驗，而“做”就是一個不斷試錯的過程，同時伴隨著大腦的經(jīng)驗回顧、思考或頓悟。跨學科理念的核心是整合，就是融合其它學科知識于具體的情境實踐中，通過引導學生綜合運用跨學科知識，開展探究性學習、同儕互助學習、玩中學、做中學等豐富的學習活動，并通過集成、模仿或創(chuàng)造，形成創(chuàng)新類學習成果。

（3）學習方式：自主學習與合作探究

新課標倡導“自主、合作、探究”的學習方式。其中，自主學習的核心品質是獨立，要求學生具有對知識開拓的好奇心和自我約束力。合作學習能促進創(chuàng)造性思維的發(fā)展，激發(fā)參與情感，增加觀點觸發(fā)的數(shù)量和質量，并能在問題解決的過程中產生創(chuàng)意。在STEM教育的過程中，自主與合作的學習方式應作為學生“探究”的行為載體，以展開深入的研究和創(chuàng)新。

（4）培育目標：核心素養(yǎng)

核心素養(yǎng)包括批判性思維、信息素養(yǎng)、創(chuàng)新與問題解決能力、自我認識與調控、溝通與合作等。聯(lián)合國教科文組織在2015年發(fā)布的《反思教育：向“全球共同利益”的理念轉變？》（）中提出所有青年都應具備跨界素養(yǎng)，其要旨與核心素養(yǎng)不謀而合。STEM素養(yǎng)不僅包括科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學素養(yǎng)，還包括社會人文素養(yǎng)、藝術素養(yǎng)等STEM-x[4]。要跨界，就要解除思想的束縛，將STEM教育倡導的各學科素養(yǎng)交叉融合，塑造跨學科的綜合型核心素養(yǎng)。

（5）內核驅動力：信息技術支撐的創(chuàng)客教育

創(chuàng)客教育是信息技術支持下開源的STEM教育，它是一種培養(yǎng)創(chuàng)客精神的教育形態(tài)，注重與新科技的結合，并逐步培養(yǎng)跨學科的創(chuàng)新能力。走入課堂的創(chuàng)客教育應以STEM教育為原型，利用多種信息技術手段為教學帶來如3D打印、智能機器人、開源硬件等高效創(chuàng)新的典型實踐，注重培養(yǎng)學生具有數(shù)字技術時代的設計思維、計算思維和創(chuàng)新思維。

（6）教育基礎：STEM學科知識

實施STEM教學應以學科基礎知識的掌握為前提，其中編程和計算機思維日益成為了STEM課程的基礎學科要素。余勝泉等[5]建議，設計STEM課程時應保證問題或項目對所有學科基礎性知識結構全面均衡的覆蓋；蔣志輝等[6]設計了STEM教育背景下中小學生學習力的培養(yǎng)策略，將STEM課程作為其核心要素，并強調了基礎知識對于STEM教育的重要意義。

（7）教育特征：情境性、個性化和多樣性

在STEM教學過程中，教師創(chuàng)設問題情境，學生則從不同視角探尋思路，提出個性化的解決方案。由于學生的學習風格和認知方式存在差異，故所得方案也具有多樣性。此外，校內外教育機構為STEM活動提供多樣化平臺，極大地豐富了學生的課內外學習生活，對于學生個性化學習空間的釋放、情境性探究思路的引導和多樣性研究成果的孵化均起到了良好的促進作用。

（8）教學原則：學生為主體，教師為主導

“學生為主體，教師為主導”是教學的一項基本原則。在現(xiàn)代教育理念下，教師主導作用的關鍵應在于如何“育人”，故需在教學中進行有策略的組織、啟發(fā)和引導，并注重給學生提供豐富且具有探究性和挑戰(zhàn)性的活動內容；學生是認知的主觀能動者，需在復雜的情境中主動探索，并以課堂主體身份參與活動——如此，“雙主式”教學將再上新高度。

本土化形態(tài)下的STEM教育契合時代的發(fā)展趨勢，它依據(jù)多種先進的教育理念，匯集了多元現(xiàn)代教育特征和多層面教學要素，使我國教育模態(tài)更具優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?。本研究嘗試將STEM教育理念融入課堂教學模式中，設計特色精準的教學策略，以適應教學發(fā)展的需要。

二 面向STEM教育的5E探究式教學模式

1 5E教學流程的設計

5E教學模式是一種基于建構主義的探究式教學模式。該模式由美國的生物學課程研究會（Biological Sciences Curriculum Study，BSCS）在Atkin-Karplus學習環(huán)的基礎上提出，包含參與（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、精致（Elaborate）和評價（Evaluate）五個環(huán)節(jié)[7]。本研究將該模式置于STEM教育背景下，設計了面向STEM教育的5E教學流程，如圖1所示。

圖1 面向STEM教育的5E教學流程

①參與：又稱“引入”，是學生對STEM情境的初體驗環(huán)節(jié)。課前，STEM教師了解學生對于新學任務的前概念；課中，教師將學生引入STEM項目所創(chuàng)設的情境中，并以問題為導向，將STEM課程內容置于有意義的活動、生活實例中，促使學生思考并引發(fā)新舊概念的認知沖突，進而激發(fā)學習興趣和探究意識。該環(huán)節(jié)可以通過觀看視頻、頭腦風暴、實地考察等活動進行。

②探究：是5E教學模式的中心環(huán)節(jié)。探究就是問題解決的過程，需要學生敢于提出質疑并逐步激發(fā)探究思維，構建對新概念的認知。學生是探究活動的主體，采取自主、合作探究的方式參與，通過觀察描述、比較分類、交流討論等形式建立事物之間的聯(lián)系；教師是探究活動的主導，運用STEM知識進行啟發(fā)式教學，對學生給予個性化指導，并提供“支架式”支持。此階段是引發(fā)STEM創(chuàng)新思維的開端，注重培養(yǎng)學生的高階思維能力和動手實踐能力，以促進其知識經(jīng)驗的建構和技能技巧的掌握。

③解釋：是STEM新概念的生成環(huán)節(jié)。解釋即揭示探究的意義，學生完成探究后通過師生答疑、演講辯論、虛擬演示等方式展示方案——由于探究問題具有開放性，故所得方案也將具有多樣性。教師通過播放視頻、多媒體虛擬演示、提示討論等方式對方案進行解釋或補充，在闡釋概念時注重強調學科之間的整合，以培養(yǎng)學生的跨學科素養(yǎng)、問題解決能力和創(chuàng)新能力。

④精致：是對新概念的遷移運用。STEM教師啟發(fā)學生利用新概念解決具有關聯(lián)性的新問題或新現(xiàn)象，并給予適當?shù)乃伎紩r間和空間，引導學生通過參與討論、協(xié)作交流進行總結歸納——這是一個對新概念不斷精致化的過程，能促進STEM跨學科知識的遷移運用。此后，教師再行安排探究任務，引導學生不斷內化新知識，并培養(yǎng)團隊協(xié)作、問題探究和科學創(chuàng)新的能力，不斷提升STEM綜合素養(yǎng)。

⑤評價：貫穿于整個教學過程。STEM教育的評價具有多樣化特征，不僅包括學生學習反饋、探究積極性等課堂評價，還包括教師評價、學生自評與互評。此階段也可由師生共同開發(fā)STEM課程評估標準，以增強學生的參與意識。此外，還可以結合大數(shù)據(jù)、云計算等智能化的學習分析技術，來獲得個性化、全方位的監(jiān)測信息。評價的方法除了過程性評價和總結性評價，還應關注發(fā)展性評價，其中學生的科學精神、創(chuàng)新能力和合作能力應是重點考核指標。

2 三種探究式教學策略的對比

在5E教學模式中，探究是中心環(huán)節(jié)，而問題又是探究活動的核心。無論STEM教學如何設計，都要經(jīng)歷一個運用跨學科知識探究、獲得新知和再探究的過程。為培養(yǎng)學生的探究能力，我國新課標提出了發(fā)現(xiàn)式探究、推理式探究和實驗式探究三種探究式教學策略[8]。本研究對這三種探究式教學策略進行了對比分析，如表1所示。

表1 三種探究式教學策略的對比分析

柳棟等[9]認為，STEM的課堂常常是基于真實問題解決的探究式學習或基于設計的學習，強調學生在看似雜亂無章的情境中發(fā)展設計能力與問題解決能力。解決問題的過程就是認知活動的過程，而設計是一種解決多重問題的活動，所以設計活動也應該是認知活動的一部分。由此，本研究認為基于設計的學習貫穿于基于問題解決的STEM探究性活動過程之中。

3 面向STEM教育的5E探究式教學模式的構建

綜上，本研究以STEM教育為背景，以“5E教學流程”為基本架構，以“探究”為核心點，將三種探究式教學策略融入該流程，設計了面向STEM教育的5E探究式教學模式，如圖2所示。

圖2 面向STEM教育的5E探究式教學模式

本土化的STEM教育有機融合了基于項目或問題導向的教學模式、跨學科和“做中學”的教育理念、個性化多元培養(yǎng)的教育特征、自主合作探究的學習方式和信息技術支撐的創(chuàng)新驅動力等多種現(xiàn)代教育教學元素，成為新時代下智慧教育的重要組成部分。在STEM教育環(huán)境下，5E教學流程循環(huán)交替地運行——其中，“探究”既是5E教學活動的中心環(huán)節(jié)，也是貫穿于整個STEM教學過程的核心思想。當一個探究節(jié)點結束之后，又會在此基礎上以該結束點為起點，觸發(fā)新的節(jié)點和新一輪的探究過程；并且，在每一輪的探究活動中學生表現(xiàn)出個性化、多樣性的學習結果，使得其認知思維不斷從橫向、縱向發(fā)散延伸，從而實現(xiàn)對知識的構建、加工、生成和遷移。從STEM教育的內涵考慮，學生探究性地參與學習實踐和互動交流是在活動層面較為貼切的學習方式，也是對培養(yǎng)理工科思維品質和踐行跨學科教育理念的一種有益嘗試。

與此同時，由于STEM內容具有多樣性，教學應結合探究式教學策略的不同特點進行靈活選擇和調整，并合理安排教學順序：若探究要點多而分散，可以設置多個“5E”循環(huán)；若探究活動較為復雜，可以橫跨幾節(jié)課來完成“5E”教學過程；若探究活動的中間環(huán)節(jié)較多，可以對“探究—解釋”部分反復實施多次再逐步推進教學。這就要求STEM教師具備一定的教學掌控能力，能夠合理預估和有效組織、引導教學活動，并允許學生在探究活動中不斷試錯。

三 5E探究式教學案例

本研究采用面向STEM教育的5E探究式教學模式，針對三種探究式教學策略分別設計了具體的教學案例（如表2所示），以通過教學實例幫助理解該教學模式。

四 小結

STEM教育進入課堂已成全球趨勢。在知識經(jīng)濟時代，培養(yǎng)學生的STEM核心素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力已成為一種新的教育范式。因此，STEM教育的研究者和建設者應立足于國內教育的發(fā)展現(xiàn)狀，將其植入本土化教育模式中，并將STEM與社會價值、人文藝術、信息技術等相融合，創(chuàng)建出具有中國特色的STEM教育形態(tài)。

本研究試圖從多個視角分析本土化的STEM教育形態(tài)，并以“5E教學流程”為基本架構，以“探究”為核心點，針對三種探究式教學策略，構建出面向STEM教育的5E探究式教學模式。該模式終歸要落到實處，而從嘗試引入到全面推廣需經(jīng)歷一個曲折的過程?；诖?，教育研究者在踐行該模式的過程中，要不斷改進教學策略，將理論與實踐相結合，推動STEM教育的螺旋式前進，并以創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享為發(fā)展理念，加快推進教育現(xiàn)代化的建設步伐。

表2 三種5E探究式教學案例

[1]國務院辦公廳.全民科學素質行動計劃綱要實施方案(2016-2020年)[OL].

[2]Morrison J. Workforce and school[A]. Briefingbook. SEEK-16 conference[C]. Washington D.C.: National Academy of Engineering, 2005:4-5.

[3]Berry M R, Chalmers C, Chandra V. STEM futures and practice, can we teach STEM in a more meaningful and integrated way?[A]. Beijing Normal University and Griffith University. 2nd international STEM in education conference[C]. Beijing: Beijing Normal University, 2012:225-240.

[4]詹青龍,許瑞.國外STEM教育研究的熱題表征與進路預判——基于ERIC(2005-2015)的量化考察[J].中國電化教育,2016,(10):66-73.

[5]余勝泉,胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究,2015,(4):13-22.

[6]蔣志輝,趙呈領,周鳳伶,等.STEM教育背景下中小學生學習力培養(yǎng)策略研究[J].中國電化教育,2017,(2):25-32、41.

[7]王健,李秀菊.5E教學模式的內涵及其對我國理科教育的啟示[J].生物學通報,2012,(3):39-42.

[8]教育部.基礎教育課程改革綱要(試行)[OL].

[9]柳棟,吳俊杰,謝作如,等.STEM、STEAM與可能的實踐路線[J].中小學信息技術教育,2013,(6):39-41.

編輯：小米

The Design of 5E Inquiry Teaching Model for STEM Education

ZHAO Cheng-ling1ZHAO Wen-jun1[Corresponding Author]JIANG Zhi-hui1,2

Atpresent, thetransformationof traditional “science and engineering education”into Science, Technology, Engineering, Mathematics (STEM) interdisciplinary educationstill lacks of the practical teaching methods and effective teaching strategies. Firstly, this paper expounded the connotation of STEM education, and attempted to analyze the pattern of indigenized STEM education from the eight aspects of teaching model, educational idea, learning style, cultivating goal, core driving force, educational foundation, educational characteristic and teaching principle. Secondly, the 5E teaching process including engagement, exploration, explanation, elaboration and evaluationwasdesigned. Finally, takingthe “inquiry” as the core, this paper constructed the 5E inquiry teaching modelfor STEM education aiming at the three inquiry teaching strategies, and further conducted a case study of this model, expecting to provideoretical reference for the future research and development of STEM education.

STEM education; 5E teaching process; inquiry-based teaching strategy; interdisciplinary education

本文為教育部—中國移動科研基金2015年度項目“師范生信息化教學能力標準與培養(yǎng)模式實證研究”（項目編號：MCM21050607）、湖南省社會科學成果評審委員會項目“區(qū)域內優(yōu)質教育資源共享機制及實證研究”（項目編號：湘社評【2017】1號XSP17YBZC188)的階段性研究成果。

趙呈領，教授，本科，研究方向為教育技術學理論、方法與應用，信息技術與課程整合，郵箱為zhcling@mail.ccnu.edu.cn。

2017年4月17日

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.03.016

G40-057

A

1009—8097（2018）03—0106—07